Analyse van de veiligheids- en betrouwbaarheidsverzekering van middenspanningskasten
Als professional werkzaam in de elektriciteitsnetwerken, herken ik dat middenspanningskasten (MV) een cruciale rol spelen in stroomverdeling, meten en bescherming. Het waarborgen van hun veiligheid en betrouwbaarheid is essentieel—een storing kan het hele elektriciteitsnetwerk ernstig verstoren. Om de betrouwbaarheid te verbeteren, moeten we prioriteit geven aan optimalisaties op ontwerp niveau, zodat MV-kasten hun functies kunnen vervullen en de netstabiliteit kunnen waarborgen.
1. Definitie van Middenspanningskasten
In mijn praktijk verwijst MV naar metalen kasten zoals gedefinieerd in GB 3906—2020 AC Metal-Clad Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV: apparatuur volledig omgeven door metalen behuizingen, met uitzondering van ingaande/uitgaande geleiders.
In elektriciteitsnetwerken vervullen MV-kasten belangrijke functies: schakelen, meten, stroomverdeling en bescherming over generatie, transmissie en distributiefasen. Tijdens de operatie pas ik de configuratie aan op basis van de neteisen—ik verbind of verbreek apparatuur/geleiders om stabiliteit te handhaven. Bij fouten in netapparatuur of -lijnen gebruik ik MV-kasten om de defecte sectie snel te isoleren, waardoor ononderbroken stroomvoorziening in onaangetaste gebieden wordt gewaarborgd.
2. Belang van het waarborgen van de betrouwbaarheid van MV-kasten
MV-kasten worden breed toegepast in elektriciteitsnetwerken. Met de uitbreiding en groeiende complexiteit van China's netwerken dragen grids nu zwaardere lasten om aan sociale eisen te voldoen. Uit mijn ervaring blijkt dat alleen door de betrouwbaarheid van MV-kasten te waarborgen, deze effectief stroomverdeling, meten en bescherming kunnen beheren, waardoor de algemene netstabiliteit wordt onderhouden.
Elke veiligheidsincident of functionele storing in MV-kasten zal het distributiesysteem destabiliseren, wat de stroomvoorziening compromitteert. In ernstige gevallen kan dit leiden tot wijdverspreide storingen, met significante economische verliezen voor de maatschappelijke productie. Daarom benadruk ik de noodzaak om de betrouwbaarheid van MV-kasten te versterken via multifaceteuze maatregelen, waardoor stabiele functionaliteit en netsteun worden gewaarborgd.
3. Strategieën voor het verbeteren van de betrouwbaarheid van MV-kasten
3.1 Rationeel ontwerp van de behuizingstructuur
Wetenschappelijk behuizingontwerp is fundamenteel voor het waarborgen van de betrouwbaarheid van MV-kasten, wat ik in de ingenieurspraktijk prioriteer. Bijvoorbeeld:
Deze ontwerpoptimalisaties komen overeen met de beste praktijken in de industrie, waardoor MV-kasten aan de veiligheids- en prestatie-eisen voldoen in de echte werking.
3.2 Rationeel ontwerp van de isolatiestructuur
Om de veiligheid en betrouwbaarheid van medium-laagspanningskasten te versterken, is het versterken van het isolatieontwerp essentieel. In het praktische ontwerp moet, naast het voldoen aan isolatie-eisen, ook rekening worden gehouden met factoren zoals ontwerpkosten en milieubescherming.
3.2.1 Rationele selectie van isolatiegassen
In middenspanningskasten is SF₆-gas het primaire isolatiemedium geweest. Echter, het is niet alleen giftig, maar heeft ook een extreem hoog GWP (Global Warming Potential). Hoewel CO₂ een broeikasgas is met een hoog GWP, heeft SF₆-gas een GWP 23.900 keer zo hoog als CO₂, wat zijn significante schade aan het natuurlijke milieu aantoont. Voor middenspanningskasten met niet-kritische onderbrekingsprestatie-eisen, kunnen we in het ontwerp proberen SF₆-gas te vervangen door N₂ of droge lucht. In vergelijking met SF₆-gas, kunnen de isolatieprestaties van N₂ en droge lucht 30% van die van SF₆-gas bereiken. De prestatievergelijkingen tussen N₂, droge lucht en SF₆-gas staan in Tabel 1.
Zoals aangegeven in Tabel 1, zijn N₂ en droge lucht geen broeikasgassen en vormen ze geen bedreiging voor het ecologische milieu. Ze hebben ook lage kookpunten, waardoor er geen zorgen zijn over verdamping tijdens normaal gebruik, zelfs in zeer koude regio's. Merk op dat N₂, als hoofdbestanddeel van lucht, stabiele chemische eigenschappen heeft. Echter, een te hoge concentratie van N₂ kan verstikking veroorzaken door zuurstoftekort. Bij het ontwerpen met N₂ als isolatiegas, moet ventilatie en beschermende uitrusting worden geconfigureerd. In tegenstelling daaraan, vermijdt het gebruik van droge lucht als isolatiegas dergelijke problemen. Door een grondige vergelijking kan droge lucht worden aangenomen om SF₆ te vervangen als isolatiegas in het ontwerp van kastisolatie.
Bij het gebruik van droge lucht als isolatiegas, moet de ontwerp van de minimale luchtgap worden overwogen. Volgens relevante standaarden, voor een nominale spanning van 12 kV, moet de minimale luchtgap tussen fasen en van fase naar aarde 125 mm zijn. Als de condensatietest is geslaagd, kan de minimale luchtgap iets kleiner zijn dan 125 mm. Het gebruik van droge lucht als isolatiegas staat toe om de minimale luchtgap enigszins te verkleinen.
