Entwicklung zuverlässiger 24kV Luft- und Gasgefüllter Schaltanlagen

Derzeit betreiben die mittelspannungselektrischen Verteilnetze in China hauptsächlich eine Spannung von 10kV. Aufgrund der schnellen wirtschaftlichen Entwicklung sind die Stromlasten stark angestiegen und haben zunehmend die Grenzen der bestehenden Versorgungsmethoden aufgezeigt. Da 24kV-Hochspannungs-Schaltanlagen hervorragende Vorteile bei der Erfüllung höherer Lastkapazitätsanforderungen bieten, hat sie sich stillschweigend in der Branche durchgesetzt. Nach der Veröffentlichung des "Benachrichtigungen zur Förderung der Spannungsebene von 20kV" durch die Staatsnetzgesellschaft hat die Spannungsklasse von 20kV eine rasche Verbreitung erfahren.

Als ein wichtiges Produkt für diese Spannungsebene sind die Struktur und die Isolierdesigns von 24kV-Hochspannungs-Schaltanlagen zu Fokuspunkten in der Branche geworden. Gemäß dem Energiestandard "Allgemeine technische Anforderungen an Hochspannungsschaltgeräte und Steuergeräte" (DL/T 593-2006) sind spezifische Isolieranforderungen für Schaltanlagen klar definiert. Die Isolieranforderungen für 24kV-Produkte lauten wie folgt:

Mindestluftabstand (Phasen-zu-Phasen, Phasen-zu-Erde): 180mm; Wechselstrom-Festigkeitsspannung (Phasen-zu-Phasen, Phasen-zu-Erde): 50/65 kV/min, (über Isolationsstufen): 64/79 kV/min; Blitzimpuls-Festigkeitsspannung (Phasen-zu-Phasen, Phasen-zu-Erde): 95/125 kV/min, (über Isolationsstufen): 115/145 kV/min.

Hinweis: Die Daten links vom Schrägstrich gelten für Systeme mit festem Erdungsneutral, während die Daten rechts für Systeme mit neutral über einen Bögen unterdrückender Spule oder unerdet gelten.

24kV-Hochspannungs-Schaltanlagen können nach der Isolierungsmethode in luftisolierte metallumhüllte Schaltanlagen und gasisolierte SF6-Ringhauptverteiler unterteilt werden. Luftisolierte metallumhüllte Schaltanlagen für 24kV, insbesondere die mittig montierte ausziehbare Art (im Folgenden als 24kV mittig montierte Schaltanlage bezeichnet), sind zu einem wichtigen Designfokus geworden. Dieser Artikel diskutiert mehrere Empfehlungen bezüglich der Struktur und Isolierung des Designs von 24kV mittig montierten Schaltanlagen und gasisolierten SF6-Ringhauptverteilern, die zur Referenz und Kommentierung angeboten werden.

1. Design von 24kV mittig montierten Schaltanlagen

Die Technologie für 24kV mittig montierte Schaltanlagen stammt hauptsächlich aus drei Quellen: Erstens, eine Aktualisierung des 12kV KYN28-12-Produkts durch direktes Austauschen von Komponenten, die mit der Isolation zusammenhängen. Zweitens, ausländische mittig montierte Produkte, die den chinesischen Markt betreten, wie z.B. von ABB und Eaton Senyuan. Drittens, selbst entwickelte 24kV mittig montierte Schaltanlagen in China. Die dritte Kategorie, die speziell für die bestehenden technischen Bedingungen und Anforderungen in China entwickelt wurde, ist am wettbewerbsfähigsten auf dem Markt. Daher müssen bei deren Design die Gesamtproduktstruktur und das Isolierdesign vollständig berücksichtigt werden, wie im Folgenden detailliert beschrieben:

1.1 Gleichhöhen-Kabinettsstruktur und dreieckige Busbar-Anordnung

Die meisten 12kV mittig montierten Schaltanlagen verwenden eine Struktur, die vorn höher und hinten niedriger ist, mit den drei Phasenbusleitern in einer dreieckigen (Dreiecks-)Konfiguration und dem Instrumentenfach als entnehmbare, unabhängige Struktur. Wenn diese Methode für 24kV mittig montierte Schaltanlagen verwendet wird, kann sie offensichtlich nicht die Mindestluftabstandsanforderung von 180mm erfüllen. Daher sollten 24kV mittig montierte Schaltanlagen ein gleichhöhen-Kabinettdesign verwenden, bei dem das Instrumentenfach in das Hauptkabinett integriert ist.

