Analyse der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsgewährleistung von Mittelspannungsschaltanlagen
Als Fachkraft im Bereich der Betriebsführung von Stromsystemen erkenne ich die zentrale Rolle, die mittelspannungsfähige (MS) Schaltanlagen in der Energieverteilung, Messung und Schutz spielen. Die Sicherstellung ihrer Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit ist entscheidend – jeder Ausfall kann das gesamte Stromsystem schwerwiegend stören. Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, müssen wir Optimierungen auf Designebene priorisieren, um sicherzustellen, dass MS-Schaltanlagen ihre Funktionen erfüllen und die Netzstabilität gewährleisten.
1. Definition von Mittelspannungsschaltanlagen
In meiner Praxis bezieht sich MS-Schaltanlagen auf metallgekleidete Schaltanlagen, wie in GB 3906–2020 Wechselstrom-Metallschaltanlagen und -Schaltgeräte für Nennspannungen von 3,6 kV bis 40,5 kV definiert: Geräte, die vollständig von Metallgehäusen umgeben sind, mit Ausnahme der ein- und auslaufenden Leiter.
In Stromsystemen erfüllen MS-Schaltanlagen wichtige Funktionen: Schalten, Messen, Energieverteilung und Schutz in den Phasen der Erzeugung, Übertragung und Verteilung. Während des Betriebs passe ich ihre Konfiguration gemäß den Netzanforderungen an – indem ich Geräte oder Speiseleitungen verbinde oder trennt, um Stabilität zu gewährleisten. Bei Fehlern in Netzgeräten oder Leitungen nutze ich MS-Schaltanlagen, um den defekten Abschnitt schnellstmöglich abzutrennen, um ununterbrochenen Stromversorgung in unberührten Bereichen sicherzustellen.
2. Bedeutung der Gewährleistung der Zuverlässigkeit von MS-Schaltanlagen
MS-Schaltanlagen finden breite Anwendung in Stromsystemen. Mit der Expansion und zunehmenden Komplexität des chinesischen Stromnetzes tragen die Netze nun schwerere Lasten, um soziale Anforderungen zu erfüllen. Aus meiner Erfahrung heraus kann nur durch die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von MS-Schaltanlagen effektiv Energieverteilung, Messung und Schutz verwaltet werden, um die Gesamtstabilität des Netzes aufrechtzuerhalten.
Jeder Sicherheitsvorfall oder Betriebsausfall in MS-Schaltanlagen wird das Verteilungssystem destabilisieren und die Stromversorgung beeinträchtigen. In schweren Fällen kann es zu weitreichenden Ausfällen kommen, was zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten in der sozialen Produktion führt. Daher betone ich die Notwendigkeit, die Zuverlässigkeit von MS-Schaltanlagen durch mehrfache Maßnahmen zu erhöhen, um eine stabile Funktionalität und Netzunterstützung zu gewährleisten.
3. Strategien zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von MS-Schaltanlagen
3.1 Rationale Gestaltung der Gehäusestruktur
Eine wissenschaftliche Gehäusegestaltung ist grundlegend für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von MS-Schaltanlagen, die ich in der Ingenieurpraxis priorisiere. Zum Beispiel:
Diese Designoptimierungen entsprechen den besten Praktiken der Branche und stellen sicher, dass MS-Schaltanlagen den Sicherheits- und Leistungsanforderungen im realen Betrieb gerecht werden.
3.2 Rationale Gestaltung der Isolationsstruktur
Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von mittel- und niederspannungsfähigen Schaltanlagen zu erhöhen, ist die Verstärkung der Isolationsgestaltung unerlässlich. In der praktischen Gestaltung sollten neben den Isolationsanforderungen auch Faktoren wie Gestaltungskosten und Umweltschutz berücksichtigt werden.
3.2.1 Rationale Auswahl von Isoliergasen
Bei mittelspannungsfähigen Schaltanlagen war SF₆-Gas das primäre Isoliermedium. Es ist jedoch nicht nur giftig, sondern hat auch ein extrem hohes GWP (Global Warming Potential). Obwohl CO₂ ein Treibhausgas mit hohem GWP ist, hat SF₆-Gas ein GWP, das 23.900 Mal höher ist als das von CO₂, was seine erhebliche Schädigung für die natürliche Umwelt hervorhebt. Für mittel- und niederspannungsfähige Schaltanlagen mit nicht-kritischen Unterbrechungsleistungsanforderungen können wir im Design versuchen, SF₆-Gas durch N₂ oder trockene Luft zu ersetzen. Im Vergleich zu SF₆-Gas erreichen die Isolationsleistungen von N₂ und trockener Luft 30 % der von SF₆-Gas. Die Leistungsvergleiche zwischen N₂, trockener Luft und SF₆-Gas sind in Tabelle 1 dargestellt.
