Analiza varnosti in zanesljivosti srednjeponskega preklopnika
Kot strokovnjak za operacije s sistemom energije, priznajem, da imajo srednje-voltni (MV) preklopniki ključno vlogo pri distribuciji, merjenju in zaščiti električne energije. Zanesljivost in varnost njihovega delovanja je ključna - kakršen koli nezgodni dogodek lahko hudo moti celoten sistem. Za izboljšanje zanesljivosti moramo poskrbeti za optimizacijo na ravni zasnove, da bo MV oprema lahko opravila svoje funkcije in zagotovila stabilnost omrežja.
1. Definicija srednje-voltnega preklopnika
V moji praksi se srednje-voltni preklopniki nanašajo na metalne preklopne skrinje, kot so definirane v standardu GB 3906–2020 AC Metal-Clad Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV: oprema, ki je popolnoma zaključena z metalnimi ohišji, razen za vhodne/izhodne vodilce.
V sistemih energije srednje-voltni preklopniki opravljajo ključne funkcije: preklop, merjenje, distribucija energije in zaščita v fazah proizvodnje, prenosa in distribucije. Med delovanjem prilagajam njihovo konfiguracijo glede na zahteve omrežja - povezujem ali odvežujem opremo/vodilce, da ohranim stabilnost. Ko se pojavijo napake v napravah ali vodnicah omrežja, uporabim srednje-voltni preklopniki, da hitro izločim defektni del, kar zagotavlja neprekinjeno oskrbo z energijo nevpljanih območij.
2. Pomen zagotavljanja zanesljivosti srednje-voltnih preklopnikov
Srednje-voltni preklopniki so široko uporabljeni v sistemih energije. S širjenjem in naraščajočo kompleksnostjo kitajskega omrežja, ta zdaj nosijo težjše breme, da bi zadovoljili družbene potrebe. Iz mojih izkušenj sledi, da je le z zagotavljanjem zanesljivosti srednje-voltnih preklopnikov mogoče učinkovito upravljati z distribucijo, merjenjem in zaščito, tako da se ohranja splošna stabilnost omrežja.
Kakršen koli varnostni incident ali nezgodni dogodek v srednje-voltnih preklopnikih bo destabiliziral sistem distribucije, kar bo ogrozilo oskrbo z energijo. V težjših primerih lahko pride do širših odrezov, kar bo povzročilo velike gospodarske izgube za družbeno proizvodnjo. Zaradi tega poudarjam potrebo po izboljšanju zanesljivosti srednje-voltnih preklopnikov z večstranskimi ukrepi, da se zagotovi stabilna funkcionalnost in podpora omrežju.
3. Strategije za izboljšanje zanesljivosti srednje-voltnih preklopnikov
3.1 Razumen zasnovski postopek strukture ohišja
Znanstvena zasnovitev ohišja je temelj za zagotavljanje zanesljivosti srednje-voltnih preklopnikov, kar je ena od mojih prednostnih nalog v inženirskem delu. Na primer:
Te zasnovske optimizacije so v skladu z najboljšimi praksami industrije, s tem pa zagotavljajo, da srednje-voltni preklopniki ustrezajo zahtevam za varnost in zmogljivost v realnem delovanju.
3.2 Razumen zasnovski postopek izolacijske strukture
Za izboljšanje varnosti in zanesljivosti srednje-nizekvoltne opreme je ključno okrepiti zasnovitev izolacije. V praktični zasnovi je treba ob upoštevanju zahtev za izolacijo upoštevati tudi faktorji, kot so stroški zasnovitve in varstvo okolja.
3.2.1 Razumen izbor izolirnih plinov
V srednje-voltnih preklopnikih je SF₆ plin bil glavni izolirni medij. Vendar je ne samo toksičen, ampak ima tudi zelo visoko GWP (Global Warming Potential). Čeprav je CO₂ tudi toplogredni plin z visokim GWP, je GWP SF₆ plina 23.900-krat višji kot pri CO₂, kar poudarja njegov velik škodljiv vpliv na naravno okolje. Za srednje-nizekvoltne preklopnike z manj kritičnimi zahtevami glede prekinitvenih lastnosti lahko zasnovno poskusimo zamenjati SF₆ plin z N₂ ali suhim zrakom. V primerjavi s SF₆ plinom lahko izolacijska zmogljivost N₂ in suhega zraka doseže 30 % zmogljivosti SF₆ plina. Primerjava zmogljivosti med N₂, suhim zrakom in SF₆ plinom je prikazana v Tabeli 1.
Kot kaže Tabela 1, N₂ in suhi zrak nista toplogrednih plinov, zato ne predstavljata grožnje ekološkemu okolju. Imata tudi nizke temperature varljanja, zato ni skrbi glede likvidacije med normalnim uporabo, tudi v zelo hladnih regijah. Opomba, N₂, kot glavni sestavine zraka, ima stabilne kemijske lastnosti. Vendar lahko previsoka koncentracija N₂ povzroči udusenje zaradi pomanjkanja kisika. Pri zasnovi z N₂ kot izolirnim plinom je treba konfigurirati ventilacijo in zaščitno opremo. V nasprotju s tem, uporaba suhega zraka kot izolirnega plina izogiba takšnim problemom. Skozi celovito primerjavo lahko suhi zrak uporabimo namesto SF₆ za izolacijo v zasnovi preklopnikov.
Pri uporabi suhega zraka kot izolirnega plina je treba upoštevati zasnovitev minimalne zračne vrzeli. Po relevantnih standardih za nominalno napetost 12 kV mora biti minimalna zračna vrzel med fazami in od faze do zemlje 125 mm. Če je preizkus kondenzacije uspešen, lahko minimalna zračna vrzel zapletno manjša od 125 mm. Uporaba suhega zraka kot izolirnega plina omogoča ustrezno zmanjšanje minimalne zračne vrzeli.
