Analys av säkerhets- och tillförlitlighetsgarantier för mellanspänningsutrustning
Som en professionell inom drift av elkraftsystem inser jag att mellanspänningsutrustning (MV) spelar en avgörande roll i elfördelning, mätning och skydd. Att säkerställa dess driftsäkerhet och tillförlitlighet är kritiskt—någon funktionsstörning kan allvarligt störa hela elsystemet. För att förbättra tillförlitligheten måste vi prioritera optimeringar på designnivå, vilket möjliggör att MV-utrustningen kan fullgöra sina funktioner och garantera nätets stabilitить.
1. Definition av mellanspänningsutrustning
I min praktik refererar MV-utrustning till metallklädda utrustningar som definieras i GB 3906—2020 Växelspänningsmetallklädda utrustningar och kontrollutrustningar för spänningar från 3,6 kV till 40,5 kV: utrustning helt omgiven av metallhölje förutom ingående/utgående ledare.
I elkraftsystem utför MV-utrustning viktiga funktioner: växling, mätning, elfördelning och skydd över generations-, transmissions- och fördelningsstadierna. Under drift justerar jag dess konfiguration baserat på nätets behov—ankopplar eller kopplar bort utrustning/försörjningslinjer för att bibehålla stabilitить. När fel uppstår i nätutrustning eller linjer använder jag MV-utrustning för att snabbt isolera den defekta delen, vilket säkerställer oavbruten elförsörjning till de områden som inte påverkas.
2. Betydelsen av att säkerställa MV-utrustningens tillförlitlighet
MV-utrustning används brett i elkraftsystem. Med Kinas nätexpansion och ökade komplexitet bär nu nät tyngre belastningar för att möta samhällets behov. Enligt min erfarenhet kan endast genom att säkerställa MV-utrustningens tillförlitlighet effektivt hantera elfördelning, mätning och skydd, vilket upprätthåller det totala nätets stabilitить.
Något säkerhetsincident eller driftfel i MV-utrustning kommer att destabilisera fördelningsystemet, vilket skadar elförsörjningen. I allvarliga fall kan det leda till omfattande strömavbrott, vilket resulterar i betydande ekonomiska förluster för samhällsproduktion. Därför betonar jag behovet av att förbättra MV-utrustningens tillförlitlighet genom flerfasetterade åtgärder, vilket säkerställer stabil funktionalitet och nätstöd.
3. Strategier för att förbättra MV-utrustningens tillförlitlighet
3.1 Rationell design av omhöljesstruktur
Vetenskaplig omhöljesdesign är grundläggande för att säkerställa MV-utrustningens tillförlitlighet, vilket jag prioriterar i ingenjörsvardag. Till exempel:
Dessa designoptimeringar är i linje med branschens bästa praxis, vilket säkerställer att MV-utrustning uppfyller säkerhets- och prestandakrav under verkliga driftsoperationer.
3.2 Rationell design av isoleringsstruktur
För att förbättra säkerheten och tillförlitligheten hos mellanspänningsutrustning, är det viktigt att stärka isoleringsdesign. I praktisk design bör faktorer som designkostnad och miljöskydd också beaktas, utöver att uppfylla isoleringskrav.
3.2.1 Rationell val av isolergaser
I mellanspänningsutrustning har SF₆-gas varit huvudsakligt isoleringsmedium. Men den är inte bara giftig utan har också extremt högt GWP (Global Warming Potential). Även om CO₂ är ett växthusgas med högt GWP, har SF₆-gas en GWP 23 900 gånger större än CO₂, vilket visar dess betydande skada på naturlig miljö. För mellanspänningsutrustning med icke-kritiska avbrottsprestandakrav, kan vi försöka ersätta SF₆-gas med N₂ eller torr luft. Jämfört med SF₆-gas, kan N₂ och torr lufts isoleringsprestanda nå 30% av SF₆-gas. Prestandajämförelserna mellan N₂, torr luft och SF₆-gas visas i tabell 1.
Enligt tabell 1, är N₂ och torr luft icke-växthusgaser, som inte hotar ekologisk miljö. De har också låga kokpunkter, vilket undanröjer bekymmer om flyttningsprocess under normal användning, även i extremt kalla regioner. Noterbart, N₂, som huvudkomponent i luft, har stabila kemiska egenskaper. Men, alltför hög N₂-konsentration kan orsaka kvävningsrisker p.g.a. syrebrist. Vid design med N₂ som isoleringsgas, måste ventilering och skyddsutrustning konfigureras. Istället, användning av torr luft som isoleringsgas undviker sådana problem. Genom omfattande jämförelse, kan torr luft antas ersätta SF₆ som isoleringsgas i utrustningsisoleringdesign.
När torr luft används som isoleringsgas, ska minimala luftgap designas. Enligt relevanta standarder, för en nominell spänning på 12 kV, ska det minimala luftgapet mellan faserna och från fas till mark vara 125 mm. Om kondensationsprov passerats, kan det minimala luftgapet vara något mindre än 125 mm. Användning av torr luft som isoleringsgas tillåter lämplig minskning av det minimala luftgapet.