Wie in Tabelle 1 angezeigt, sind N₂ und trockene Luft keine Treibhausgase und stellen keine Bedrohung für die ökologische Umwelt dar. Sie haben auch niedrige Siedepunkte, was Bedenken bezüglich Flüssigwerdung während normaler Nutzung, selbst in extrem kalten Regionen, beseitigt. Insbesondere N₂, als Hauptkomponente der Luft, weist stabile chemische Eigenschaften auf. Allerdings kann eine zu hohe N₂-Konzentration durch Sauerstoffmangel zu Erstickung führen. Bei der Gestaltung mit N₂ als Isoliergas müssen Lüftungs- und Schutzausrüstungen konfiguriert werden. Der Einsatz von trockener Luft als Isoliergas vermeidet solche Probleme. Durch eine umfassende Vergleichsanalyse kann trockene Luft verwendet werden, um SF₆ als Isoliergas in der Isolationsgestaltung von Schaltanlagen zu ersetzen.
Wenn trockene Luft als Isoliergas verwendet wird, muss die Gestaltung des minimalen Luftspalts berücksichtigt werden. Gemäß relevanten Standards beträgt der minimale Luftspalt zwischen Phasen und von Phase zu Boden bei einer Nennspannung von 12 kV 125 mm. Wenn der Taupunkttest bestanden wird, kann der minimale Luftspalt leicht kleiner als 125 mm sein. Der Einsatz von trockener Luft als Isoliergas ermöglicht eine angemessene Reduzierung des minimalen Luftspalts.
3.2.2 Steigerung der Durchschlagspannung in Gaslücken
Während des Gestaltungsprozesses sollte, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von mittel- und niederspannungsfähigen Schaltanlagen zu gewährleisten, die Durchschlagspannung in Gaslücken ebenfalls erhöht werden, mit spezifischen Methoden wie folgt:
Verbesserung der elektrischen Feldverteilung in mittel- und niederspannungsfähigen Schaltanlagen. Dies kann durch die Optimierung von Elektrodenformen basierend auf tatsächlichen Bedingungen oder durch die vollständige Nutzung von Raumladungen zur Verbesserung der elektrischen Feldgleichmäßigkeit erreicht werden. Wenn die elektrische Feldgleichmäßigkeit extrem schlecht ist, bietet die Hinzufügung von Barrieren auch eine Option.
Unterdrückung des Ionisationsprozesses von trockener Luft. Das Anwenden von hohem Druck in mittelspannungsfähigen Schaltanlagen kann den Ionisationsprozess von trockener Luft schwächen. Alternativ kann das Verwenden von Hochvakuum in mittelspannungsfähigen Schaltanlagen den gleichen Effekt erzielen.
Beim Einsatz von hohem Druck oder Hochvakuum ist eine extrem hohe Gasbehälterfestigkeit erforderlich, und in der Praxis treten häufig Leckageprobleme auf, die zu schwerwiegenden Folgen führen. Daher sind in der tatsächlichen Gestaltung die Verbesserung der Elektrodenform und die Hinzufügung von Barrieren in extrem inhomogenen elektrischen Feldern realistischere Methoden, um die Durchschlagspannung in Gaslücken zu erhöhen.
3.3 Rationale Auswahl von Bauteilen
Die Kernbauteile von mittelspannungsfähigen Schaltanlagen, einschließlich Vakuumschaltgeräte, Vakuumschaltstellen und Kontakte, beeinflussen direkt die Betriebssicherheit und -zuverlässigkeit der Ausrüstung, was strenge Qualitätskontrolle erfordert.
Nehmen wir ABB-Schaltanlagen als Beispiel. Ihre Vakuumschaltstellen unterliegen rigorosen Versandkontrollen: Automatische Hochspannungsprüfungen überprüfen die Isolationsstärke, während Spiral-Magnetron-Geräte den inneren Druck in einer Kammer mit Edelgas messen. Nach einer bestimmten Isolationszeit wird eine zweite Druckprüfung durchgeführt, und die Ergebnisse werden verglichen, um sicherzustellen, dass die Abdichtungsleistung den Standards entspricht.