3.2.2 Izboljšanje prekinitvene napetosti v plinskih vrzelih
Med zasnovnim procesom, da zagotovimo varnost in zanesljivost srednje-nizekvoltne opreme, je tudi potrebno izboljšati prekinitveno napetost v plinskih vrzelih, s posebnimi metodami, kot sledi:
Izboljšanje porazdelitve električnega polja v srednje-nizekvoltne preklopniki. To je mogoče doseči z optimizacijo oblik elektrod glede na dejanske pogoje ali s polno uporabo prostorskih nabojov, da izboljšate enakomernost električnega polja. Če je enakomernost električnega polja zelo slaba, je možnost tudi dodajanje preprek.
Utljevanje ionizacijskega procesa suhega zraka. Uporaba visokega tlaka v srednje-voltnih preklopnikih lahko utlji ionizacijski proces suhega zraka. Alternativno, uporaba visokega vakuma v srednje-voltnih preklopnikih lahko doseže enak učinek.
Pri uporabi visokega tlaka ali visokega vakuma je potrebno, da je jakost plinske rezervečnice izjemno visoka, pri čemer so v praksi pogosti probleme z iztekanjem, kar ima resne posledice. Zato je v praksi bolj izvedljive metode izboljšanje oblike elektrod in dodajanje preprek v zelo neenakomernih električnih poljih, da se poveča prekinitvena napetost v plinskih vrzelih.
3.3 Razumen izbor komponent
Osnovne komponente srednje-voltnih preklopnikov, vključno z vakuumskimi preklopniki, vakuumskimi prekinitvami in kontakti, neposredno vplivajo na varnost in zanesljivost delovanja opreme, zato je potrebno strogo nadzorovati kakovost.
Vzemimo ABB preklopnike kot primer. Njihove vakuumskie prekintve prehajajo skozi strog preizkus pred dostavo: avtomatski testi visoke napetosti preverjajo izolacijsko trdoto, medtem ko spiralski magnetronski napravi meritve notranjega tlaka v komori, napolnjeni s pasivnim plinom. Po določenem obdobju izolacije je izveden drugi test tlaka, rezultati pa se primerjajo, da zagotovijo, da je zavarovalna zmogljivost v skladu s standardi.
V proizvodnji zahtevajo vakuumskie prekintve ABB strog nadzor okolja in procesov. Proizvedeni v nemški tovarni CalorEmag, so profesionalno montirani v regionalnih podjetjih za srednje-voltno opremo pred centralno dobavo. Za material komponent se prednostno uporabljajo visokoperformantni legiraji, kot so Cu-Cr in W-C-Ag, da zagotovijo dolgotrajnost.Montaza se izvaja v posvečenih čistih sobah z "enkratno zaprtjem in izčrpavanjem": pri temperaturi 800°C najprej dosežemo visoko vakuum, nato pa hkrati varljamo in zapiramo, da zagotovimo zanesljivost procesa.
Razvoj raziskav vakuumskih prekintev odraža stalno optimizacijo zmogljivosti: ranljive sklopke, izpostavljene zraku, so poleg izolacijskih presledkov uporabljali samo za izolacijo. Nadaljnje izboljšave vključevali so izolacijske rokave nad prekintvi in kontakti za uravnoteženje električnega polja, nato pa celovito litje prekintev in kontaktov za izboljšanje izolacije med fazami in odpornost proti udarcem, hkrati pa uporabljajo ekološko prijazne materialne, da združijo zmogljivost z okoljskimi razmerami.
3.4 Razumen načrt za preizkuse zasnovne validacije
Po dokončanju zasnovnega procesa srednje-voltnih preklopnikov postane eksperimentalna validacija ključna faza. Prava validacija mora strogo slediti relevantnim standardom, kot so 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 in GB/T 1984–2014 High-Voltage AC Circuit Breakers.
Ključni točki tipizacije preizkusa
Kompleksno preverjanje zmogljivosti je potrebno izvesti za električne komponente in pomožne elemente srednje-voltnih preklopnikov, da zagotovimo, da tehnični parametri ustrezajo zahtevam. Ko se zasnovni postopki ali proizvodni pogoji spremenijo, je potrebno ponovno izvesti tipizacijo preizkusa, da zagotovimo varnost in zanesljivost opreme. Za normalno proizvedeno opremo je običajno zahtevan preizkus povečanja temperature vsako 8 let; mehanski operacijski preizkusi se izvajajo, da preverijo operacijsko zmogljivost; hkrati so tudi potrebni preizkusi varnosti, kot so kratkotrajni prenosni tok in vrhunski prenosni tok.
Vzemimo ABB srednje-voltni preklopniki kot primer, ki so prešli preizkuse v več državah pod najstrožjimi standardi do danes, kar pokazuje izjemno varnost in zanesljivost. Vzemimo preizkus notranjega luknjanja kot primer, ki preverja:
4 Zaključek
Kot ključna komponenta sistema energije ima operativna zanesljivost srednje-voltnih preklopnikov neposreden vpliv na varnost omrežja. Zato je ključno okrepiti zasnovitev varnosti in zanesljivosti opreme, strogo optimizirati tehnične parametre v skladu s standardi in graditi trdno varnostno branilo skozi sistematične preizkuse, da se zagotovi, da srednje-voltni preklopniki stabilno opravljajo funkcije distribucije, zaščite in nadzora v sistemu energije.
