Analisi della sicurezza e garanzia di affidabilità degli armadi elettrici a media tensione
In quanto professionista impegnato nelle operazioni del sistema elettrico, riconosco che l'apparato di commutazione a media tensione (MV) svolge un ruolo fondamentale nella distribuzione, misurazione e protezione dell'energia. Garantire la sicurezza e l'affidabilità del suo funzionamento è critico - qualsiasi malfunzionamento può interrompere gravemente l'intero sistema elettrico. Per migliorare l'affidabilità, dobbiamo dare priorità alle ottimizzazioni a livello di progettazione, consentendo all'apparato di commutazione MV di svolgere le sue funzioni e garantire la stabilità della rete.
1. Definizione dell'apparato di commutazione a media tensione
Nella mia pratica, l'apparato di commutazione MV si riferisce all'apparato di commutazione metallico definito nella norma GB 3906—2020 Apparati di commutazione e comando a corrente alternata per tensioni nominali da 3,6 kV a 40,5 kV: attrezzatura completamente racchiusa in casse di metallo, eccetto i conduttori d'ingresso/uscita.
Nei sistemi elettrici, l'apparato di commutazione MV svolge funzioni chiave: commutazione, misurazione, distribuzione dell'energia e protezione attraverso le fasi di generazione, trasmissione e distribuzione. Durante l'operazione, regolo la sua configurazione in base alle esigenze della rete - collegando o disconnettendo attrezzature/alimentatori per mantenere la stabilità. Quando si verificano guasti negli apparecchi o nelle linee della rete, utilizzo l'apparato di commutazione MV per isolare prontamente la sezione difettosa, assicurando una fornitura di energia ininterrotta alle aree non interessate.
2. Importanza della garanzia dell'affidabilità degli apparati di commutazione MV
L'apparato di commutazione MV è ampiamente applicato nei sistemi elettrici. Con l'espansione e la crescente complessità della rete elettrica in Cina, le reti ora trasportano carichi più pesanti per soddisfare le esigenze sociali. Dalla mia esperienza, solo garantendo l'affidabilità degli apparati di commutazione MV, essi possono gestire efficacemente la distribuzione, la misurazione e la protezione dell'energia, mantenendo così la stabilità complessiva della rete.
Qualsiasi incidente di sicurezza o malfunzionamento nell'apparato di commutazione MV destabilizzerà il sistema di distribuzione, compromettendo la fornitura di energia. In casi gravi, può causare interruzioni generalizzate, portando a significative perdite economiche per la produzione sociale. Pertanto, sottolineo la necessità di migliorare l'affidabilità degli apparati di commutazione MV attraverso misure multifacce, assicurando una funzionalità stabile e un supporto alla rete.
3. Strategie per migliorare l'affidabilità degli apparati di commutazione MV
3.1 Progettazione razionale della struttura della cassa
Una progettazione scientifica della cassa è fondamentale per garantire l'affidabilità degli apparati di commutazione MV, che pongo in primo piano nella pratica ingegneristica. Ad esempio:
Queste ottimizzazioni di progettazione sono allineate con le migliori pratiche dell'industria, assicurando che gli apparati di commutazione MV soddisfino i requisiti di sicurezza e prestazioni nelle operazioni reali.
3.2 Progettazione razionale della struttura di isolamento
Per migliorare la sicurezza e l'affidabilità degli apparati di commutazione a media-bassa tensione, è essenziale rafforzare la progettazione dell'isolamento. Nella progettazione pratica, oltre a soddisfare i requisiti di isolamento, devono essere considerati anche fattori come i costi di progettazione e la tutela ambientale.