In der Herstellung erfordern ABB-Vakuumschaltstellen strenge Umwelt- und Prozesskontrollen. Sie werden in CalorEmags deutscher Fabrik produziert und dann professionell von regionalen mittelspannungsfähigen Schaltanlagenunternehmen montiert, bevor sie zentral bereitgestellt werden. Für die Bauteilematerialien werden hochleistungsfähige Legierungen wie Cu-Cr und W-C-Ag bevorzugt, um die Haltbarkeit zu gewährleisten.Die Montage erfolgt in dedizierten Reinräumen mit einem „Einmal-Verschweißen-und-Entlüften“-Prozess: Bei 800°C-Hochtemperatur wird zunächst ein Hochvakuum erzeugt, gefolgt von gleichzeitiger Schweiß- und Abdichtungsarbeit, um die Prozesszuverlässigkeit zu garantieren.
Die Entwicklung der Vakuumschaltstellen spiegelt eine kontinuierliche Leistungsverbesserung wider: Frühere Aufbauten, die der Luft ausgesetzt waren, verließen sich ausschließlich auf isolierende Trennwände zur Isolation. Spätere Verbesserungen umfassten isolierende Hülle über Schaltstellen und Kontakte, um elektrische Felder auszugleichen, gefolgt von integraler Gussformung für Schaltstellen und Kontakte, um die Phasen-zu-Phasen-Isolation und den Stoßwiderstand zu verbessern, während umweltfreundliche Materialien eingesetzt wurden, um Leistung und Umweltaspekte zu integrieren.
3.4 Rationale Planung von Entwurfsvalidierungsprüfungen
Nachdem der Entwurf von mittelspannungsfähigen Schaltanlagen abgeschlossen ist, wird die experimentelle Validierung zu einer kritischen Phase. Die tatsächliche Validierung muss strikt den relevanten Standards entsprechen, wie GB 3906–2020 Wechselstrom-Metallschaltanlagen und -Schaltgeräte für Nennspannungen von 3,6 kV bis 40,5 kV, GB/T 11022–2020 Allgemeine technische Anforderungen an Hochspannungs-Wechselstrom-Schaltanlagen und -Schaltgeräte-Normen und GB/T 1984–2014 Hochspannungs-Wechselstrom-Schaltgeräte.
Hauptpunkte für Typprüfungen
Es muss eine umfassende Leistungsüberprüfung der elektrischen Komponenten und Hilfselemente von mittelspannungsfähigen Schaltanlagen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die technischen Parameter den Anforderungen entsprechen. Wenn sich Entwurfsprozesse oder Produktionsbedingungen ändern, müssen Typprüfungen neu durchgeführt werden, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Ausrüstung zu gewährleisten. Für normal produzierte Ausrüstung ist in der Regel alle 8 Jahre eine Temperaturanstiegsprüfung erforderlich; mechanische Betriebsprüfungen werden durchgeführt, um die Betriebsleistung zu überprüfen; gleichzeitig sind auch Sicherheitsprüfungen wie Kurzzeitdurchhaltekurrent- und Spitzenstromtests notwendig.
Nehmen wir ABB-mittelspannungsfähige Schaltanlagen als Beispiel. Sie haben experimentelle Validierungen in mehreren Ländern unter den strengsten Standards bislang bestanden und zeigen außergewöhnliche Sicherheit und Zuverlässigkeit. Nehmen wir den internen Bogenstrahltest als Beispiel, der prüft:
4 Schlussfolgerung
Als Kernkomponente des Stromsystems beeinflusst die Betriebszuverlässigkeit von mittelspannungsfähigen Schaltanlagen direkt die Netzsicherheit. Daher ist es wesentlich, die Sicherheits- und Zuverlässigkeitsgestaltung der Ausrüstung zu stärken, die technischen Parameter nach Standards streng zu optimieren und durch systematische Validierungsprüfungen eine solide Sicherheitsverteidigung aufzubauen, um sicherzustellen, dass mittelspannungsfähige Schaltanlagen in dem Stromsystem stabil Verteilung, Schutz und Steuerungsfunktionen erfüllen.
