Analiza sigurnosti i pouzdanosti srednjenskih niskopriljevne aparature
Kao stručnjak u radu s električnim sustavima, prepoznajem ključnu ulogu srednje-naponskog (MV) aparata za prekid u distribuciji, mjerenju i zaštiti. Održavanje njegove operativne sigurnosti i pouzdanosti je ključno – bilo kakav propust može teško narušiti cijeli električni sustav. Za povećanje pouzdanosti moramo priorizirati optimizacije na razini dizajna, omogućujući MV aparatima za prekid da ispunjavaju svoje funkcije i osiguravaju stabilnost mreže.
1. Definicija srednje-naponskog aparata za prekid
U svom radu, MV aparat za prekid odnosi se na metalno oklopljeni aparat za prekid definiran u GB 3906—2020 AC Metal-Clad Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV: oprema potpuno zatvorena u metalne oklopne kutije, osim vodilaca za dolazak/odlazak.
U električnim sustavima, MV aparat za prekid obavlja ključne funkcije: prekid, mjerenje, distribuciju energije i zaštitu tijekom faza proizvodnje, prijenosa i distribucije. Tijekom rada, prilagođavam njegovu konfiguraciju prema potrebama mreže – povezujući ili odspajajući opremu/priključke kako bi se održala stabilnost. Kada dođe do propusta u uređajima ili linijama mreže, koristim MV aparat za prekid kako bih brzo izolirao oštećeni dio, osiguravajući neprekidnu dostavu struje područjima koje nisu utjecene.
2. Važnost osiguravanja pouzdanosti MV aparatima za prekid
MV aparat za prekid široko se primjenjuje u električnim sustavima. S proširenjem i složenošću mreže u Kini, mreže sada nose teže opterećenje kako bi zadovoljile društvene potrebe. Iz mog iskustva, samo osiguravajući pouzdanost MV aparatima za prekid, može se efektivno upravljati distribucijom, mjerenjem i zaštitom, održavajući ukupnu stabilnost mreže.
Bilo kakav incident sigurnosti ili propust u radu MV aparatima za prekid destabilizirat će distribucijski sustav, kompromitirajući dostavu struje. U teškim slučajevima, može doći do široko rasprostranjenih ispadanja, što dovodi do značajnih ekonomskih gubitaka u društvenoj proizvodnji. Stoga naglašavam potrebu za poboljšanjem pouzdanosti MV aparatima za prekid kroz višestruke mjere, osiguravajući stabilnu funkcionalnost i podršku mreži.
3. Strategije za poboljšanje pouzdanosti MV aparatima za prekid
3.1 Racionalni dizajn oklopne strukture
Znanstveni dizajn oklope je temelj za osiguravanje pouzdanosti MV aparatima za prekid, što prioriziram u inženjerskoj praksi. Na primjer:
Ove optimizacije dizajna u skladu su s najboljim praksama u industriji, osiguravajući da MV aparat za prekid ispunjava zahtjeve za sigurnost i performanse u stvarnom radu.
3.2 Racionalni dizajn izolacijske strukture
Za poboljšanje sigurnosti i pouzdanosti srednje-niskonaponskog aparata za prekid, pojačanje dizajna izolacije je neophodno. U praktičnom dizajnu, osim ispunjenja zahtjeva za izolaciju, treba uzeti u obzir i faktore kao što su troškovi dizajna i zaštita okoliša.
3.2.1 Racionalna izbora izolacijskih plinova
U srednje-naponskim aparatima za prekid, SF₆ plin bio je glavni izolacijski medij. Međutim, on nije samo otrovan, nego ima i izuzetno visoki GWP (Global Warming Potential). Iako CO₂ je staklenički plin s visokim GWP, SF₆ plin ima GWP 23,900 puta veći od CO₂, što ističe njegovu značajnu štetu na prirodnoj sredini. Za srednje-niskonaponske aparat za prekid s manjim zahtjevima za prekidom, dizajnerski možemo pokušati zamijeniti SF₆ plin sa N₂ ili suhom zrakom. U usporedbi s SF₆ plinom, izolacijska performansa N₂ i suhe zrake može dosegnuti 30% performanse SF₆ plina. Usporedbe performansi među N₂, suhim zrakom i SF₆ plinom prikazane su u Tablici 1.
Kao što pokazuje Tablica 1, N₂ i suha zrak nisu staklenički plinovi, niti predstavljaju pretnju ekološkoj sredini. Imaju niske tačke vreline, eliminirajući zabrinutost o tekućenju tijekom normalne upotrebe, čak i u izuzetno hladnim regijama. Važno je napomenuti da N₂, kao glavni sastojak zraka, ima stabilne kemijske osobine. Međutim, previsoka koncentracija N₂ može dovesti do zadahivanja zbog nedostatka kisika. Kada se dizajnira s N₂ kao izolacijskim plinom, moraju se konfigurirati ventilacijski i zaštitni uređaji. U suprotnom, korištenje suhe zrake kao izolacijskog plina izbjegava takve probleme. Kroz kompleksnu usporedbu, suhu zrak može se usvojiti za zamjenu SF₆-a kao izolacijskog plina u dizajnu izolacije aparata za prekid.
Kada se koristi suha zraka kao izolacijski plin, treba uzeti u obzir dizajn minimalne zračne razmake. Prema relevantnim standardima, za nominalno napona od 12 kV, minimalna zračna razmak između faza i od faze do zemlje treba biti 125 mm. Ako je test kondenzacije uspešan, minimalna zračna razmak može biti malo manja od 125 mm. Korištenje suhe zrake kao izolacijskog plina dopušta odgovarajuće smanjenje minimalne zračne razmake.
