Načrtovanje zanesljive 24kV zrakom in plinom izolirane opreme

Trenutno so srednjeponaslovne distribucijske mreže v Kitajski predvsem na 10 kV. Zaradi hitrega gospodarskega razvoja so se električni obremenitve povečale, kar je vedno bolj izpostavljalo omejitve obstoječih načinov oskrbe z energijo. Zaradi odličnih prednosti visokonapetostne aparature na 24 kV pri zagotavljanju večjih obremenitev se je tično uveljavila v industriji. Po objavi Državnega omrežnega podjetja "Obvestilo o spodbujanju napetostne razine 20 kV" se uporaba napetosti 20 kV hitro povečuje.

Kot ključni izdelek za to napetostno raven sta struktura in izolacijska konstrukcija visokonapetostne aparature na 24 kV postala fokus industrije. Glede na standard elektroenergetske industrije "Splošna tehnična zahteva za visokonapetostno aparaturo in nadzorno opremo" (DL/T 593-2006) so določeni specifični zahtevi za izolacijo aparature. Zahteve za izolacijo izdelkov na 24 kV so naslednje:

Najmanjša zračna vrzel (med fazami, med fazo in tla): 180 mm; preizkus trdnosti pri omrežni frekvenci (med fazami, med fazo in tla): 50/65 kV/min, (med izolacijskimi spoji): 64/79 kV/min; preizkus trdnosti pri hladnem udarcu (med fazami, med fazo in tla): 95/125 kV/min, (med izolacijskimi spoji): 115/145 kV/min.

Opomba: Podatki levo od poševnice se nanašajo na sisteme z trdno zazemljenim neutralnim vodom, podatki desno pa na sisteme z neutralnim vodom zazemljenim preko arčnega potlaščevalca ali nezazemljenim.

Visokonapetostna aparatura na 24 kV se lahko razdeli glede na metodo izolacije na zračno izolirano metalno zaprto aparaturo in plinsko izolirane SF6 kolobarne enote. Zračno izolirana metalna zaprta aparatura za 24 kV, zlasti srednje postavljena izvlečna vrsta (v nadaljevanju se imenuje 24 kV srednje postavljena aparatura), je postala ključni fokus v zasnovi. Ta članek obravnava nekaj priporočil glede strukture in izolacijske zasnove 24 kV srednje postavljene aparature in plinsko izoliranih SF6 kolobarnih enot, ki so predlagani za pregled in komentar.

1. Zasnova 24 kV srednje postavljene aparature

Tehnologija 24 kV srednje postavljene aparature pride predvsem iz treh virov: Prvič, posodobitev izdelka KYN28-12 na 12 kV z neposredno zamenjavo delov, povezanih z izolacijo. Drugič, tuje srednje postavljene izdelki, ki stopijo na domači trg, kot so ABB in Eaton Senyuan. Tretjič, samostojno razvijena 24 kV srednje postavljena aparatura v Kitajski. Tretja kategorija, zasnovana posebej za obstoječe tehnološke pogoje in zahteve v Kitajski, je najbolj konkurenčna na trgu. Zato mora biti pri njeni zasnovi celovito razmisljeno o strukturi produkta in zasnovi izolacije, kot je podrobneje navedeno spodaj:

1.1 Struktura skrinje enake višine in trikotniška razporeditev busbarov

Večina 12 kV srednje postavljene aparature uporablja strukturo, ki je višja na fronti in nižja na zadnjici, z tri-faznimi busbarji razporejenimi v trikotnik (delta) in instrumentno škatlo kot odstranjevalno, samostojno strukturo. Če bi ta metoda bila uporabljena za 24 kV srednje postavljeno aparaturo, bi jasno ne zadoščala najmanjši zračni vrzeli 180 mm. Zato bi 24 kV srednje postavljena aparatura morala uporabiti zasnovu skrinje enake višine, z instrumentno škatlo, ki je integrirana v glavno skrinjo.

Višina skrinje bi morala biti ustrezno povečana na 2400 mm, kar zagotavlja več prostora za busbarsko in preklopniško škatlo. Busbarske stenke bi morale biti razporejene v trikotniški konfiguraciji. Ta pristop ne le zadošča zahtevam za zračne vrzeli, ampak tudi učinkovito zadržuje in odpira elektromagnetske sile, izboljša segrevanje busbarov in izboljša zanesljivost izolacije.

1.2 Razumno zasnovanje širine aparature

Iz perspektive zanesljivosti izolacije je zračna izolacija najzanesljivija metoda; če je zagotovljena najmanjša izolacijska vrzel, je izolacija popolnoma zagotovljena. Ob upoštevanju zasnovskega pristopa, popolnoma zračno izoliranega, bi teoretična širina aparature na 24 kV morala biti 1020 mm. Vendar v dejanski proizvodnji veliko proizvajalcev izbere širino skrinje 1000 mm, kar zahteva uporabo kombinirane izolacije. Splošno se uporablja termoshrčena cev za busbare in SMC (Sheet Molding Compound) izolacijska oviro med fazami in med fazo in tla, da se izboljša izolacija.

1.3 Zasnova za enakomerno porazdelitev električnega polja

Preizkusi dokazujejo, da je višja napetostna raven, višja lokalna moč električnega polja med preizkusi trdnosti pri omrežni frekvenci, pogosto spremljena z opaznimi zvoki koronskega razbega. Po predpisih, če ne nastane motnica, je preizkus uspešen. Vendar lahko visoka lokalna moč električnega polja vpliva na zmogljivost izdelka, da odvrne previsoke napetosti med normalno uporabo. 