3.2.1 Selezione razionale dei gas isolanti
Negli apparati di commutazione a media tensione, il gas SF₆ è stato il principale mezzo isolante. Tuttavia, non è solo tossico, ma ha anche un GWP (Potenziale di Riscaldamento Globale) estremamente elevato. Anche se il CO₂ è un gas serra con un GWP elevato, il gas SF₆ ha un GWP 23.900 volte superiore a quello del CO₂, evidenziando il suo significativo danno all'ambiente naturale. Per gli apparati di commutazione a media-bassa tensione con esigenze non critiche di interruzione, dal punto di vista del progetto, possiamo tentare di sostituire il gas SF₆ con N₂ o aria asciutta. A confronto con il gas SF₆, le prestazioni isolate di N₂ e aria asciutta possono raggiungere il 30% di quelle del gas SF₆. I confronti di prestazioni tra N₂, aria asciutta e gas SF₆ sono mostrati nella Tabella 1.
Come indicato nella Tabella 1, N₂ e aria asciutta non sono gas serra, non rappresentano una minaccia per l'ambiente ecologico. Hanno anche punti di ebollizione bassi, eliminando preoccupazioni riguardo alla liquefazione durante l'uso normale, anche in regioni estremamente fredde. Nota bene, N₂, come componente principale dell'aria, presenta proprietà chimiche stabili. Tuttavia, una concentrazione eccessivamente alta di N₂ può causare soffocamento a causa della mancanza di ossigeno. Quando si progetta con N₂ come gas isolante, devono essere configurati dispositivi di ventilazione e protezione. In contrasto, l'uso di aria asciutta come gas isolante evita tali problemi. Attraverso un confronto complessivo, l'aria asciutta può essere adottata per sostituire il SF₆ come gas isolante nella progettazione dell'isolamento degli apparati di commutazione.
Quando si utilizza aria asciutta come gas isolante, deve essere considerata la progettazione della minima distanza d'aria. Secondo le norme pertinenti, per una tensione nominale di 12 kV, la minima distanza d'aria tra fasi e tra fase e terra dovrebbe essere di 125 mm. Se il test di condensazione viene superato, la minima distanza d'aria può essere leggermente inferiore a 125 mm. Utilizzare aria asciutta come gas isolante permette di ridurre leggermente la minima distanza d'aria.
3.2.2 Miglioramento della tensione di rottura nelle intercapedini gassose
Durante il processo di progettazione, per garantire la sicurezza e l'affidabilità degli apparati di commutazione a media-bassa tensione, la tensione di rottura nelle intercapedini gassose dovrebbe essere migliorata, con metodi specifici come segue:
Miglioramento della distribuzione del campo elettrico negli apparati di commutazione a media-bassa tensione. Ciò può essere ottenuto ottimizzando le forme degli elettrodi in base alle condizioni effettive o sfruttando pienamente le cariche spaziali per migliorare l'uniformità del campo elettrico. Se l'uniformità del campo elettrico è estremamente scarsa, l'aggiunta di barriere è anche un'opzione.
Soppressione del processo di ionizzazione dell'aria asciutta. Applicare alta pressione negli apparati di commutazione a media tensione può indebolire il processo di ionizzazione dell'aria asciutta. Alternativamente, l'utilizzo di alto vuoto negli apparati di commutazione a media tensione può ottenere lo stesso effetto.
Quando si utilizza alta pressione o alto vuoto, è richiesta una resistenza estremamente alta del serbatoio di gas, e nei casi pratici possono verificarsi problemi di perdite, portando a conseguenze serie. Pertanto, nella progettazione effettiva, il miglioramento della forma degli elettrodi e l'aggiunta di barriere in campi elettrici estremamente inomogenei sono metodi più fattibili per aumentare la tensione di rottura nelle intercapedini gassose.
3.3 Selezione razionale dei componenti
I componenti principali degli apparati di commutazione a media tensione, inclusi interruttori a vuoto, interruttori a vuoto e contatti, influiscono direttamente sulla sicurezza e l'affidabilità del funzionamento dell'attrezzatura, richiedendo un rigoroso controllo della qualità.
