Analiza zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności średnio-napięciowych złącz elektrycznych
Jako profesjonalista zajmujący się operacjami w systemie elektroenergetycznym, rozpoznaję, że średnie napięcie (MV) szafy przełącznikowe odgrywają kluczową rolę w dystrybucji, pomiarach i ochronie. Zapewnienie ich bezpieczeństwa i niezawodności jest krytyczne – jakiekolwiek uszkodzenie może poważnie zakłócać działanie całego systemu energetycznego. Aby zwiększyć niezawodność, musimy skupić się na optymalizacji na poziomie projektowania, umożliwiając MV szafom przełącznikowym spełnianie swoich funkcji i zapewnianie stabilności sieci.
1. Definicja średnionapięciowej szafy przełącznikowej
W mojej praktyce, MV szafa przełącznikowa odnosi się do metalowych szaf przełącznikowych, zdefiniowanych w GB 3906–2020 Przełącznikowe i sterownicze urządzenia dla naprężeń przemiennych od 3,6 kV do 40,5 kV: urządzenie całkowicie otoczone metalowymi obudowami z wyjątkiem przychodzących/wychodzących przewodników.
W systemach energetycznych, MV szafy przełącznikowe pełnią kluczowe funkcje: przełączanie, pomiary, dystrybucję energii i ochronę na etapach generacji, transmisji i dystrybucji. W trakcie działania dostosowuję ich konfigurację w zależności od potrzeb sieci – łącząc lub rozłączając urządzenia/linie, aby utrzymać stabilność. W przypadku awarii w urządzeniach sieciowych lub liniach, używam MV szaf przełącznikowych do szybkiego izolowania uszkodzonego fragmentu, zapewniając nieprzerwane zaopatrzenie w energię obszarów nienaruszonych.
2. Znaczenie zapewnienia niezawodności MV szaf przełącznikowych
MV szafy przełącznikowe są szeroko stosowane w systemach energetycznych. Wraz z rozszerzaniem się sieci elektrycznej w Chinach i jej rosnącą złożonością, sieci teraz noszą cięższe obciążenia, aby sprostać społecznym potrzebom. Na podstawie mojego doświadczenia, tylko zapewniając niezawodność MV szaf przełącznikowych, można efektywnie zarządzać dystrybucją, pomiarami i ochroną, utrzymując ogólną stabilność sieci.
Każdy incydent bezpieczeństwa lub awaria w MV szafach przełącznikowych destabilizuje system dystrybucji, kompromitując zaopatrzenie w energię. W najgorszych przypadkach może to prowadzić do szerokich zakłóceń, powodując znaczne straty ekonomiczne w produkcji społecznej. Dlatego podkreślam potrzebę wzmacniania niezawodności MV szaf przełącznikowych poprzez wieloaspektowe środki, zapewniające stabilną funkcjonalność i wsparcie dla sieci.
3. Strategie wzmacniania niezawodności MV szaf przełącznikowych
3.1 Rzetelny projekt obudowy
Naukowy projekt obudowy jest fundamentem zapewnienia niezawodności MV szaf przełącznikowych, co priorytetowo uwzględniam w praktyce inżynierskiej. Na przykład:
Te optymalizacje projektowe są zgodne z najlepszymi praktykami branżowymi, zapewniając, że MV szafy przełącznikowe spełniają wymagania bezpieczeństwa i wydajności w rzeczywistych warunkach pracy.
3.2 Rzetelny projekt struktury izolacyjnej
Aby zwiększyć bezpieczeństwo i niezawodność szaf przełącznikowych średniego i niskiego napięcia, wzmocnienie projektu izolacyjnego jest niezbędne. W praktycznym projekcie, oprócz spełnienia wymagań izolacyjnych, należy również uwzględnić czynniki takie jak koszty projektu i ochrona środowiska.