Die Kabinetthöhe sollte angemessen auf 2400mm erhöht werden, um mehr Platz für die Busbar- und Schalterfächer bereitzustellen. Die Busbar-Wanddurchführungen sollten in einer dreieckigen Konfiguration angeordnet sein. Dieser Ansatz erfüllt nicht nur die Luftabstandsanforderungen, sondern unterdrückt und widersteht auch effektiv elektromagnetischen Kräften, verbessert die Wärmeableitung der Busleiter und erhöht die Isolierzuverlässigkeit.

1.2 Rationaler Entwurf der Schaltanlagenbreite

Aus Sicht der Isolierzuverlässigkeit ist Luftisolierung die zuverlässigste Methode; solange der minimale Isolierabstand garantiert ist, kann die Isolierung vollständig sichergestellt werden. Bei Berücksichtigung eines vollständig luftisolierten Designs sollte die theoretische Breite einer 24kV-Schaltanlage 1020mm betragen. In der Praxis jedoch wählen die meisten Hersteller eine Kabinettsbreite von 1000mm, was die Verwendung von kombinierter Isolierung erfordert. In der Regel werden die Busleiter mit hitzeschrumpfbarem Rohr versehen und SMC (Sheet Molding Compound)-Isolierschranken zwischen den Phasen und zwischen Phase und Erde installiert, um die Isolierung zu verbessern.

1.3 Design für eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung

Tests beweisen, dass je höher die Spannungsebene, desto höher die lokale elektrische Feldstärke während der Wechselstrom-Festigkeitsspannungsprüfungen, manchmal begleitet von bemerkbaren Koronaverlustgeräuschen. Laut Vorschriften gilt der Test als bestanden, solange keine störende Entladung auftritt. Allerdings kann eine hohe lokale elektrische Feldstärke die Fähigkeit des Produkts beeinträchtigen, Überspannungen während des normalen Betriebs zu widerstehen. 

Daher sollte das Produktentwurf darauf abzielen, eine so gleichmäßige elektrische Feldverteilung wie möglich zu erreichen und lokale Feldkonzentrationen zu vermeiden. Aus praktischer Erfahrung zeigt sich, dass die Formgebung von Leitern zur Erzielung eines gleichmäßigen Feldes effektiv ist. Für die Schnittenden von Busleitern sollte ein Formfräser verwendet werden, um die Enden zu abgerundeten Ecken zu fräsen. Für die Busleiterenden im Kontaktgehäuse sollten sie zunächst in halbkreisförmige Form gebracht und dann zu abgerundeten Ecken gefräst werden. Wo es möglich ist, sollte außen am Pflaumenblütenkontakt des Schalters eine Metallschirmhaube installiert oder während des Gießens des Kontaktgehäuses ein Metallschirmdraht eingebettet werden. Diese Maßnahmen können die elektrische Feldverteilung effektiv gleichmäßig gestalten, Feldspitzen unterdrücken und die Isolierstufe weiter verbessern.

1.4 Verwendung von Isoliermaterialien mit langer Kriechstrecke

Isoliermaterialien wie Wanddurchführungen, Kontaktgehäuse und Trägerisolatoren müssen vergrößerte Schutzschirme und ausreichende Kriechstrecken aufweisen, um den Isolieranforderungen von 24kV gerecht zu werden. Insbesondere beim Design von Kontaktgehäusen muss ein Metallschirmdraht hinzugefügt werden, und das Innengehäuse sollte eine Zungenstruktur verwenden, um die Probleme ringförmiger Strukturen zu vermeiden, die nicht effektiv kondensieren und die sich daraus ergebende Verschmutzung während des Betriebs unterdrücken können.