Zato bi morala zasnova izdelka najprej doseči čim enakomernejšo porazdelitev električnega polja, izogibajoč se lokaliziranim pikam polja. Iz praktičnega izkušnje je oblikovanje vodil za doseganje enakomernega polja učinkovito. Za reze busbarov uporabite formirno fresilico, da oblikujete konec v zaobljeni kot. Za konec busbara znotraj kontaktne škatle najprej oblikujte polkrog, nato fresite zaobljeni kot. Tam, kjer je mogoče, namestite kovinski ščitni pokrov zunaj tratinastih kontaktov preklopnika ali ga vgrajite med levanje kontaktne škatle. Te ukrepe lahko učinkovito enakomerijo porazdelitev električnega polja, zadržujejo pike polja in nadalje izboljšajo ravni izolacije.

1.4 Uporaba izolacijskih materialov z dolgo potjo površinskega premika

Izolacijski materiali, kot so stenke, kontaktne škatle in podporni izolatorji, morajo imeti povečane štapične prelivke in zadostno dolgo pot površinskega premika, da bi izpolnili izolacijske zahteve za 24 kV. Zlasti pri zasnovi kontaktne škatle mora biti dodan kovinski ščitni mreža, in notranji prostor mora uporabljati jezikasto strukturo, da se izogne problemom, ki so lastni kolobarnim strukturam, ki ne morejo učinkovito zadrževati kondenzacije in onesnaženosti med delovanjem.

2. Zasnova 24 kV plinsko izoliranih SF6 kolobarnih enot

Tuje 24 kV plinsko izolirane SF6 kolobarne enote so se začele razvijati zgodaj; družbe, kot so Siemens in ABB, jih so uvedle že v začetku leta 1980. To je zaradi tega, ker mnoge tuje države uporabljajo 24 kV kot primarno srednjeponaslovno distribucijsko napetost. Njihovi izdelki so tehnološko napredni, visoko zmogljivi in zanesljivi. Domaca 24 kV plinsko izolirane SF6 kolobarne enote so se razvijale le v zadnjih letih. Omejene s sestavom različnih pogojev so izdelki še v fazi raziskovanja, razvoja in testiranja.

Zaradi naprednosti tehnologije 24 kV plinsko izoliranih SF6 kolobarnih enot mora njihova struktura in zasnova izolacije upoštevati zrel tuj izkušnje. Spodaj so nekatera priporočila glede strukture in zasnovi izolacije izdelka:

2.1 Poudarek na strukturno razumno zasnovo

Ker so vse žive dele in preklopniki v 24 kV plinsko izoliranih SF6 kolobarnih enotah zaprti v nerjavečem okvirju, napolnjenem s plinom SF6, so kompaktni. Pri strukturni zasnovi mora biti v celoti upoštevana izolacijska moč in vlaga izolacijskega plina, da bi razumno zasnovali dimenzije skrinje. Enota mora imeti popolno funkcionalnost, biti enostavna za upravljanje in imeti preprosto strukturo.

2.2 Širjenje konfiguracij

Zasnovi konfiguracije mora biti omogočeno širjenje. Do neke mere kakovost izdelka in njegova možnost širšega sprejema odvisna je od fleksibilnosti konfiguracije. Standardizirana, modularna zasnova omogoča fleksibilno širjenje na levo in desno.

2.3 Zanesljivost zasnovi izolacije

Glavno tveganje za 24 kV plinsko izolirane SF6 kolobarne enote je degradacija izolacijske zmogljivosti. Faktori, ki povzročajo degradacijo izolacije, vključujejo: iztekanje plina SF6; polimerni izolacijski ali zategovalni materiali, ki imajo določeno preprosočnost za različne pline (kot je vodna para), kar vodi do nezaželenega kondenzata na notranjih stenah posode; nadzor vlažnosti v plinu SF6; in trsi v izolacijskih komponentah.

Za preprečevanje degradacije izolacije morajo biti sprejeti ustrezni ukrepi, kot so: izdelava plinske posode iz nerjavečega jekla z celotnim varjenjem, brez zategnutih odprtij; izdelava vezij za povezavo kabelov iz epoksidne levlane in integralno varjenje z posodo; izboljšanje zategnutosti plinske posode, da se zmanjša preprosočnost vodne pare; redno merjenje vlažnosti z napravo za merjenje vlažnosti SF6, nameščanje ustrezne količine sušila v zategnuto posodo in strogo pečenje vseh komponent po določenih temperaturah in časih; čiščenje napajalnih črt z visoko čisto N2 ali plinom SF6 ob izčrpavanju in napajanju SF6 aparature; in zmanjšanje notranjega mehaničnega stresa v izolacijskih komponentah, da se prepreči staranje in trsenje. Ti ukrepi učinkovito izboljšajo zanesljivost izolacije.

3. Zaključek

Čeprav je zasnova in izolacijska zasnova 24 kV visokonapetostne aparature temeljila na aparaturi na 12 kV, so zahteve mnogo višje. Poleg tega, zaradi nedostatka praktičnega izkušnje, morajo biti v zasnovi v celoti upoštevani vsi vplivni faktorji, da bi izpolnili standarde izdelka.