Progettazione di apparecchiature affidabili a 24kV isolate ad aria e gas
Attualmente, le reti di distribuzione a media tensione in Cina operano principalmente a 10kV. Con lo sviluppo economico rapido, i carichi elettrici sono aumentati, esponendo sempre di più le limitazioni dei metodi di fornitura di energia esistenti. A causa dei notevoli vantaggi degli apparati di commutazione ad alta tensione a 24kV nel soddisfare le richieste di capacità di carico superiore, hanno guadagnato silenziosamente terreno all'interno dell'industria. Seguendo la "Notifica sulla Promozione del Livello di Tensione a 20kV" della State Grid Corporation, la classe di tensione a 20kV ha visto un aumento rapido nell'adozione.
Come prodotto chiave per questo livello di tensione, la struttura e il design isolante degli apparati di commutazione ad alta tensione a 24kV sono diventati punti focali nell'industria. Secondo lo standard dell'industria elettrica "Requisiti Tecnici Comuni per Apparati di Commutazione e Controlli Elettrici ad Alta Tensione" (DL/T 593-2006), sono chiaramente definiti specifici requisiti isolanti per gli apparati di commutazione. I requisiti isolanti per i prodotti a 24kV sono i seguenti:
Distanza minima d'aria (tra fasi, tra fase e terra): 180mm; Tensione di resistenza a frequenza industriale (tra fasi, tra fase e terra): 50/65 kV/min, (tra giunti isolati): 64/79 kV/min; Tensione di resistenza impulso atmosferico (tra fasi, tra fase e terra): 95/125 kV/min, (tra giunti isolati): 115/145 kV/min.
Nota: I dati a sinistra dello slash si applicano ai sistemi con neutro solidamente collegato, mentre i dati a destra si applicano ai sistemi con neutro collegato attraverso una bobina di soppressione dell'arco o non collegato.
Gli apparati di commutazione ad alta tensione a 24kV possono essere categorizzati in base al metodo di isolamento in apparecchiature metalliche chiuse isolate ad aria e unità principali a anello isolate a gas SF6. Gli apparecchiature metalliche chiuse isolate ad aria per 24kV, in particolare del tipo estrattibile centrale (qui di seguito denominato apparati di commutazione a 24kV centrale), sono diventati un focus di progettazione chiave. Questo articolo discute diverse raccomandazioni riguardanti la struttura e il design isolante degli apparati di commutazione a 24kV centrale e delle unità principali a anello isolate a gas SF6, offerte per riferimento e commento.
1. Progettazione degli Apparati di Commutazione a 24kV Centrale
La tecnologia per gli apparati di commutazione a 24kV centrale proviene principalmente da tre fonti: Primo, un aggiornamento del prodotto KYN28-12 a 12kV sostituendo direttamente i componenti legati all'isolamento. Secondo, prodotti centrali esteri entrati nel mercato interno, come quelli di ABB ed Eaton Senyuan. Terzo, apparecchiature a 24kV centrale sviluppate indipendentemente in Cina. La terza categoria, progettata specificamente per le condizioni tecniche e le esigenze esistenti in Cina, è la più competitiva sul mercato. Pertanto, durante la sua progettazione, deve essere pienamente considerata la struttura complessiva del prodotto e il design isolante, come dettagliato di seguito:
1.1 Struttura Armadio a Uguale Altezza e Disposizione Triangolare dei Busbar
La maggior parte degli apparati di commutazione a 12kV centrale utilizza una struttura più alta davanti e più bassa dietro, con i busbar trifase disposti in configurazione triangolare (delta) e il compartimento strumenti come struttura rimovibile e indipendente. Se questo metodo viene utilizzato per gli apparati di commutazione a 24kV centrale, chiaramente non può soddisfare il requisito minimo di distanza d'aria di 180mm. Pertanto, gli apparati di commutazione a 24kV centrale dovrebbero adottare un design armadio a uguale altezza, con il compartimento strumenti integrato nel gabinetto principale.
L'altezza dell'armadio dovrebbe essere adeguatamente aumentata a 2400mm, fornendo più spazio per i compartimenti busbar e interruttori. Le guaine dei busbar dovrebbero essere disposte in configurazione triangolare. Questo approccio non solo soddisfa i requisiti di distanza d'aria, ma anche sopprime e resiste efficacemente alle forze elettromagnetiche, migliora la dissipazione del calore dei busbar e aumenta l'affidabilità dell'isolamento.
1.2 Progettazione Razionale della Larghezza degli Apparati di Commutazione
Dal punto di vista dell'affidabilità dell'isolamento, l'isolamento ad aria è il metodo più affidabile; fintanto che è garantita la distanza minima di isolamento, l'isolamento può essere pienamente assicurato. Considerando un design completamente isolato ad aria, la larghezza teorica di un apparato di commutazione a 24kV dovrebbe essere 1020mm. Tuttavia, nella produzione reale, la maggior parte dei produttori sceglie una larghezza di gabinetto di 1000mm, il che richiede l'uso di isolamento composito. Generalmente, si applica tubatura retrattile sui busbar e si installano barriere isolate SMC (Sheet Molding Compound) tra fasi e tra fase e terra per migliorare l'isolamento.
