Projektowanie niezawodnych 24kV urządzeń izolowanych powietrzem i gazem

Obecnie sieci średniego napięcia w Chinach działają głównie przy napięciu 10kV. Wraz z szybkim rozwojem gospodarczym obciążenia elektryczne wzrosły, coraz bardziej ujawniając ograniczenia istniejących metod dostawy energii. Ze względu na wybitne zalety wysokiego napięcia przełączników 24kV w spełnianiu potrzeb większej pojemności obciążeń, stopniowo zdobywają one popularność w branży. Po ogłoszeniu przez Korporację Sieci Państwowej „Komunikatu o Promocji Napięcia 20kV”, napięcie 20kV stało się szybko coraz bardziej popularne.

Jako kluczowy produkt dla tego napięcia, konstrukcja i projekt izolacji wysokiego napięcia przełączników 24kV stały się punktem centralnym w branży. Zgodnie ze standardem przemysłu energetycznego „Wspólne wymagania techniczne dotyczące sprzętu przełącznikowego i sterowniczego o wysokim napięciu” (DL/T 593-2006), określone są konkretne wymagania izolacyjne dla przełączników. Wymagania izolacyjne dla produktów 24kV są następujące:

Minimalny odstęp powietrzny (faza do fazy, faza do ziemi): 180mm; Wytrzymałość na napiecie przemysłowe (faza do fazy, faza do ziemi): 50/65 kV/min, (przez izolowane stawy): 64/79 kV/min; Wytrzymałość na impuls grzmotowy (faza do fazy, faza do ziemi): 95/125 kV/min, (przez izolowane stawy): 115/145 kV/min.

Uwaga: Dane po lewej stronie ukośnika dotyczą systemów solidnie zziemionych, podczas gdy dane po prawej stronie dotyczą systemów zziemionych poprzez cewkę tłumiącą lub niezziemionych.

Przełączniki wysokiego napięcia 24kV można podzielić według metody izolacji na metalowe zamknięte przełączniki z izolacją powietrzną i gazowe sferyczne jednostki pierścieniowe SF6. Metalowe zamknięte przełączniki z izolacją powietrzną 24kV, zwłaszcza typu śródmontowanego (dalej nazywane przełącznikami śródmontowanymi 24kV), stały się kluczowym punktem projektowania. Ten artykuł omawia kilka rekomendacji dotyczących konstrukcji i projektu izolacji przełączników śródmontowanych 24kV i gazowych sferycznych jednostek pierścieniowych SF6, oferowanych do zapoznania i komentarza.

1. Projektowanie przełączników śródmontowanych 24kV

Technologia przełączników śródmontowanych 24kV pochodzi głównie z trzech źródeł: pierwsze, to modernizacja produktu KYN28-12 12kV poprzez bezpośrednie zastąpienie elementów związanych z izolacją. Drugie, to zagraniczne produkty śródmontowane wprowadzane na rynek krajowy, takie jak te firmy ABB i Eaton Senyuan. Trzecie, to niezależnie rozwinięte przełączniki śródmontowane 24kV w Chinach. Trzeci rodzaj, zaprojektowany specjalnie dla istniejących warunków technicznych i wymagań w Chinach, jest najbardziej konkurencyjny na rynku. Dlatego podczas projektowania muszą być w pełni uwzględnione ogólna struktura produktu i projekt izolacji, jak szczegółowo opisano poniżej:

1.1 Równoważna struktura szafy i trójkątna konfiguracja busów

Większość przełączników śródmontowanych 12kV używa struktury wyższej z przodu i niższej z tyłu, z trójfazowymi busami ułożonymi w konfiguracji trójkąta (delta) i przedziałem pomiarowym jako remontowalną, niezależną strukturą. Jeśli ta metoda zostanie użyta dla przełączników śródmontowanych 24kV, jasne jest, że nie spełnia ona minimalnego wymagania co do odstępu powietrznego 180mm. Dlatego przełączniki śródmontowane 24kV powinny używać równoważnej struktury szafy, z przedziałem pomiarowym zintegrowanym z główną szafą.

Wysokość szafy powinna zostać odpowiednio zwiększona do 2400mm, zapewniając więcej przestrzeni dla przedziałów busów i przełączników. Przewodnice ścianowe powinny być ułożone w konfiguracji trójkąta. Ta metoda nie tylko spełnia wymagania co do odstępów powietrznych, ale także efektywnie tłumaczy i znosi siły elektromagnetyczne, poprawia odprowadzanie ciepła przez bus oraz zwiększa niezawodność izolacji.

1.2 Rzetelny projekt szerokości przełącznika

Z perspektywy niezawodności izolacji, izolacja powietrzna jest najbardziej niezawodna; wystarczy zapewnić minimalny odstęp izolacyjny, aby całkowicie zagwarantować izolację. Biorąc pod uwagę pełną konstrukcję izolacji powietrznej, teoretyczna szerokość przełącznika 24kV powinna wynosić 1020mm. Jednak w rzeczywistej produkcji większość producentów wybiera szerokość szafy 1000mm, co wymaga użycia złożonej izolacji. Zazwyczaj stosuje się termoskurczowe rurki na busach oraz bariery izolacyjne SMC (Sheet Molding Compound) między fazami i między fazą a ziemią, aby zwiększyć izolację.

1.3 Projektowanie równomiernego rozkładu pola elektrycznego

Testy dowodzą, że im wyższy poziom napięcia, tym wyższa lokalna siła pola elektrycznego podczas testów wytrzymałości na napiecie przemysłowe, czasami towarzyszy temu wyraźny dźwięk dyschargi koronowej. Zgodnie z przepisami, jeśli nie wystąpi przerwana dyscharge, test jest uważany za zaliczony. Jednak wysoka lokalna siła pola elektrycznego może wpływać na zdolność produktu do wytrzymywania nadnapięć w normalnych warunkach pracy. 

