Анализ обеспечения безопасности и надежности средневольтных коммутационных устройств
Как профессионал, занимающийся эксплуатацией систем электроснабжения, я признаю, что средневольтное (СВ) распределительное устройство играет ключевую роль в распределении, измерении и защите электроэнергии. Обеспечение его безопасной и надежной работы критически важно — любая неисправность может серьезно нарушить работу всей системы электроснабжения. Для повышения надежности необходимо уделять первостепенное внимание оптимизации на уровне проектирования, чтобы СВ распределительное устройство могло выполнять свои функции и обеспечивать стабильность сети.
1. Определение средневольтного распределительного устройства
В моей практике СВ распределительное устройство относится к металлическим шкафам, как определено в GB 3906—2020 Металлические шкафы и аппаратура управления для переменного тока с номинальным напряжением от 3,6 кВ до 40,5 кВ: оборудование, полностью закрытое металлическими корпусами, за исключением входящих/исходящих проводников.
В системах электроснабжения СВ распределительные устройства выполняют ключевые функции: коммутацию, измерение, распределение электроэнергии и защиту на этапах генерации, передачи и распределения. В процессе эксплуатации я корректирую его конфигурацию в зависимости от потребностей сети — подключаю или отключаю оборудование/линии, чтобы поддерживать стабильность. При возникновении неисправностей в сетевых устройствах или линиях я использую СВ распределительное устройство для быстрого изоляции поврежденного участка, обеспечивая непрерывное энергоснабжение неповрежденных областей.
2. Значимость обеспечения надежности СВ распределительного устройства
СВ распределительные устройства широко применяются в системах электроснабжения. С учетом расширения и усложнения сетей в Китае, они теперь несут более высокие нагрузки, чтобы удовлетворить социальные потребности. По моему опыту, только обеспечив надежность СВ распределительных устройств, можно эффективно управлять распределением, измерением и защитой электроэнергии, тем самым поддерживая общую стабильность сети.
Любое происшествие по безопасности или отказ в работе СВ распределительного устройства дестабилизирует систему распределения, нарушая энергоснабжение. В тяжелых случаях это может привести к массовым отключениям, вызывая значительные экономические потери для общественного производства. Поэтому я подчеркиваю необходимость повышения надежности СВ распределительных устройств через комплексные меры, обеспечивая стабильную функциональность и поддержку сети.
3. Стратегии повышения надежности СВ распределительных устройств
3.1 Рациональное проектирование корпуса
Научное проектирование корпуса является фундаментальным для обеспечения надежности СВ распределительных устройств, что я приоритизирую в инженерной практике. Например:
Эти оптимизации дизайна соответствуют лучшим практикам отрасли, обеспечивая, чтобы СВ распределительные устройства соответствовали требованиям безопасности и производительности в реальных условиях эксплуатации.
3.2 Рациональное проектирование изоляционной структуры
Для повышения безопасности и надежности средневольтных и низковольтных распределительных устройств необходимо укрепить проектирование изоляции. В практическом проектировании, помимо соблюдения требований к изоляции, также следует учитывать факторы, такие как стоимость проектирования и экологическая безопасность.
3.2.1 Рациональный выбор изолирующих газов
В средневольтных распределительных устройствах SF₆-газ был основным изолирующим средством. Однако он не только токсичен, но и имеет чрезвычайно высокий ПГП (потенциал глобального потепления). Хотя CO₂ является парниковым газом с высоким ПГП, SF₆-газ имеет ПГП, в 23 900 раз превышающий ПГП CO₂, что подчеркивает его значительный вред для окружающей среды. Для средневольтных и низковольтных распределительных устройств с невысокими требованиями к прерыванию, в проектировании можно попытаться заменить SF₆-газ на N₂ или сухой воздух. По сравнению с SF₆-газом, изоляционные свойства N₂ и сухого воздуха могут достигать 30% от свойств SF₆-газа. Сравнение характеристик N₂, сухого воздуха и SF₆-газа показано в таблице 1.
Как указано в таблице 1, N₂ и сухой воздух не являются парниковыми газами и не представляют угрозы для экологической среды. Они также имеют низкие точки кипения, что исключает опасность охлаждения даже в очень холодных регионах. Следует отметить, что N₂, будучи основным компонентом воздуха, обладает стабильными химическими свойствами. Однако чрезмерно высокая концентрация N₂ может вызвать асфиксию из-за недостатка кислорода. При проектировании с использованием N₂ в качестве изолирующего газа необходимо предусмотреть вентиляцию и средства защиты. В отличие от этого, использование сухого воздуха в качестве изолирующего газа позволяет избежать таких проблем. На основе всестороннего сравнения, сухой воздух может быть использован для замены SF₆ в качестве изолирующего газа в проектировании изоляции распределительных устройств.
При использовании сухого воздуха в качестве изолирующего газа следует учитывать проектирование минимального воздушного зазора. Согласно соответствующим стандартам, для номинального напряжения 12 кВ минимальный воздушный зазор между фазами и от фазы до земли должен составлять 125 мм. Если тест на конденсацию пройден, минимальный воздушный зазор может быть немного меньше 125 мм. Использование сухого воздуха в качестве изолирующего газа позволяет несколько уменьшить минимальный воздушный зазор.
