Design av tillförlitlig 24kV luft- och gasisoleringutrustning

För närvarande opererar de flesta medelspänningsnät i Kina vid 10kV. Med den snabba ekonomiska utvecklingen har strömbelastningen ökat, vilket alltmer avslöjar begränsningarna hos de befintliga eldistributionssätten. På grund av de framstående fördelarna med högspänningsutrustning på 24kV för att möta kraven på högre belastningskapacitet har den fått en stilla tillväxt inom branschen. Efter Statens nätbolags "Meddelande om främjande av spänningsnivån 20kV" har 20kV-spänning klassen sett en snabb ökning i användning.

Som ett kritiskt produkt för denna spänning är strukturen och isoleringsdesignen för 24kV högspänningsutrustning blivit fokuspunkter inom industrin. Enligt energisektorns standard "Generella tekniska krav för högspänningsutrustning och styrutrustning" (DL/T 593-2006) definieras specifika isoleringskrav för utrustning tydligt. Isoleringskraven för 24kV-produkter är följande:

Minsta luftavstånd (fas-fas, fas-jord): 180 mm; Nätspänningshållbarhet (fas-fas, fas-jord): 50/65 kV/min, (över isolationsfogar): 64/79 kV/min; Blixtimpulshållbarhet (fas-fas, fas-jord): 95/125 kV/min, (över isolationsfogar): 115/145 kV/min.

Notera: Data till vänster om snedstrecket gäller för system med solid jordad neutral, medan data till höger gäller för system med neutral jordad genom en båglämpla eller ojordade.

24kV högspänningsutrustning kan indelas efter isoleringsmetod i luftisolerede metallslutna utrustningar och gasisolerede SF6 ringenheter. Lufts-isolerade metallslutna utrustningar för 24kV, särskilt den mid-placerade dragbara typen (hädanefter kallad 24kV mid-placerad utrustning), har blivit ett viktigt designfokus. Detta artikel diskuterar flera rekommendationer angående struktur och isoleringsdesign för 24kV mid-placerade utrustningar och gasisolerede SF6 ringenheter, erbjuds för referens och kommentarer.

1. Design av 24kV mid-placerade utrustningar

Tekniken för 24kV mid-placerade utrustningar kommer huvudsakligen från tre källor: För det första, en uppgradering från 12kV KYN28-12 produkten genom att direkt ersätta komponenter relaterade till isolering. För det andra, utländska mid-placerade produkter som inträder på den inhemska marknaden, såsom de från ABB och Eaton Senyuan. För det tredje, självständigt utvecklade 24kV mid-placerade utrustningar inom Kina. Den tredje kategorin, designad speciellt för Kinas nuvarande tekniska förhållanden och krav, är den mest konkurrenskraftiga på marknaden. Därför måste under dess design överlagringsproduktsstrukturen och isoleringsdesignen fullt beaktas, som detaljerat nedan:

1.1 Likhöjd kabinstruktur och triangelbussarrangemang

De flesta 12kV mid-placerade utrustningar använder en struktur som är högre framme och lägre bakom, med de trefasiga busserna arrangerade i en triangel (delta) konfiguration, och mätinstrumentkammaren som en avtagbar, oberoende struktur. Om denna metod används för 24kV mid-placerade utrustningar uppfyller den tydligt inte kravet på minsta luftavstånd på 180mm. Därför bör 24kV mid-placerade utrustningar anta en likhöjd kabinstruktur, med mätinstrumentkammaren integrerad i huvudkabinen.

Kabinhöjden bör lämpligt ökas till 2400mm, vilket ger mer utrymme för bussekammaren och strömavbrottskammaren. Busshuskopplingarna bör arrangeras i en triangelkonfiguration. Denna metod uppfyller inte bara luftavstånds kraven utan undertrycker och motstår också effektivt elektromagnetiska krafter, förbättrar busshävning och ökar isolerings pålitlighet.

1.2 Rationell design av utrustningsbredd

Från synvinkel av isolerings pålitlighet, är luftisolering den mest pålitliga metoden; så länge minimi isoleringsavstånd garanteras, kan isolering fullt säkerställas. Vid full luftisolering, borde teoretisk bredd för 24kV utrustning vara 1020mm. Men i praktisk produktion väljer de flesta tillverkare kabinväggstorlek på 1000mm, vilket kräver användning av kombinerad isolering. Vanligtvis appliceras heat-shrink tubing på busser, och SMC (Sheet Molding Compound) isoleringsbarriärer installeras mellan faser och mellan fas och jord för att förbättra isolering.

1.3 Design för jämn elektrisk fältfördelning

Test visar att ju högre spänningsnivå, desto högre lokala elektriska fältstyrkor under nätspänningshållbarhetstest, ibland följda av märkbara korona utsläpp ljud. Enligt regler, så länge inga störande utsläpp inträffar, anses testet godkänt. Men höga lokala elektriska fältstyrkor kan påverka produkternas förmåga att hålla ut överspänningar under normal drift. 