Dlatego projekt produktu powinien skupiać się na osiągnięciu jak najbardziej równomiernego rozkładu pola elektrycznego, unikając lokalnej koncentracji pola. Na podstawie praktycznego doświadczenia, kształtowanie przewodników w celu uzyskania równomiernego pola jest skuteczne. Dla obciętych końców busów należy użyć formującego frezarka, aby wyfraszować końce na zaokrąglone krawędzie. Dla końców busów wewnątrz skrzynek kontaktowych, najpierw uformuj je w półokrągłą formę, a następnie wyfrezuj na zaokrąglone krawędzie. Gdzie to możliwe, zainstaluj metalową osłonę zewnętrzną na kontakty kwiatowe przełącznika lub wlej metalową siatkę osłonową podczas odlewu skrzynki kontaktowej. Te środki mogą efektywnie równomiernie rozłożyć pole elektryczne, tłumaczyć szczyty pola i dalej poprawić poziom izolacji.

1.4 Użycie materiałów izolacyjnych o długiej drodze pełzania

Materiały izolacyjne, takie jak przewodnice ścianowe, skrzynki kontaktowe i izolatory podtrzymujące, muszą mieć powiększone daszki i wystarczającą drogę pełzania, aby spełniać wymagania izolacyjne 24kV. Szczególnie w projekcie skrzynek kontaktowych należy dodać metalową siatkę osłonową, a wnętrze powinno posiadać strukturę językowatą, aby uniknąć problemów związanych z strukturą pierścieniową, która nie może efektywnie tłumaczyć kondensacji i powstawania zanieczyszczeń podczas eksploatacji.

2. Projektowanie gazowych sferycznych jednostek pierścieniowych SF6 24kV

Zagraniczne gazowe sferyczne jednostki pierścieniowe SF6 24kV rozpoczęły się wczesniej; firmy takie jak Siemens i ABB wprowadziły je już w początku lat 80. XX wieku. To dlatego, że wiele krajów zagranicznych używa 24kV jako głównego napięcia średniego. Ich produkty są technologicznie zaawansowane, mają wysokie wydajności i są bardzo niezawodne. Krajowe gazowe sferyczne jednostki pierścieniowe SF6 24kV rozwijają się dopiero w ostatnich latach. Ograniczone różne warunki, produkty są nadal w fazie badań, rozwoju i testów.

Ze względu na zaawansowanie technologii gazowych sferycznych jednostek pierścieniowych SF6 24kV, ich struktura i projekt izolacji muszą czerpać z dojrzałego doświadczenia zagranicznego. Poniżej przedstawiamy kilka rekomendacji dotyczących struktury i projektu izolacji produktu:

2.1 Skupienie na racjonalności struktury

Ponieważ wszystkie części pod napięciem i przełączniki w gazowych sferycznych jednostkach pierścieniowych SF6 24kV są hermetycznie zamknięte w obudowie ze stali nierdzewnej wypełnionej gazem SF6, są kompaktowe. W projekcie strukturalnym muszą być w pełni uwzględnione siła izolacji i wilgotność gazu izolacyjnego, aby racjonalnie zaprojektować wymiary szafy. Jednostka powinna mieć kompleksowe funkcje, być łatwa w obsłudze i mieć prostą strukturę.

2.2 Rozszerzalność konfiguracji

Projekt konfiguracyjny musi mieć możliwość rozszerzalności. W pewnym stopniu jakość produktu i jego potencjał do szerokiego przyjęcia zależą od elastyczności konfiguracyjnej. Standardowy, modułowy projekt umożliwia elastyczne rozszerzanie w lewo i w prawo.

2.3 Niezawodność projektu izolacji

Głównym ryzykiem dla gazowych sferycznych jednostek pierścieniowych SF6 24kV jest degradacja właściwości izolacyjnych. Czynniki prowadzące do degradacji izolacji obejmują: przecieki gazu SF6; materiały izolacyjne polimerowe lub uszczelniające mają pewną przepuszczalność dla różnych gazów (np. pary wodnej), co prowadzi do nieakceptowalnej kondensacji na ścianach wewnętrznych obudowy; kontrola zawartości wilgoci w gazie SF6; i pęknięcia w elementach izolacyjnych.

Aby zapobiec degradacji izolacji, należy podjąć odpowiednie środki, takie jak: wytwarzanie obudowy gazowej ze stali nierdzewnej z pełnym spawaniem, bez otwartych szczelin; wykonanie przewodnic busowych z epoksydowej masztalerki i spawanie ich integralnie z obudową; zwiększenie szczelności obudowy gazowej, aby zminimalizować penetrację pary wodnej; regularne pomiary zawartości wilgoci przy użyciu testeru wilgoci SF6, umieszczenie odpowiedniej ilości suchozbiornika w hermetycznej obudowie i ścisłe pieczenie wszystkich elementów zgodnie z określonymi temperaturą i czasem; podczas próżniowania i napełniania instalacji SF6 czyszczenie linii napełniających gazem o wysokiej czystości N2 lub SF6; i zminimalizowanie wewnętrznego napięcia mechanicznego w elementach izolacyjnych, aby zapobiec starzeniu i pękaniom. Te środki będą efektywnie zwiększać niezawodność izolacji.

3. Podsumowanie

Chociaż struktura i projekt izolacji przełączników wysokiego napięcia 24kV opiera się na przełącznikach 12kV, wymagania są znacznie wyższe. Ponadto, ze względu na niewystarczające doświadczenie w praktycznej eksploatacji, wszystkie wpływające czynniki muszą być w pełni uwzględnione w procesie projektowania, aby spełnić standardy produktów.