3.2.2 Повышение напряжения пробоя в газовых зазорах
В процессе проектирования, чтобы обеспечить безопасность и надежность средневольтных и низковольтных распределительных устройств, также необходимо повысить напряжение пробоя в газовых зазорах, используя следующие методы:
Улучшение распределения электрического поля в средневольтных и низковольтных распределительных устройствах. Это можно достичь путем оптимизации формы электродов в зависимости от фактических условий или полного использования пространственных зарядов для улучшения равномерности электрического поля. Если равномерность электрического поля крайне низкая, можно добавить барьеры.
Подавление процесса ионизации сухого воздуха. Применение высокого давления в средневольтных распределительных устройствах может ослабить процесс ионизации сухого воздуха. Альтернативно, использование высокого вакуума в средневольтных распределительных устройствах также может достичь того же эффекта.
При использовании высокого давления или высокого вакуума требуется, чтобы прочность газового бака была чрезвычайно высокой, и в практических условиях часто возникают проблемы с утечками, что может привести к серьезным последствиям. Поэтому в реальном проектировании более приемлемыми методами повышения напряжения пробоя в газовых зазорах являются улучшение формы электродов и добавление барьеров в крайне неоднородных электрических полях.
3.3 Рациональный выбор компонентов
Основные компоненты средневольтных распределительных устройств, включая вакуумные выключатели, вакуумные прерыватели и контакты, непосредственно влияют на безопасность и надежность оборудования, требуя строгого контроля качества.
Примером может служить распределительное устройство ABB. Его вакуумные прерыватели проходят строгие предотгрузочные испытания: автоматические испытания на высокое напряжение проверяют прочность изоляции, а спиральные магнетроны измеряют внутреннее давление в камере, заполненной инертным газом. После определенного периода изоляции проводится второе испытание на давление, и результаты сравниваются, чтобы убедиться, что герметичность соответствует стандартам.
В производстве вакуумные прерыватели ABB требуют строгого контроля окружающей среды и процессов. Они производятся на немецком заводе CalorEmag, затем профессионально собираются региональными предприятиями по производству средневольтных распределительных устройств перед централизованной поставкой. Для материалов компонентов приоритет отдается высокопроизводительным сплавам, таким как Cu-Cr и W-C-Ag, чтобы обеспечить долговечность.Сборка осуществляется в специализированных чистых помещениях с использованием процесса "однократного герметичного заполнения и вакуумирования": при высокой температуре 800°C сначала создается высокий вакуум, а затем одновременно выполняется сварка и герметизация, что гарантирует надежность процесса.
Эволюция разработки вакуумных прерывателей отражает непрерывное улучшение производительности: ранние сборки, подвергнутые воздействию воздуха, полагались только на изоляционные перегородки для изоляции. Последующие улучшения включали установку изоляционных рукавов на прерыватели и контакты для балансировки электрического поля, а затем интегральное литье прерывателей и контактов для улучшения фазовой изоляции и ударопрочности, а также использование экологически чистых материалов для интеграции производительности с экологическими соображениями.
3.4 Рациональное планирование испытаний для подтверждения проекта
После завершения проектирования средневольтных распределительных устройств экспериментальное подтверждение становится критическим этапом. Фактическое подтверждение должно строго соответствовать соответствующим стандартам, таким как GB 3906—2020 Металлические шкафы и аппаратура управления для переменного тока с номинальным напряжением от 3,6 кВ до 40,5 кВ, GB/T 11022—2020 Общие технические требования к стандартам высоковольтных коммутационных аппаратов и аппаратуры управления переменного тока и GB/T 1984—2014 Высоковольтные коммутационные аппараты переменного тока.
Ключевые моменты типовых испытаний
Необходимо провести всестороннюю проверку производительности электрических компонентов и вспомогательных элементов средневольтных распределительных устройств, чтобы убедиться, что технические параметры соответствуют требованиям. При изменении процессов проектирования или условий производства типовые испытания должны быть повторно проведены, чтобы гарантировать безопасность и надежность оборудования. Для нормально выпускаемого оборудования обычно требуется проведение испытания на нагрев каждые 8 лет; механические операционные испытания проводятся для проверки рабочей производительности; также необходимы проверки безопасности, такие как испытания на кратковременную и пиковую выдерживаемую токовую нагрузку.
Например, средневольтные распределительные устройства ABB прошли экспериментальные проверки в нескольких странах в соответствии с самыми строгими стандартами, демонстрируя исключительную безопасность и надежность. Примером может служить внутренний тест на дугу, который проверяет:
4 Заключение
Как ключевой компонент системы электроснабжения, надежность работы средневольтных распределительных устройств напрямую влияет на безопасность сети. Поэтому необходимо укреплять безопасность и надежность проектирования оборудования, строго оптимизировать технические параметры в соответствии со стандартами, и создавать прочную оборону безопасности через систематические испытания, обеспечивая, чтобы средневольтные распределительные устройства стабильно выполняли функции распределения, защиты и управления в системе электроснабжения.