3.2.2 Poboljšanje prekidnog napona u plinskim razmacima
Tijekom procesa dizajna, kako bi se osigurala sigurnost i pouzdanost srednje-niskonaponskog aparata za prekid, prekidni napon u plinskim razmacima također treba poboljšati, a specifične metode su sljedeće:
Poboljšanje raspodjele električnog polja u srednje-niskonaponskom aparatu za prekid. To se može postići optimizacijom oblika elektroda prema stvarnim uvjetima ili potpuno iskorištenjem prostornih nabojeva kako bi se unaprijedila uniformnost električnog polja. Ako je uniformnost električnog polja izuzetno loša, dodavanje barjera je također opcija.
Smanjenje ionizacijskog procesa suhe zrake. Primjena visokog tlaka u srednje-naponskom aparatu za prekid može oslabiti ionizacijski proces suhe zrake. Alternativno, korištenje visokog vakuuma u srednje-naponskom aparatu za prekid može postići isti učinak.
Kada se koristi visoki tlak ili visoki vakuum, zahtjevi za čvršćinom plinskog spremnika moraju biti izuzetno visoki, a u stvarnoj praksi lako se pojavljuju problemi sa curenjem, što dovodi do ozbiljnih posljedica. Stoga, u stvarnom dizajnu, poboljšanje oblika elektroda i dodavanje barjera u izuzetno neuniformnim električnim poljima su realnije metode za povećanje prekidnog napona u plinskim razmacima.
3.3 Racionalna izbora komponenti
Ključne komponente srednje-naponskog aparata za prekid, uključujući vakuumski prekidnik, vakuumski prekidni element i kontakte, direktno utječu na operativnu sigurnost i pouzdanost opreme, zahtijevajući strogu kontrolu kvalitete.
Uzmimo ABB aparat za prekid kao primjer. Njegovi vakuumski prekidni elementi podliježu rigoroznim pregledima prije isporuke: automatizirani testovi visokog napona provjeravaju čvršćinu izolacije, dok spiralni magnetronski uređaji mjeri unutarnji tlak u komori ispune inertnim plinom. Nakon određenog perioda izolacije, provodi se drugi test tlaka, a rezultati se uspoređuju kako bi se osigurala ispunjena standardi za čvršćinu zatvaranja.
U proizvodnji, ABB vakuumski prekidni elementi zahtijevaju stroge kontrolu okruženja i procesa. Proizvedeni u CalorEmag's njemačkoj tvornici, profesionalno se montiraju u regionalnim poduzećima za srednje-naponske aparat za prekid prije centralizirane dobave. Komponente materijala prioritiziraju visokoperformantne legure poput Cu-Cr i W-C-Ag kako bi se osigurala dugotrajnost. Montaža se odvija u posebnim čistim sobama koristeći "jednokratni proces zatvaranja i iscrpljivanja": pri visokoj temperaturi od 800°C, prvo se postiže visoki vakuum, zatim se istodobno vrše zavarivanje i zatvaranje kako bi se osigurala pouzdanost procesa.
Evolucija R&D vakuumskih prekidnih elemenata odražava kontinuirano optimiranje performansi: ranije montaže izložene zraku oslanjale su se isključivo na izolacijske particije za izolaciju. Kasnije poboljšanja uključivala su izolacijske rukave nad prekidnim elementima i kontaktima kako bi se balansiralo električno polje, zatim integralno lisovanje prekidnih elemenata i kontakata kako bi se unaprijedila izolacija među fazama i otpornost na udare, uz prihvaćanje eko-prihvatljivih materijala kako bi se integrisale performanse s ekološkim razmatranjima.
3.4 Racionalno planiranje testova za validaciju dizajna
Nakon završetka dizajna srednje-naponskog aparata za prekid, eksperimentalna validacija postaje ključna faza. Stvarna validacija mora strogo pridržavati relevantne standarde, poput GB 3906—2020 AC Metal-Clad Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV, GB/T 11022—2020 Common Technical Requirements for High-Voltage AC Switchgear and Controlgear Standards, i GB/T 1984—2014 High-Voltage AC Circuit Breakers.
Ključni aspekti tipovnih testova
Kompleksna verifikacija performansi treba se provesti za električne komponente i pomoćne elemente srednje-naponskog aparata za prekid kako bi se osiguralo da tehnički parametri ispunjavaju zahtjeve. Kada se procesi dizajna ili uvjeti proizvodnje promijene, tipovni testovi moraju se ponovno provesti kako bi se garantirala sigurnost i pouzdanost opreme. Za redovito proizvedenu opremu, obično je potreban test porasta temperature svakih 8 godina; testovi mehaničkog rada provode se kako bi se provjerila operativna performansa; istodobno, potrebni su i testovi sigurnosne verifikacije, poput testa kratkotrajne izdržljivosti struje i vrha izdržljive struje.
Uzmimo ABB srednje-naponski aparat za prekid kao primjer, koji je prošao eksperimentalne validacije u mnogo zemalja pod najstrožim standardima do danas, pokazujući izvanrednu sigurnost i pouzdanost. Uzmimo test interne lukove kao primjer, koji provjerava:
4 Zaključak
Kao ključni dio električnog sustava, operativna pouzdanost srednje-naponskog aparata za prekid direktno utječe na sigurnost mreže. Stoga je nužno jačati sigurnosni i pouzdani dizajn opreme, strogo optimizirati tehničke parametre u skladu s standardima i izgraditi čvrstu obrambenu liniju putem sistemskih testova validacije, osiguravajući da srednje-naponski aparat za prekid stabilno obavlja funkcije distribucije, zaštite i kontrole u električnom sustavu.