Prendendo come esempio l'apparato di commutazione ABB, i suoi interruttori a vuoto subiscono rigorosi controlli prima della spedizione: test automatici ad alta tensione verificano la resistenza all'isolamento, mentre dispositivi a magnetrone elicoidale misurano la pressione interna all'interno di una camera riempita con gas inerte. Dopo un periodo di isolamento specificato, viene effettuato un secondo test di pressione, e i risultati vengono confrontati per assicurare che le prestazioni di sigillaggio soddisfino gli standard.
Nella produzione, gli interruttori a vuoto ABB richiedono un rigoroso controllo ambientale e processuale. Prodotti nella fabbrica tedesca di CalorEmag, vengono assemblati professionalmente dalle imprese regionali di apparati di commutazione a media tensione prima della fornitura centralizzata. Vengono preferiti leghe ad alte prestazioni come Cu-Cr e W-C-Ag per i materiali dei componenti, per garantirne la durata.L'assemblaggio avviene in sale pulite dedicate utilizzando un processo di "sigillatura ed estrazione in un'unica volta": sotto una temperatura di 800°C, si ottiene prima un alto vuoto, seguito da saldatura e sigillatura simultanee per garantire l'affidabilità del processo.
L'evoluzione dello sviluppo degli interruttori a vuoto riflette un continuo ottimizzazione delle prestazioni: le prime assemblee esposte all'aria dipendevano solo da partizioni isolanti per l'isolamento. Miglioramenti successivi hanno incluso maniche isolate sugli interruttori e sui contatti per bilanciare i campi elettrici, seguiti da fusione integrale per interruttori e contatti per migliorare l'isolamento tra fasi e la resistenza agli impatti, utilizzando materiali eco-compatibili per integrare le prestazioni con considerazioni ambientali.
3.4 Pianificazione razionale dei test di validazione del progetto
Dopo il completamento del progetto degli apparati di commutazione a media tensione, la validazione sperimentale diventa una fase critica. La validazione effettiva deve conformarsi strettamente alle norme pertinenti, come la GB 3906—2020 Apparati di commutazione e comando a corrente alternata per tensioni nominali da 3,6 kV a 40,5 kV, la GB/T 11022—2020 Requisiti tecnici comuni per le norme degli apparati di commutazione e comando a corrente alternata ad alta tensione e la GB/T 1984—2014 Interruttori a corrente alternata ad alta tensione.
Punti chiave per i test di tipo
Deve essere effettuata una verifica completa delle prestazioni per i componenti elettrici e gli elementi ausiliari degli apparati di commutazione a media tensione per assicurare che i parametri tecnici soddisfino i requisiti. Quando i processi di progettazione o le condizioni di produzione cambiano, devono essere ripetuti i test di tipo per garantire la sicurezza e l'affidabilità dell'attrezzatura. Per l'attrezzatura prodotta normalmente, è tipicamente richiesto un test di innalzamento di temperatura ogni 8 anni; vengono effettuati test di funzionamento meccanico per ispezionare le prestazioni operative; inoltre, sono necessari anche test di verifica della sicurezza come il test di resistenza a corrente massima per breve tempo e il test di resistenza a corrente di picco.
Prendendo come esempio gli apparati di commutazione a media tensione ABB, essi hanno superato validazioni sperimentali in molti paesi secondo le norme più severe fino ad oggi, dimostrando un'eccellente sicurezza e affidabilità. Prendendo come esempio il test di arco interno, che verifica:
4 Conclusione
Come componente centrale del sistema elettrico, l'affidabilità operativa degli apparati di commutazione a media tensione influenza direttamente la sicurezza della rete. Pertanto, è essenziale rafforzare la progettazione della sicurezza e dell'affidabilità dell'attrezzatura, ottimizzare rigorosamente i parametri tecnici in conformità con le norme e costruire una solida difesa di sicurezza attraverso test di validazione sistematici, assicurando che gli apparati di commutazione a media tensione svolgano in modo stabile le funzioni di distribuzione, protezione e controllo nel sistema elettrico.