Därför bör produktdesign prioritera att uppnå så jämn elektrisk fältdistribution som möjligt, undvika lokaliserad fältkoncentration. Från praktisk erfarenhet, formning av ledare för att uppnå jämn fält är effektiv. För bussslut, använda en formande fräs för att forma slutet till rundade hörn. För bussslut inuti kontaktlådan, först forma dem till halvcirkelform, sedan fräsa dem till rundade hörn. Där det går, installera en metallsköld utanför plommonkontakterna, eller infoga en metallsköldnät under gissling av kontaktlådan. Dessa åtgärder kan effektivt jämn ut elektrisk fältdistribution, undertrycka fälttoppar, och ytterligare förbättra isoleringsnivåer.

1.4 Användning av isoleringsmaterial med lång krypkant

Isoleringsmaterial som väggkopplingar, kontaktlådor och stödjande isolatorer måste ha förstorade skuttar och tillräcklig krypkant för att uppfylla isoleringskraven för 24kV. Särskilt i design av kontaktlådor, måste en metallsköldnät läggas till, och innerkaviteten bör använda en tungeslik struktur för att undvika problem med ringstrukturer, som inte effektivt undertrycker kondensation och den resulterande föroreningssamling under drift.

2. Design av 24kV gasisolerede SF6 ringenheter

Utländska 24kV gasisolerede SF6 ringenheter startade tidigt; företag som Siemens och ABB introducerade dem redan i början av 1980-talet. Detta beror på att många utländska länder använder 24kV som primär medelspänningsdistributionsspänning. Deras produkter är teknologiskt avancerade, presterande och högt pålitliga. Inhemsk 24kV gasisolerede SF6 ringenheter har endast utvecklats under de senaste åren. Begränsade av olika förhållanden, finns produkter fortfarande i forskning, utveckling och testfas.

På grund av den avancerade naturen av 24kV gasisolerede SF6 ringenhetsteknik, måste deras struktur och isoleringsdesign dra nytta av mognad utländsk erfarenhet. Följande är flera rekommendationer angående produktsstruktur och isoleringsdesign:

2.1 Fokusera på strukturell rationellhet

Eftersom alla livsfara och strömbrytare i 24kV gasisolerede SF6 ringenheter är sigillade inom en rostfri stålbehållare fylld med SF6-gas, är de kompakta. I strukturdesignen måste isoleringsstyrkan och fuktigheten av isoleringsgasen fullt beaktas för att rationellt designa kabinens dimensioner. Enheten bör ha full funktionalitet, vara lätt att hantera och ha en enkel struktur.

2.2 Utbyggnadsbarhet av konfigurationer

Konfigurationsdesign måste ha utbyggnadsbarhet. Till en viss grad beror kvaliteten på en produkt och dess potential för bred användning på dess konfigurationsflexibilitet. En standardiserad, modulär design tillåter flexibel expansion åt vänster och höger.

2.3 Pålitlighet av isoleringsdesign

Det primära risken för 24kV gasisolerede SF6 ringenheter är nedbrytning av isoleringsprestanda. Faktorer som orsakar isoleringsnedbrytning inkluderar: SF6-gasläckage; polymerisolering eller tätningsmaterial som har viss permeabilitet för olika gaser (som vattenånga), vilket leder till oacceptabel kondensation på behållarens inre väggar; kontroll av fuktighetshalt i SF6-gas; och sprickor i isoleringskomponenter.

För att förhindra isoleringsnedbrytning måste motsvarande åtgärder tas, såsom: tillverka gasbehållaren av rostfritt stål med full svetsning, utan några sigillade öppningar; tillverka kabelanslutningshuskopplingar av epoxigravlade resiner och svetsa dem integralt till behållaren; förstärka gasbehållarens täthet för att minimera vattenångapermeabilitet; regelbundet mäta fuktighetshalt med en SF6 fuktighetsmätare, placera en lämplig mängd torrmedel i den sigillade behållaren, och strikt baka alla komponenter enligt specificerad temperatur och tid; vid evakuering och påfyllning av SF6-strömbrytare, rengöra påfyllningslinjerna med högpurifierad N2 eller SF6-gas; och minimera intern mekanisk stress i isoleringskomponenter för att förhindra åldring och sprickbildning. Dessa åtgärder kommer effektivt att förbättra isolerings pålitlighet.

3. Slutsats

Även om struktur och isoleringsdesign för 24kV högspänningsutrustning baseras på 12kV utrustning, är kraven mycket högre. Dessutom, på grund av otillräcklig praktisk drifts erfarenhet, måste alla påverkande faktorer fullt beaktas under designprocessen för att uppfylla produktnormer.