Analiza sigurnosti i pouzdanosti srednje-naponskog sklopovnog uređaja
Kao stručnjak u oblasti operacija sistema električne energije, prepoznajem da srednje-naponsko (SN) sklopno opremo igra ključnu ulogu u distribuciji, merenju i zaštiti. Osiguranje njegove operativne bezbednosti i pouzdanosti je od suštinske važnosti – bilo kakav kvar može ozbiljno narušiti ceo sistem električne energije. Da bismo unapredili pouzdanost, moramo dati prioritet optimizacijama na nivou dizajna, omogućavajući SN sklopnoj opremi da ispunjava svoje funkcije i osigurava stabilnost mreže.
1. Definicija srednje-naponske sklopne opreme
U mojoj praksi, SN sklopna oprema se odnosi na metalički oklopljenu sklopnu opremu definisanu u GB 3906—2020 AC Metal-Clad Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV: oprema potpuno okružena metaličkim kućištem, izuzev vodilaca za unos/iznos.
U sistemima električne energije, SN sklopna oprema obavlja ključne funkcije: prekidačke, merenje, distribuciju struje i zaštitu tokom faza proizvodnje, prenosa i distribucije. Tijekom rada, prilagođavam njenu konfiguraciju prema potrebama mreže – povezujući ili odkidajući opremu/predvodioce kako bi se održala stabilnost. Kada dođe do grešaka u uređajima mreže ili linijama, koristim SN sklopnu opremu kako bih brzo izolirao defektan deo, osiguravajući neprekidnu snabdevanje strujom nepristrane područje.
2. Značaj osiguranja pouzdanosti srednje-naponske sklopne opreme
SN sklopna oprema se široko primjenjuje u sistemima električne energije. S proširenjem i porastom složenosti mreže u Kini, mreže sada nose teža opterećenja kako bi zadovoljile društvene potrebe. Na osnovu mog iskustva, samo osiguravanjem pouzdanosti SN sklopne opreme može efikasno upravljati distribucijom, merenjem i zaštitom, tako održavajući ukupnu stabilnost mreže.
Bilo kakav incident sigurnosti ili propad u funkcionisanju SN sklopne opreme destabilizira distributivni sistem, kompromitirajući snabdevanje strujom. U težim slučajevima, može dovesti do široko rasprostranjenih padova napona, što dovodi do značajnih ekonomskih gubitaka u društvenoj proizvodnji. Stoga naglašavam potrebu za unapređenjem pouzdanosti SN sklopne opreme putem višestrukih mera, osiguravajući stabilnu funkcionalnost i podršku mreži.
3. Strategije za unapređenje pouzdanosti srednje-naponske sklopne opreme
3.1 Racionalni dizajn kućišta
Naučni dizajn kućišta je fundamentalan za osiguranje pouzdanosti SN sklopne opreme, što imam prednost u inženjerskoj praksi. Na primjer:
Ove optimizacije dizajna u skladu su sa najboljim praksama industrije, osiguravajući da SN sklopna oprema zadovoljava zahteve za sigurnošću i performansama u stvarnom radu.
3.2 Racionalni dizajn izolacione strukture
Za unapređenje sigurnosti i pouzdanosti srednje-niske-naponske sklopne opreme, jačanje dizajna izolacije je neophodno. U praktičnom dizajnu, pored ispunjavanja zahteva za izolaciju, treba uzeti u obzir i faktore kao što su troškovi dizajna i zaštita životne sredine.
3.2.1 Racionalna selekcija izolacionih gasova
U srednje-naponskoj sklopnoj opremi, SF₆ gas bio je glavni sredstvo izolacije. Međutim, nije samo otrovan, već ima i izuzetno visoku GWP (Global Warming Potential). Iako CO₂ predstavlja staklenički gas s visokom GWP, SF₆ gas ima GWP 23.900 puta veći od CO₂, što ističe njegovu značajnu štetu na prirodnu sredinu. Za srednje-niske-naponsku sklopnu opremu sa nenamirnim zahtevima za prekid, dizajnerski možemo pokušati zamijeniti SF₆ gas sa N₂ ili suhom zrakom. U poređenju sa SF₆ gasom, izolaciona performansa N₂ i suhog zraka može dostići 30% izolacione performanse SF₆ gasa. Poređenje performansi između N₂, suhog zraka i SF₆ gasa prikazano je u Tabeli 1.
Kao što pokazuje Tabela 1, N₂ i suhi zrak nisu staklenički gasovi, niti predstavljaju prepreku za ekološku sredinu. Takođe imaju niske tačke vrećanja, eliminirajući zabrinutost o tekotinjanju tokom normalne upotrebe, čak i u izuzetno hladnim regionima. Važno je napomenuti da N₂, kao glavni sastojak zraka, ima stabilne hemijske osobine. Međutim, previše visoka koncentracija N₂ može dovesti do asfiksije zbog nedostatka kiseonika. Kada se dizajnira sa N₂ kao izolacionim gasom, moraju biti konfigurisani ventilacioni i zaštitni opremi. U suprotnom, korišćenje suhog zraka kao izolacionog gasa izbegava takve probleme. Kroz kompleksno poređenje, suhi zrak može biti usvojen za zamjenu SF₆ kao izolacionog gasa u dizajnu izolacije sklopne opreme.
Kada se koristi suhi zrak kao izolacioni gas, treba uzeti u obzir dizajn minimalne zračne razmak. Prema relevantnim standardima, za nominalni napon od 12 kV, minimalni zračni razmak između faza i od faze do zemlje treba da bude 125 mm. Ako je test kondenzacije prošao, minimalni zračni razmak može biti malo manji od 125 mm. Korišćenje suhog zraka kao izolacionog gasa dozvoljava odgovarajuće smanjenje minimalnog zračnog razmaka.