3.2.2 Förbättring av nedbrytningspotential i gasgap
Under designprocessen, för att säkerställa säkerhet och tillförlitlighet hos mellanspänningsutrustning, bör nedbrytningspotentialen i gasgap också förbättras, med specifika metoder som följer:
Förbättring av elektriska fältdistribution i mellanspänningsutrustning. Detta kan uppnås genom att optimera elektrodformerna baserat på faktiska förhållanden eller genom att fullt utnyttja rumscharge för att förbättra elektriska fälts jämnviktsgrad. Om elektriska fälts jämnviktsgrad är extremt dålig, är det också ett alternativ att lägga till barriärer.
Begränsning av jonisationsprocessen i torr luft. Användning av högtryck i mellanspänningsutrustning kan svaga jonisationsprocessen i torr luft. Alternativt, användning av högvacuum i mellanspänningsutrustning kan uppnå samma effekt.
När högtryck eller högvacuum används, krävs det extremt hög gasbehållares styrka, och läckageproblem är lätt att uppstå i praktiska tillämpningar, vilket leder till allvarliga konsekvenser. Därför, i faktisk design, är det mer genomförbara metoder att förbättra elektrodform och lägga till barriärer i extremt ojämna elektriska fält för att öka nedbrytningspotentialen i gasgap.
3.3 Rationell val av komponenter
Kärnkomponenterna i mellanspänningsutrustning, inklusive vakuumkretsavbrottare, vakuumavbrottare och kontakter, direkt påverkar utrustningens driftsäkerhet och tillförlitlighet, vilket kräver strikt kvalitetskontroll.
Ta ABB-utrustning som exempel. Dess vakuumavbrottare genomgår rigorösa försändelseinspektioner: automatiska högspänningstester verifierar isoleringsstyrkan, medan spiral-magnetron-enheter mäter internt tryck i en kammare fylld med inert gas. Efter en angiven isoleringsperiod genomförs ett andra trycktest, och resultaten jämförs för att säkerställa att tätningsprestanda uppfyller standarder.
I tillverkning, kräver ABB-vakuumavbrottare strikt miljö- och processkontroll. De produceras i CalorEmags tyska fabrik, assembleras professionellt av regionala mellanspänningsutrustningsföretag innan central leverans. Högpresterande legor som Cu-Cr och W-C-Ag prioriteras för komponentmaterial för att säkerställa hållbarhet.Montering sker i dedikerade renceller med en "en-gång stängning och tömning" process: vid 800°C hög temperatur, uppnås först högvacuum, följt av samtidig svetsning och stängning för att garantera processreliabilitet.
R&D-utvecklingen av vakuumavbrottare reflekterar kontinuerlig prestandaoptimering: tidiga monteringsenheter exponerade till luft litar endast på isolerande partitioner för isolering. Senare förbättringar inkluderade isolerande sleever över avbrottare och kontakter för att balansera elektriska fält, följt av integrerad gjutning av avbrottare och kontakter för att förbättra fas-till-fas isolering och slagstyrka, medan miljövänliga material antogs för att integrera prestanda med miljööverväganden.
3.4 Rationell planering av designvalideringstester
Efter att designen av mellanspänningsutrustning är slutförd, blir experimentell validering en kritisk fas. Den faktiska valideringen måste strikt följa relevanta standarder, såsom GB 3906—2020 Växelspänningsmetallklädda utrustningar och kontrollutrustningar för spänningar från 3,6 kV till 40,5 kV, GB/T 11022—2020 Gemensamma tekniska krav för högspänningsväxelspänningsutrustningar och kontrollutrustningar, och GB/T 1984—2014 Högspänningsväxelspänningsbrytare.
Nyckelpunkter för typtester
Kompletta prestandaverifieringar ska genomföras för elektriska komponenter och hjälpmedel i mellanspänningsutrustning för att säkerställa att tekniska parametrar uppfyller kraven. När designprocesser eller produktionsvillkor ändras, måste typtester genomföras igen för att garantera utrustningens säkerhet och tillförlitlighet. För normalt producerad utrustning, krävs vanligtvis en temperaturhöjningstest var 8:e år; mekaniska driftstester utförs för att inspektera driftsprestanda; samtidigt, säkerhetsverifieringsobjekt som korttidsuthållighet och topputhållighetstester är också nödvändiga.
Med ABB-mellanspänningsutrustning som exempel, har den passerat experimentella valideringar i flera länder under de strängaste standarderna hittills, vilket visar exceptionell säkerhet och tillförlitlighet. Ta interna bågeprov som exempel, vilket verifierar:
4 Slutsats
Som en kärnkomponent i elkraftsystem, påverkar mellanspänningsutrustningens driftsäkerhet direkt nätets säkerhet. Därför är det nödvändigt att stärka säkerhets- och tillförlitlighetsdesignen av utrustningen, strikt optimera tekniska parametrar i enlighet med standarder, och bygga en solid säkerhetsförsvar genom systematiska valideringstester, vilket säkerställer att mellanspänningsutrustning stabil utför fördelning, skydd och kontrollfunktioner i elkraftsystem.
