Aarding aan busbarzijde voor 24kV milieuvriendelijke RMU's: Waarom & Hoe

De combinatie van vaste isolatie en droge luchtisolatie is een ontwikkelingsrichting voor 24 kV ringhoofdschakelkasten. Door de balans tussen isolatieprestaties en compactheid te behouden, stelt de toepassing van vaste hulpisolatie in staat om isolatietests te doorstaan zonder de fase-tot-fase of fase-tot-aarde afmetingen aanzienlijk te verhogen. De verpakking van de paal kan de isolatie van de vacuümonderbreker en de daaraan verbonden geleiders aanspreken.

Voor de 24 kV uitgaande busbar, met de faseruimte op 110 mm, kan het vulkaniseren van de busbaroppervlakte de elektrische veldsterkte en de coëfficiënt van elektrisch veldongelijkmatigheid verminderen. Tabel 4 berekent het elektrische veld onder verschillende faseruimtes en busbarisolatiediktes. Het blijkt dat door de faseruimte passend te vergroten tot 130 mm en 5 mm epoxy vulkanisatiebehandeling toe te passen op de ronde busbar, de elektrische veldsterkte 2298 kV/m bereikt, wat nog een zekere marge heeft ten opzichte van de maximale elektrische veldsterkte van 3000 kV/m die droge lucht kan weerstaan.

Tabel 1 Elektrische veldomstandigheden onder verschillende faseruimtes en busbarisolatiediktes

Vanwege de lage diëlektrische sterkte van droge lucht kan vaste isolatie het probleem van spanningstesten bij de isolatieonderbreking niet oplossen. Een dubbele-onderbreker gebruikt twee gasgappen in serie om de spanning effectief te verdelen. Elektrisch veldscherming en gradatiekransen worden ontworpen op plaatsen met geconcentreerd elektrisch veld, zoals de statische contacten van de isolator en de aardingsschakelaar, om de elektrische veldsterkte te verlagen en de grootte van de luchtkamer effectief te minimaliseren. Zoals weergegeven in Figuur 1, bereikt het dubbele-onderbreekmechanisme werkende, geïsoleerde en aangesloten staten door een versterkte rotatie van een nylon hoofdas. De gradatiekrans op de statische contacten heeft een diameter van 60 mm en wordt behandeld met epoxy vulkanisatie; een ruimte van 100 mm kan een blikseminslagspanning van 150 kV weerstaan.

Andere oplossingen, zoals een longitudinale single-phase opstelling met behulp van hoogwaardige legering behuizingen voor elke fase of een matige verhoging van de gasspanning, kunnen ook voldoen aan de 24 kV diëlektrische eisen. Echter, ringhoofdschakelkasten (RMUs) vereisen een lage kosten, en buitensporig hoge kosten zijn onaanvaardbaar voor gebruikers. Door een geoptimaliseerd ontwerp en een matige verbreding van de RMU-kast, is het mogelijk om lage kosten en compacte 24 kV milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMUs te realiseren.

Aardingsschakelaaropstelling in milieuvriendelijke gas RMUs

Er zijn twee methoden in RMUs om de aardingfunctie in het hoofdcircuit te realiseren:

• Uitgaande lijn zijde aardingsschakelaar (onderste aardingsschakelaar)

• Busbar zijde aardingsschakelaar (bovenste aardingsschakelaar)

De busbar zijde aardingsschakelaar kan als klasse E0 worden geselecteerd, wat vereist dat deze tijdens bedrijf wordt gecoördineerd met de hoofdschakelaar. Volgens de Genormaliseerde Ontwerpschema's voor 12 kV Ringhoofdschakelkasten (Boxen) uitgegeven door State Grid in 2022, met betrekking tot drie-positie schakelaars, specificeert het schema dat drie-positie schakelaars een busbar zijde opstelling moeten aannemen en herdefinieert ze als "busbar zijde gecombineerde functionele aardingsschakelaars."

Elektriciteitsveiligheidsvoorschriften stipuleren dat er geen circuitbreker of fusie mag zijn tussen aardingdraden, aardingsschakelaars en apparatuur onderhoud. Indien, vanwege apparatuurrestricties, een circuitbreker bestaat tussen de aardingsschakelaar en de apparatuur onderhoud, moeten maatregelen worden genomen om te waarborgen dat de circuitbreker niet kan openen nadat zowel de aardingsschakelaar als de circuitbreker zijn gesloten.