3.2.2 Unapređenje napona prekidne snage u gasnim razmacima
Tokom procesa dizajna, kako bi se osigurala sigurnost i pouzdanost srednje-niske-naponske sklopne opreme, treba i unaprediti napona prekidne snage u gasnim razmacima, sa specifičnim metodama kako sledi:
Unapređenje raspodele električnog polja u srednje-niske-naponskoj sklopnoj opremi. To se može postići optimizacijom oblika elektroda u skladu sa stvarnim uvjetima ili korišćenjem prostornih nabojki kako bi se poboljšala uniformnost električnog polja. Ako je uniformnost električnog polja izuzetno loša, dodavanje barikada je takođe opcija.
Supresija ionizacionog procesa suhog zraka. Primjena visokog pritiska u srednje-naponskoj sklopnoj opremi može oslabiti ionizacioni proces suhog zraka. Alternativno, korišćenje visokog vakuma u srednje-naponskoj sklopnoj opremi može postići isti efekat.
Kada se koristi visoki pritisak ili visoki vakum, zahtevano je da je čvrstoća rezervoara za gas izuzetno visoka, a u praktičnoj primeni lako se javljaju problemi sa curenjem, što dovodi do ozbiljnih posledica. Stoga, u stvarnom dizajnu, unapređenje oblika elektroda i dodavanje barikada u izuzetno neuniformnim električnim poljima predstavljaju više izvodljive metode za povećanje napona prekidne snage u gasnim razmacima.
3.3 Racionalna selekcija komponenti
Ključne komponente srednje-naponske sklopne opreme, uključujući vakuumski prekidače, vakuumski prekidni elementi i kontakti, direktno utiču na operativnu sigurnost i pouzdanost opreme, zahtevajući strogu kontrolu kvaliteta.
Na primjer, ABB sklopna oprema. Njeni vakuumski prekidni elementi podliježu rigoroznim pregledima pre isporuke: automatski testovi visokog naponskog verificiraju izolacijsku čvrstoću, dok spiralni magnetroni uređaji mere pritisak unutar komore ispune inertnim gasom. Nakon određenog perioda izolacije, vrši se drugi test pritiska, a rezultati se uspoređuju kako bi se osigurala usaglasnost performansi zatvaranja sa standardima.
U proizvodnji, ABB vakuumski prekidni elementi zahtevaju stroge kontrolu okruženja i procesa. Proizvedeni u CalorEmag's njemačkoj fabriki, profesionalno se montiraju u regionalnim srednje-naponskim sklopnim preduzećima pre centralizovanog snabdevanja. Komponente materijala prioritiziraju visokoperformantne legure poput Cu-Cr i W-C-Ag kako bi se osigurala dugotrajnost. Montaža se vrši u posebnim čistim sobama koristeći "jednokratni proces zatvaranja i iscrpljivanja": pod visokom temperaturom od 800°C, prvo se postiže visoki vakuum, zatim se istovremeno vrši savarenje i zatvaranje kako bi se osigurala pouzdanost procesa.
Razvoj vakuumskih prekidnih elemenata odražava kontinuirano optimiziranje performansi: ranije montaže izložene zraku oslanjale su se samo na izolacione particije za izolaciju. Kasnije poboljšanja uključivala su izolacione majice preko prekidnih elemenata i kontakata kako bi se balansiralo električno polje, zatim integralno lijevanje prekidnih elemenata i kontakata kako bi se unapredila izolacija među fazama i otpornost na udare, uz usvajanje ekološki prihvatljivih materijala kako bi se integrisale performanse s ekološkim consideracijama.
3.4 Racionalno planiranje testova validacije dizajna
Nakon završetka dizajna srednje-naponske sklopne opreme, eksperimentalna validacija postaje ključna faza. Stvarna validacija mora strogo da se pridržava relevantnih standarda, poput 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, i GB/T 1984—2014 High-Voltage AC Circuit Breakers.
Ključne tačke tipskih testova
Kompleksna verifikacija performansi treba da se izvrši za električne komponente i pomoćne elemente srednje-naponske sklopne opreme kako bi se osiguralo da tehnički parametri zadovoljavaju zahteve. Kada se promene procesi dizajna ili uslovi proizvodnje, tipski testovi moraju se ponovo izvršiti kako bi se osigurala sigurnost i pouzdanost opreme. Za redovito proizvedenu opremu, obično je potreban test temperature svake 8 godina; mehanički testovi izvršavaju se kako bi se provjerila operativna performansa; istovremeno, potrebni su i testovi za bezbednost, kao što su kratkotrajni prenosni tok i vrhunski prenosni tok.
Na primjer, ABB srednje-naponska sklopna oprema prošla je eksperimentalne validacije u mnogo zemalja pod najstrožim standardima do danas, demonstrirajući izuzetnu sigurnost i pouzdanost. Uzmimo interni arkusni test kao primer, koji verifikuje:
4 Zaključak
Kao ključni sastojak sistema električne energije, operativna pouzdanost srednje-naponske sklopne opreme direktno utiče na sigurnost mreže. Stoga je neophodno jačati sigurnost i pouzdanost dizajna opreme, strogo optimizirati tehničke parametre u skladu sa standardima i graditi čvrstu obrambenu liniju putem sistemskih validacionih testova, osiguravajući da srednje-naponska sklopna oprema stabilno obavlja funkcije distribucije, zaštite i kontrole u sistemu električne energije.