3.2.1 Rzetelny wybór gazów izolacyjnych
W szafach przełącznikowych średniego napięcia gaz SF₆ był głównym nośnikiem izolacyjnym. Jest on jednak nie tylko toksyczny, ale ma również bardzo wysoki potencjał globalnego ocieplenia (GWP). Choć CO₂ jest gazem cieplarnianym o wysokim GWP, gaz SF₆ ma GWP 23 900 razy wyższy niż CO₂, co podkreśla jego istotne szkodliwość dla środowiska naturalnego. Dla szaf przełącznikowych średniego i niskiego napięcia, które nie wymagają krytycznej wydajności przerwania, możemy próbować zastąpić gaz SF₆ azotem (N₂) lub suchym powietrzem. Porównanie wydajności N₂, suchego powietrza i gazu SF₆ przedstawione jest w Tabeli 1.
Jak pokazuje Tabela 1, N₂ i suche powietrze nie są gazami cieplarnianymi, nie stanowią zagrożenia dla środowiska ekologicznego. Mają niskie temperatury wrzenia, co eliminuje obawy o zastygnięcie podczas normalnego użytkowania, nawet w ekstremalnie zimnych regionach. Warto zauważyć, że N₂, jako główny składnik powietrza, ma stabilne właściwości chemiczne. Jednak zbyt wysoka stężenie N₂ może powodować uduszenie ze względu na brak tlenu. Podczas projektowania z użyciem N₂ jako gazu izolacyjnego, muszą być skonfigurowane wentylacja i sprzęt ochronny. Użycie suchego powietrza jako gazu izolacyjnego unika tych problemów. Poprzez kompleksowe porównanie, suche powietrze może być zastosowane do zastąpienia SF₆ jako gazu izolacyjnego w projektowaniu izolacji szaf przełącznikowych.
Podczas korzystania z suchego powietrza jako gazu izolacyjnego, należy wziąć pod uwagę projekt minimalnej luki powietrznej. Zgodnie z odpowiednimi standardami, dla nominalnego napięcia 12 kV, minimalna luka powietrzna między fazami i od fazy do ziemi powinna wynosić 125 mm. Jeśli test kondensacji zostanie zaliczony, minimalna luka powietrzna może być nieco mniejsza niż 125 mm. Użycie suchego powietrza jako gazu izolacyjnego pozwala na odpowiednie zmniejszenie minimalnej luki powietrznej.
3.2.2 Wzmacnianie napięcia przepalającego w lukach gazowych
W trakcie procesu projektowania, aby zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność szaf przełącznikowych średniego i niskiego napięcia, napięcie przepalające w lukach gazowych powinno również zostać wzmacnione, z następującymi specyficznymi metodami:
Poprawa rozkładu pola elektrycznego w szafach przełącznikowych średniego i niskiego napięcia. Można to osiągnąć poprzez optymalizację kształtów elektrod w oparciu o rzeczywiste warunki lub pełne wykorzystanie ładunków przestrzennych do wzmocnienia jednorodności pola elektrycznego. Jeśli jednorodność pola elektrycznego jest ekstremalnie słaba, dodanie barier jest również opcją.
Zmniejszenie procesu jonizacji suchego powietrza. Stosowanie wysokiego ciśnienia w szafach przełącznikowych średniego napięcia może osłabić proces jonizacji suchego powietrza. Alternatywnie, użycie wysokiego próżniowego ciśnienia w szafach przełącznikowych średniego napięcia może osiągnąć ten sam efekt.
Podczas użycia wysokiego ciśnienia lub próżni, wymagana jest ekstremalnie wysoka wytrzymałość zbiornika gazu, a w praktyce mogą wystąpić problemy z przeciekiem, prowadząc do poważnych konsekwencji. Dlatego w rzeczywistym projekcie, poprawa kształtu elektrod i dodanie barier w ekstremalnie nierównomiernych polach elektrycznych są bardziej realistycznymi metodami zwiększenia napięcia przepalającego w lukach gazowych.
3.3 Rzetelny wybór elementów
Kluczowe elementy szaf przełącznikowych średniego napięcia, w tym wyłączniki próżniowe, przerzutniki próżniowe i kontakty, bezpośrednio wpływają na bezpieczeństwo i niezawodność działania urządzeń, wymagając surowej kontroli jakości.
