Ontwerpen van betrouwbare 24kV lucht- en gasgeïsoleerde apparatuur

Momenteel opereren de meeste middenspanningsnetwerken in China op 10kV. Met de snelle economische ontwikkeling zijn de elektriciteitsbelastingen sterk gestegen, waardoor de beperkingen van de bestaande energievoorzieningsmethoden steeds duidelijker naar voren komen. Vanwege de uitstekende voordelen van 24kV hoogspanningskasten om hogere belastings te bevredigen, heeft dit geleidelijk aan meer aandacht gekregen binnen de sector. Na het "Aankondiging over de promotie van het 20kV-spanningsniveau" door de State Grid Corporation, is het 20kV-spanningsniveau snel in gebruik genomen.

Als een cruciaal product voor dit spanningsniveau, zijn de structuur en isolatieontwerp van 24kV hoogspanningskasten belangrijke focuspunten in de industrie geworden. Volgens de elektriciteitsindustriestandaard "Algemene technische eisen voor hoogspanningskasten en besturingsapparatuur" (DL/T 593-2006) worden specifieke isolatie-eisen voor kasten duidelijk gedefinieerd. De isolatie-eisen voor 24kV-producten zijn als volgt:

Minimale luchtspeling (tussenfasen, fase-aarde): 180mm; Netfrequentie spanningstandvermogen (tussenfasen, fase-aarde): 50/65 kV/min, (over isolatieverbindingen): 64/79 kV/min; Blikseminslag spanningstandvermogen (tussenfasen, fase-aarde): 95/125 kV/min, (over isolatieverbindingen): 115/145 kV/min.

Opmerking: De gegevens links van de schuine streep gelden voor vast aangesloten neutrale systemen, terwijl de gegevens rechts van toepassing zijn op systemen met neutraal aangesloten via een boogdempingsspoel of onaangesloten.

24kV hoogspanningskasten kunnen worden ingedeeld op basis van de isolatiemethode in luchtgeïsoleerde metalen kasten en gasgeïsoleerde SF6 ringhoofdinstallaties. Luchtgeïsoleerde metalen kasten voor 24kV, in het bijzonder de middenopgetrokken type (hierna aangeduid als 24kV middenopgetrokken kasten), zijn een belangrijk ontwerpfocuspunt geworden. Dit artikel bespreekt enkele aanbevelingen betreffende de structuur en isolatieontwerp van 24kV middenopgetrokken kasten en gasgeïsoleerde SF6 ringhoofdinstallaties, ter referentie en commentaar.

1. Ontwerp van 24kV middenopgetrokken kasten

De technologie voor 24kV middenopgetrokken kasten komt voornamelijk uit drie bronnen: Ten eerste, een upgrade van het 12kV KYN28-12 product door directe vervanging van onderdelen die betrekking hebben op isolatie. Ten tweede, buitenlandse middenopgetrokken producten die de Chinese markt binnendringen, zoals die van ABB en Eaton Senyuan. Ten derde, zelfstandig ontwikkelde 24kV middenopgetrokken kasten in China. De derde categorie, ontworpen specifiek voor de bestaande technische omstandigheden en eisen in China, is het meest concurrerend op de markt. Daarom moet tijdens het ontwerp de algemene productstructuur en isolatieontwerp volledig worden overwogen, zoals hieronder gedetailleerd wordt beschreven:

1.1 Gelijkhoog kastontwerp en driehoekige busbar-opstelling

De meeste 12kV middenopgetrokken kasten gebruiken een structuur die hoger is aan de voorkant en lager aan de achterkant, met de driefase busbars in een driehoekige (delta) configuratie, en het meetcompartiment als een afneembare, onafhankelijke structuur. Als deze methode wordt gebruikt voor 24kV middenopgetrokken kasten, kan dit duidelijk niet voldoen aan de minimale luchtspelingvereiste van 180mm. Daarom moeten 24kV middenopgetrokken kasten een gelijkhoog kastontwerp gebruiken, met het meetcompartiment geïntegreerd in de hoofdkast.

De kasthoogte moet gepast worden verhoogd tot 2400mm, wat meer ruimte biedt voor de busbar- en schakelaarcompartimenten. De busbarwandbuisjes moeten in een driehoekige configuratie worden opgesteld. Deze benadering voldoet niet alleen aan de luchtspelingvereisten, maar onderdrukt en weerstaat ook effectief elektromagnetische krachten, verbetert de warmteafgifte van de busbars en verhoogt de isolatiebetrouwbaarheid.

1.2 Rationeel ontwerp van de breedte van de kast

Vanuit het perspectief van isolatiebetrouwbaarheid is luchtdisolatie de meest betrouwbare methode; zolang de minimale isolatiespeling is gegarandeerd, is de isolatie volledig verzekerd. Bij een volledig luchtgeïsoleerd ontwerp zou de theoretische breedte van een 24kV kast 1020mm moeten zijn. Echter, in de praktijk kiezen de meeste fabrikanten voor een kastbreedte van 1000mm, wat vereist dat er gebruik wordt gemaakt van composietisolatie. Over het algemeen wordt hitteverkleinde buis toegepast op de busbars, en SMC (Sheet Molding Compound) isolatiebarrières tussen fasen en tussen fase en aarde geïnstalleerd om de isolatie te versterken.

1.3 Ontwerp voor uniforme elektrisch veldverdeling

Testen bewijzen dat hoe hoger het spanningniveau, hoe hoger de lokale elektrische veldsterkte tijdens netfrequentie spanningstandvermogenstests, soms vergezeld van merkbare corona-ontladingsgeluiden. Volgens de voorschriften, zolang er geen verstoring plaatsvindt, wordt de test als geslaagd beschouwd. Echter, hoge lokale elektrische veldsterkte kan de vermogen van het product om overspanningen tijdens normale werking te weerstaan beïnvloeden. 