2. Design von 24kV gasisolierten SF6-Ringhauptverteilern

Ausländische 24kV gasisolierte SF6-Ringhauptverteiler begannen früh; Unternehmen wie Siemens und ABB führten sie in den frühen 1980er Jahren ein. Das liegt daran, dass viele ausländische Länder 24kV als primäre Mittelspannungs-Verteilspannung verwenden. Ihre Produkte sind technologisch fortschrittlich, leistungsfähig und hoch zuverlässig. Inländische 24kV gasisolierte SF6-Ringhauptverteiler haben sich erst in den letzten Jahren entwickelt. Aufgrund verschiedener Einschränkungen befinden sich die Produkte noch in der Forschungs-, Entwicklungs- und Testphase.

Aufgrund der Fortschrittlichkeit der 24kV gasisolierten SF6-Ringhauptverteiler-Technologie müssen ihre Struktur und Isolierdesign auf reifen ausländischen Erfahrungen basieren. Im Folgenden einige Empfehlungen zum Produktstruktur- und Isolierdesign:

2.1 Fokus auf strukturelle Rationalität

Da alle lebenden Teile und Schalter in 24kV gasisolierten SF6-Ringhauptverteilern in einer Edelstahlkapsel versiegelt sind, die mit SF6-Gas gefüllt ist, sind sie kompakt. Beim strukturellen Design müssen die Isolierstärke und die Feuchtigkeit des Isoliergases vollständig berücksichtigt werden, um die Abmessungen des Gehäuses rational zu gestalten. Das Gerät sollte vollständige Funktionalität haben, einfach zu bedienen sein und eine einfache Struktur aufweisen.

2.2 Erweiterbarkeit der Konfigurationen

Das Konfigurationsdesign muss erweiterbar sein. Zu einem gewissen Grad hängt die Qualität eines Produkts und sein Potenzial für eine weite Verbreitung von seiner konfigurierbaren Flexibilität ab. Ein standardisiertes, modulares Design ermöglicht eine flexible Erweiterung nach links und rechts.

2.3 Zuverlässigkeit des Isolierdesigns

Das primäre Risiko für 24kV gasisolierte SF6-Ringhauptverteiler ist die Verschlechterung der Isolierleistung. Faktoren, die zur Isolierverschlechterung führen, sind: SF6-Gasleckage; polymeric Isolier- oder Abdichtmaterialien, die eine bestimmte Permeabilität für verschiedene Gase (wie Wasserdampf) aufweisen, was zu unannehmbaren Kondensationen an den Innenwänden des Behälters führt; Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts im SF6-Gas; und Risse in Isolierkomponenten.

Um die Isolierverschlechterung zu verhindern, müssen entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, wie z.B.: Herstellung des Gasbehälters aus rostfreiem Stahl mit vollständigem Schweissverfahren, ohne versiegelte Öffnungen; Herstellung von Kabelanschlussdurchführungen aus Epoxidharz und integraler Schweissung an den Behälter; Verbesserung der Abdichtung des Gasbehälters, um die Wasserdampfpermeation zu minimieren; regelmäßige Messung des Feuchtigkeitsgehalts mit einem SF6-Feuchtigkeitstester, Platzierung einer geeigneten Menge Trockner in der versiegelten Kapsel und strikte Befeuchtung aller Komponenten gemäß vorgegebenen Temperatur und Zeit; Reinigung der Beladungsleitungen mit hochreinem N2- oder SF6-Gas beim Evakuieren und Beladen der SF6-Schaltanlagen; und Minimierung des inneren mechanischen Drucks in Isolierkomponenten, um Alterung und Risse zu vermeiden. Diese Maßnahmen werden die Isolierzuverlässigkeit effektiv verbessern.

3. Schlussfolgerung

Obwohl die Struktur und das Isolierdesign von 24kV-Hochspannungs-Schaltanlagen auf 12kV-Schaltanlagen basieren, sind die Anforderungen viel höher. Darüber hinaus, aufgrund mangelnder praktischer Betriebserfahrung, müssen während des Designprozesses alle einflussreichen Faktoren vollständig berücksichtigt werden, um den Produktstandards gerecht zu werden.