1.3 Progettazione per Distribuzione Uniforme del Campo Elettrico
I test dimostrano che, quanto maggiore è il livello di tensione, tanto maggiore è la forza elettrica locale durante i test di resistenza alla tensione a frequenza industriale, talvolta accompagnata da suoni di scariche corona. Secondo le normative, fintanto che non si verifica alcuna scarica disturbante, il test è considerato superato. Tuttavia, una forza elettrica locale elevata può influire sulla capacità del prodotto di resistere alle sovratensioni durante l'operazione normale.
Pertanto, il design del prodotto dovrebbe priorizzare l'ottenimento di una distribuzione del campo elettrico il più possibile uniforme, evitando la concentrazione locale del campo. Dall'esperienza pratica, la modellazione dei conduttori per ottenere un campo uniforme è efficace. Per le estremità tagliate dei busbar, utilizzare una fresatrice formante per modellare le estremità a forma arrotondata. Per le estremità dei busbar all'interno della scatola di contatto, prima formarle a semicerchio, poi fresarle a forma arrotondata. Ove possibile, installare un coperchio schermante metallico all'esterno dei contatti a fiore di pesco dell'interruttore, o incorporare una griglia schermante metallica durante la fusione della scatola di contatto. Queste misure possono uniformare efficacemente la distribuzione del campo elettrico, sopprimere i picchi di campo e migliorare ulteriormente i livelli di isolamento.
1.4 Utilizzo di Materiali Isolanti con Lunga Distanza di Strisciamento
Materiali isolanti come guaine di parete, scatole di contatto e isolatori di supporto devono avere alveoli ingranditi e una distanza di strisciamento sufficiente per soddisfare i requisiti di isolamento a 24kV. In particolare, nel design delle scatole di contatto, deve essere aggiunta una griglia schermante metallica, e la cavità interna dovrebbe utilizzare una struttura a lingua per evitare i problemi intrinseci nelle strutture a anello, che non possono sopprimere efficacemente la condensa e l'accumulo di inquinamento durante l'operazione.
2. Progettazione delle Unità Principali a Anello Isolate a Gas SF6 a 24kV
Le unità principali a anello isolate a gas SF6 a 24kV estere hanno avuto inizio precocemente; aziende come Siemens e ABB le hanno introdotte all'inizio degli anni '80. Ciò è dovuto al fatto che molti paesi esteri utilizzano 24kV come tensione primaria di distribuzione a media tensione. I loro prodotti sono tecnologicamente avanzati, ad alto rendimento e altamente affidabili. Le unità principali a anello isolate a gas SF6 a 24kV nazionali si sono sviluppate solo negli ultimi anni. Limitate da varie condizioni, i prodotti sono ancora in fase di ricerca, sviluppo e test.
A causa dell'avanzata tecnologia delle unità principali a anello isolate a gas SF6 a 24kV, la loro struttura e il design isolante devono attingere all'esperienza matura estera. Di seguito sono presentate diverse raccomandazioni sul design strutturale e isolante del prodotto:
2.1 Focus sulla Razionalità Strutturale
Poiché tutte le parti viventi e gli interruttori nelle unità principali a anello isolate a gas SF6 a 24kV sono sigillate all'interno di un involucro in acciaio inossidabile riempito con gas SF6, sono compatte. Nel design strutturale, è necessario considerare pienamente la forza isolante e l'umidità del gas isolante per progettare razionalmente le dimensioni dell'armadio. L'unità dovrebbe avere funzionalità complete, essere facile da manovrare e avere una struttura semplice.
2.2 Espandibilità delle Configurazioni
Il design di configurazione deve avere espandibilità. Fino a un certo punto, la qualità di un prodotto e il suo potenziale per una diffusa adozione dipendono dalla sua flessibilità di configurazione. Un design standardizzato e modulare consente un'espansione flessibile a sinistra e a destra.
2.3 Affidabilità del Design Isolante
Il rischio principale per le unità principali a anello isolate a gas SF6 a 24kV è la degradazione delle prestazioni isolanti. I fattori che causano la degradazione dell'isolamento includono: perdite di gas SF6; materiali isolanti o di sigillaggio polimerici che hanno una certa permeabilità a diversi gas (come il vapore acqueo), portando a condensazioni inaccettabili sulle pareti interne del contenitore; controllo del contenuto di umidità nel gas SF6; e crepe nei componenti isolanti.
Per prevenire la degradazione dell'isolamento, devono essere prese misure corrispondenti, come: realizzare il contenitore di gas in acciaio inossidabile utilizzando saldature complete, senza lasciare aperture sigillate; realizzare le guaine di connessione del cavo in resina epoxidica e saldarle integralmente al contenitore; migliorare il sigillaggio del contenitore di gas per minimizzare la permeabilità al vapore acqueo; misurare regolarmente il contenuto di umidità con un tester di umidità SF6, posizionare una quantità appropriata di desiccante nell'involucro sigillato e cuocere rigorosamente tutti i componenti secondo la temperatura e il tempo specificati; quando si evacua e si carica l'apparato di commutazione SF6, pulire le linee di caricamento con gas N2 o SF6 di alta purezza; e minimizzare lo stress meccanico interno nei componenti isolanti per prevenire l'invecchiamento e le crepe. Queste misure miglioreranno efficacemente l'affidabilità dell'isolamento.
3. Conclusione
Anche se la struttura e il design isolante degli apparati di commutazione ad alta tensione a 24kV si basano sugli apparati di commutazione a 12kV, i requisiti sono molto più elevati. Inoltre, a causa della scarsa esperienza operativa pratica, tutti i fattori influenti devono essere pienamente considerati durante il processo di progettazione per soddisfare gli standard del prodotto.