Daarom bevindt zich de lijnzijde aardingsschakelaar stroomafwaarts van de circuitbreker. Het verbindt direct met de uitgaande kabel die wordt aangesloten, waarmee aan de eis wordt voldaan dat er geen circuitbreker of fusie bestaat tussen het aardpunt, de aardingsschakelaar en de apparatuur onderhoud. Daarentegen bevindt zich de busbar zijde aardingsschakelaar stroomopwaarts van de circuitbreker. Er is een vacuüm circuitbreker tussen de aardingsschakelaar en de uitgaande kabel die wordt aangesloten—het verbindt niet direct. Aangezien er een circuitbreker ligt tussen de aardingsschakelaar en de apparatuur onderhoud, moeten maatregelen worden genomen om te voorkomen dat de circuitbreker opent wanneer zowel de aardingsschakelaar als de circuitbreker zijn gesloten. Bijvoorbeeld, het uitschakelingsschakeling van de circuitbreker kan worden losgekoppeld via een koppelplaat, of mechanische middelen kunnen worden gebruikt om onbedoelde uitschakeling te voorkomen, waardoor een ongewenste verbinding van het aardpad wordt voorkomen.

Het Genormaliseerde Ontwerpschema van State Grid specificeert ook interlocking eisen voor de busbar zijde gecombineerde functionele aardingsschakelaar. Wanneer de gecombineerde functionele aardingsschakelaar aan de busbar zijde sluiting van de circuitbreker gebruikt om aarding van de kabelzijde te realiseren, moet het zowel mechanische als elektrische interlocks bevatten om handmatige of elektrische opening van de circuitbreker te voorkomen.

State Grid kiest de busbar zijde drie-positie isolatie/aardingsschakelaar voornamelijk vanwege de kortsluitcapaciteit (sluiten). In SF6-geïsoleerde RMUs profiteert de aardingsschakelaar van het feit dat de diëlektrische sterkte van SF6 ongeveer drie keer zo groot is als die van lucht en de boogdoofcapaciteit ongeveer 100 keer groter dan die van lucht, dankzij superieure boogkoeling. Hierdoor wordt de sluitcapaciteit van de aardingsschakelaar betrouwbaar gewaarborgd.

In tegenstelling hiermee hebben milieuvriendelijke gassen geen boogdoofcapaciteit en een lagere isolatieprestatie. Daarom is een zeer hoge sluitsnelheid vereist. Echter, RMU-bedieningsmechanismen hebben beperkte energie en kunnen niet voldoende kracht leveren voor snelle sluiting. Het gebruik van een lijnzijde aardingsschakelaar zou een verhoogde sluitsnelheid en verbeterde boogbestendigheid en elektrodynamische analyse van de contacten vereisen, wat potentieel kan leiden tot grotere bedieningskrachten en hogere kosten. De busbar zijde aardingsschakelaar, door het interlockprobleem van de circuitbreker op te lossen, kan nog steeds betrouwbare aarding garanderen terwijl een sterkere sluitcapaciteit wordt geboden.

Door technische en productanalyse van SF6 versus milieuvriendelijke gassen, kan worden gezien dat 12 kV milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMUs de isolatie- en temperatuurstijgingseisen kunnen voldoen met slechts een kleine toename in afmetingen, wat wijst op volwassen technische oplossingen.

Echter, er zijn weinig 24 kV milieuvriendelijke gasgeïsoleerde producten beschikbaar. De kernuitdaging ligt in de hogere spanningklasse, wat leidt tot aanzienlijk toegenomen afmetingen. Excessieve grootte en hoge prijs zullen de ontwikkeling van 24 kV milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMUs beperken. Een evenwichtige benadering die rekening houdt met het type inslaggas, vullingsdruk, behuizingvolume en hulpisolatiekosten, is nodig om lage kosten, compacte RMUs te ontwerpen. Alleen dan kan een echte vervanging van SF6 worden bereikt—wat niet alleen marktleiderschap binnen China, maar ook wereldwijde export mogelijk maakt, en de promotie van Chinees laag-koolstof, milieuvriendelijke elektrische apparatuur wereldwijd.