3.2.2 Verhoging van de doorbraakspanning in gasgaps
Tijdens het ontwerpproces, om de veiligheid en betrouwbaarheid van medium-laagspanningskasten te waarborgen, moet de doorbraakspanning in gasgaps ook worden verhoogd, met specifieke methoden als volgt:
Verbetering van de elektrisch veldverdeling in medium-laagspanningskasten. Dit kan worden bereikt door de elektrodevormen te optimaliseren op basis van de feitelijke omstandigheden of door volledig gebruik te maken van ruimteladen om de elektrisch velduniformiteit te verhogen. Als de elektrisch velduniformiteit extreem slecht is, is het toevoegen van barrières ook een optie.
Onderdrukking van het ionisatieproces van droge lucht. Het toepassen van hoge druk in middenspanningskasten kan het ionisatieproces van droge lucht verzwakken. Alternatief, het gebruik van hoge vacuüm in middenspanningskasten kan hetzelfde effect bereiken.
Bij het gebruik van hoge druk of hoge vacuüm, is de gasvatsterkte extreem hoog vereist, en lekkageproblemen komen vaak voor in de praktijk, wat ernstige gevolgen kan hebben. Daarom, in het daadwerkelijke ontwerp, zijn het verbeteren van de elektrodevorm en het toevoegen van barrières in extreem onhomogene elektrisch velden meer haalbare methoden om de doorbraakspanning in gasgaps te verhogen.
3.3 Rationele selectie van componenten
De kerncomponenten van middenspanningskasten, inclusief vacuümschakelaars, vacuümonderbrekers en contacten, beïnvloeden direct de operationele veiligheid en betrouwbaarheid van de apparatuur, waardoor strikte kwaliteitscontrole nodig is.
Neem ABB-kasten als voorbeeld. Hun vacuümonderbrekers ondergaan strenge inspecties voor verzending: automatische hoge-spanningstests controleren de isolatiesterkte, terwijl spiraalmagnetronapparaten de interne druk binnen een kamer gevuld met inert gas meten. Na een gespecificeerde isolatieperiode wordt een tweede druktest uitgevoerd, en worden de resultaten vergeleken om te zorgen dat de sluitprestaties voldoen aan de normen.
In de productie vereisen ABB-vacuümonderbrekers strikte milieueisen en procescontroles. Ze worden geproduceerd in CalorEmag's Duitse fabriek, professioneel samengesteld door regionale middenspanningskastbedrijven voordat ze centraal worden geleverd. Hogeprestatielegers zoals Cu-Cr en W-C-Ag worden geprioritiseerd voor componentmaterialen om duurzaamheid te waarborgen.Assemblage vindt plaats in speciale schoonruimtes met een "éénmalig sluiten en ledigen" proces: bij 800°C hoge temperatuur wordt eerst een hoge vacuüm bereikt, gevolgd door gelijktijdig lassen en sluiten om de procesbetrouwbaarheid te garanderen.
De R&D-evolutie van vacuümonderbrekers weerspiegelt continue prestatie-optimalisatie: vroege assemblages blootgesteld aan lucht vertrouwden alleen op isolerende scheidingswanden voor isolatie. Latere verbeteringen omvatten isolerende mouwen over onderbrekers en contacten om elektrisch veld te balanceren, gevolgd door integrale gieten voor onderbrekers en contacten om fase-tot-fase isolatie en impactbestendigheid te verhogen, terwijl milieuvriendelijke materialen werden aangenomen om prestaties met milieubeslommeringen te integreren.
3.4 Rationele planning van ontwerpvalidatietests
Na het ontwerp van middenspanningskasten, wordt experimentele validatie een cruciale fase. De daadwerkelijke validatie moet strikt voldoen aan relevante normen, zoals 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, en GB/T 1984—2014 High-Voltage AC Circuit Breakers.
Kernpunten voor type-tests
Er moet een algehele prestatie-verificatie worden uitgevoerd voor de elektrische componenten en hulpapparatuur van middenspanningskasten om te zorgen dat technische parameters voldoen aan de eisen. Wanneer ontwerpprocessen of productieomstandigheden veranderen, moeten type-tests opnieuw worden uitgevoerd om de veiligheid en betrouwbaarheid van de apparatuur te garanderen. Voor normaal geproduceerde apparatuur is doorgaans elke 8 jaar een temperatuurverhogingstest vereist; mechanische operatietests worden uitgevoerd om de operatieprestaties te inspecteren; evenals veiligheidsverificatie-items zoals korte tijdsduur doorstaande stroom en piek doorstaande stroomtests.
Neem ABB-middenspanningskasten als voorbeeld, deze hebben experimentele validaties in meerdere landen doorstaan onder de strengste normen tot nu toe, waarmee uitzonderlijke veiligheid en betrouwbaarheid worden gedemonstreerd. Neem de interne bogen-test als voorbeeld, die verifieert:
4 Conclusie
Als een kerncomponent van het elektriciteitsnetwerk, beïnvloedt de operationele betrouwbaarheid van middenspanningskasten direct de netveiligheid. Daarom is het essentieel om de veiligheid en betrouwbaarheid van de apparatuur te versterken, technische parameters strikt te optimaliseren volgens normen, en een solide veiligheidsverdediging op te bouwen door systematische validatietests, waardoor middenspanningskasten stabiel stroomverdeling, bescherming en controlefuncties in het elektriciteitsnetwerk kunnen uitvoeren.