Na przykład, w przypadku szaf przełącznikowych ABB, ich przerzutniki próżniowe podlegają rygorystycznym testom przed wysyłką: automatyczne testy wysokiego napięcia sprawdzają wytrzymałość izolacyjną, podczas gdy urządzenia magnetryczne spiralne mierzą ciśnienie wewnątrz komory wypełnionej gazem szlachetnym. Po określonym okresie izolacji przeprowadza się drugi test ciśnieniowy, a wyniki są porównywane, aby upewnić się, że wydajność szczelności spełnia standardy.
W produkcji, przerzutniki próżniowe ABB wymagają surowego kontroli środowiska i procesu. Wyprodukowane w niemieckiej fabryce CalorEmag, są profesjonalnie montowane przez regionalne przedsiębiorstwa średniego napięcia przed centralnym dostarczeniem. W pierwszej kolejności wybierane są wysokowydajne stopy, takie jak Cu-Cr i W-C-Ag, aby zapewnić trwałość. Montaż odbywa się w dedykowanych salach czystych przy użyciu procesu „jednorazowego zamykania i wypompowywania”: pod wysoką temperaturą 800°C osiąga się wysoką próżnię, a następnie jednocześnie wykonuje się spawanie i zamykanie, aby zagwarantować niezawodność procesu.
Ewolucja badań i rozwoju przerzutników próżniowych odzwierciedla ciągłe optymalizacje wydajności: wcześniejsze zestawy były narażone na powietrze, polegając wyłącznie na izolujących przegrodach do izolacji. Kolejne ulepszenia obejmowały nakładanie izolacyjnych rękawów na przerzutniki i kontakty, aby zrównoważyć pole elektryczne, a następnie integralne odlewanie przerzutników i kontaktów, aby zwiększyć izolację między fazami i odporność na uderzenia, jednocześnie stosując ekologiczne materiały, aby zintegrować wydajność z rozważaniami środowiskowymi.
3.4 Rzetelne planowanie testów walidacji projektu
Po ukończeniu projektu szaf przełącznikowych średniego napięcia, walidacja eksperymentalna staje się kluczowym etapem. Faktyczna walidacja musi ściśle przestrzegać odpowiednich standardów, takich jak GB 3906–2020 Przełącznikowe i sterownicze urządzenia dla naprężeń przemiennych od 3,6 kV do 40,5 kV, GB/T 11022–2020 Wspólne wymagania techniczne dla standardów wysokonapięciowych przełączników i sterowników oraz GB/T 1984–2014 Wyłączniki wysokiego napięcia.
Kluczowe punkty testów typowych
Kompleksowa weryfikacja wydajności powinna obejmować elementy elektryczne i pomocnicze szaf przełącznikowych średniego napięcia, aby upewnić się, że parametry techniczne spełniają wymagania. Gdy procesy projektowe lub warunki produkcyjne ulegają zmianie, testy typowe muszą być ponownie przeprowadzone, aby zagwarantować bezpieczeństwo i niezawodność sprzętu. Dla normalnie produkowanego sprzętu, zwykle wymagany jest co 8 lat test podgrzewania; przeprowadzane są testy mechaniczne, aby sprawdzić wydajność operacyjną; jednocześnie są również niezbędne testy weryfikacji bezpieczeństwa, takie jak krótkotrwała wytrzymałość na prąd i szczytowa wytrzymałość na prąd.
Na przykład, szafy przełącznikowe średniego napięcia ABB przeszły walidację eksperymentalną w wielu krajach zgodnie z najbardziej rygorystycznymi standardami do tej pory, demonstrując wyjątkowe bezpieczeństwo i niezawodność. Weźmy na przykład test łuku wewnętrznego, który weryfikuje:
4. Podsumowanie
Jako kluczowy element systemu energetycznego, niezawodność operacyjna szaf przełącznikowych średniego napięcia bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo sieci. Dlatego ważne jest, aby wzmocnić projekt bezpieczeństwa i niezawodności sprzętu, rygorystycznie optymalizować parametry techniczne zgodnie ze standardami i budować solidną obronę bezpieczeństwa poprzez systematyczne testy walidacyjne, zapewniając, że szafy przełącznikowe średniego napięcia stabilnie wykonywują funkcje dystrybucji, ochrony i sterowania w systemie energetycznym.