Daarom moet het productontwerp prioriteit geven aan het bereiken van zo uniform mogelijke elektrisch veldverdeling, en lokale veldconcentratie vermijden. Uit de praktijk blijkt dat het vormgeven van geleiders om een uniform veld te bereiken effectief is. Voor de afgesneden einden van busbars, gebruik een vormgevende fraise om de einden in ronde hoeken te bewerken. Voor de busbareinden binnen het contactdoos, vorm ze eerst in een halve cirkel, dan frezen ze in een ronde hoek. Indien mogelijk, installeer een metalen schildkap buiten de pruimencontacten van de schakelaar, of verwerk een metalen schildnetwerk tijdens het gieten van het contactdoos. Deze maatregelen kunnen de elektrisch veldverdeling effectief uniform maken, veldpieken onderdrukken en de isolatie niveaus verder verbeteren.

1.4 Gebruik van isolatiematerialen met lange kruipweg

Isolatiematerialen zoals wandbuisjes, contactdozen en dragers moeten vergrote schroeven en voldoende kruipweg hebben om aan de isolatie-eisen van 24kV te voldoen. Vooral in het ontwerp van contactdozen moet een metalen schildnetwerk worden toegevoegd, en de binnenkant moet een tongvormige structuur gebruiken om de problemen te vermijden die inherent zijn aan ringstructuren, die condensatie en de daaruit voortkomende verontreiniging tijdens bedrijf niet effectief kunnen onderdrukken.

2. Ontwerp van 24kV gasgeïsoleerde SF6 ringhoofdinstallaties

Buitenlandse 24kV gasgeïsoleerde SF6 ringhoofdinstallaties begonnen vroeg; bedrijven zoals Siemens en ABB introduceerden ze in het begin van de jaren '80. Dit is omdat veel landen 24kV als het primaire middenspanningsniveau gebruiken. Hun producten zijn technologisch geavanceerd, hoog presterend en uiterst betrouwbaar. Thuislandse 24kV gasgeïsoleerde SF6 ringhoofdinstallaties zijn pas in recente jaren ontwikkeld. Beperkt door verschillende omstandigheden, zijn de producten nog in de fase van onderzoek, ontwikkeling en testen.

Vanwege de geavanceerde aard van 24kV gasgeïsoleerde SF6 ringhoofdinstallatietechnologie, moet hun structuur en isolatieontwerp profiteren van rijpe buitenlandse ervaring. Hieronder volgen enkele aanbevelingen voor productstructuur en isolatieontwerp:

2.1 Focus op structurele rationaliteit

Aangezien alle levende delen en schakelaars in 24kV gasgeïsoleerde SF6 ringhoofdinstallaties zijn verzegeld in een roestvrijstalen behuizing gevuld met SF6-gas, zijn ze compact. In het structuurontwerp moeten de isolatiesterkte en vochtigheid van het isolatiegas volledig worden overwogen om de afmetingen van de kast rationeel te ontwerpen. De eenheid moet complete functionaliteit hebben, gemakkelijk te bedienen zijn en een eenvoudige structuur hebben.

2.2 Uitbreidbaarheid van configuraties

Configuratiedesign moet uitbreidbaar zijn. Tot op zekere hoogte hangt de kwaliteit van een product en het potentieel voor wijdverspreide toepassing af van de flexibiliteit van de configuratie. Een gestandaardiseerd, modulair ontwerp staat toe voor flexibele uitbreiding naar links en rechts.

2.3 Betrouwbaarheid van isolatieontwerp

Het primaire risico voor 24kV gasgeïsoleerde SF6 ringhoofdinstallaties is de degradatie van de isolatieprestaties. Factoren die leiden tot isolatiedegrade zijn: SF6-gaslekken; polymere isolatiematerialen of verzegelingsmaterialen hebben een bepaalde permeabiliteit voor verschillende gassen (zoals waterdamp), wat leidt tot onaanvaardbare condensatie op de binnenwanden van de behuizing; controle van de vochtigheidsinhoud in het SF6-gas; en scheuren in isolatieonderdelen.

Om isolatiedegrade te voorkomen, moeten overeenkomstige maatregelen worden genomen, zoals: de gascontainer vervaardigen van roestvrij staal met volledige lasconstructie, zonder verzegelde openingen; kabelverbindingbusjes maken van epoxy gegoten hars en deze integral met de container lassen; de verzegeling van de gascontainer versterken om de waterdampdoorlatendheid te minimaliseren; regelmatig de vochtigheidsinhoud meten met een SF6-vochtigheidsmeter, een passende hoeveelheid droogmiddel in de verzegelde behuizing plaatsen, en alle onderdelen strikt bakken volgens gespecificeerde temperatuur en tijd; bij het evacueren en opladen van SF6-schakelinstallaties, de oplaadlijnen reinigen met zuivere N2 of SF6-gas; en de interne mechanische spanning in isolatieonderdelen minimaliseren om ouderdom en barsten te voorkomen. Deze maatregelen zullen de isolatiebetrouwbaarheid effectief verbeteren.

3. Conclusie

Hoewel de structuur en isolatieontwerp van 24kV hoogspanningskasten gebaseerd zijn op 12kV kasten, zijn de eisen veel hoger. Bovendien, vanwege ontoereikende praktische bedrijfservaring, moeten alle invloedrijke factoren volledig worden overwogen tijdens het ontwerpproces om aan de productnormen te voldoen.