Nykyinen tilanne ja kehityssuunta korkeajännite-SF6-pyysteissä

Korkeajännitepistorasiaat, myös tunnettu nimellä korkeajännitesulautimet, omaavat riittävät katkaisu- ja kaaripäästöjen sammutuskyvyt. Ne voivat katkaista ja sulkea sekä tyhjiä kuljetusvirtaa että kuormituksen virtaa korkeajänniteverkoissa, mutta myös nopeasti katkaista virhevirtauksen, kun järjestelmässä tapahtuu vika, yhteistyössä suojalaitteiden ja automaattisten laitteiden kanssa. Tämä vähentää sähkökatkosten aluetta ja estää onnettomuuden laajentumista. Tämä on erittäin tärkeää sähköjärjestelmän turvallisen toiminnan varmistamiseksi.

Korkeajännitepistorasiaat ovat kehittyneet öljypistorasiaista, tiivistettyä ilmaa käyttävistä pistorasiaista, tyhjiöpistorasiaista ja SF₆-pistorasiaista. Niistä ensimmäiset kaksi tyyppiä on vähitellen poistettu käytöstä, ja SF₆-pistorasiaat ovat enemmän käytettyjä verrattuna viimeisiin kahden tyyppiin. SF₆-pistorasiaat otettiin laajasti käyttöön 1970-luvun alussa. Ne käyttävät hapsiksi hexafluorida kaaripäästöjen sammutusvälineenä. Tämäntyyppinen pistorasiolla on suuri katkaisukyky. Vapaissa katkaisutilanteissa sen katkaisukyky on noin kymmenkertainen verrattuna muihin pistorasiaihin. Se on keskeisessä roolissa sähköjärjestelmän vakaudessa ja turvallisuudessa, ja sillä on myös merkitystä taloudellisesti ja yhteiskunnallisesti.

1. SF₆-pistorasien ominaisuudet

SF₆-pistorasit ovat öljöttömiä kytkentälaitteita, jotka käyttävät SF₆-kaasua sekä eristämis- että kaaripäästöjen sammutusvälineenä. Niiden eristysominaisuudet ja kaaripäästöjen sammutusominaisuudet ovat huomattavasti parempia kuin öljypistorasien. Hapsiksi hexafluoridi pistorasilla on seuraavat ominaisuudet:

• Vahva kaaripäästöjen sammutuskyky, korkea dielektrinen vahvuus ja korkea katkaisupisteen sijainti. Tämän seurauksena samaa arvoitusluokkaa varten tarvittavien sarjaan kytkettyjen pistemäärän voidaan vähentää, mikä parantaa tuotteen taloudellista suorituskykyä.

• Pitkä sähköinen elinkaari. Se voi jatkuvasti katkaista täysi kapasiteettia 50kA 19 kertaa, ja kertymäkatkaisuvirta voi saavuttaa 4200kA. Huoltoväli on pitkä, ja se sopii useaan toistuvaan käyttöön.

• Hyvä katkaisusuorituskyky. SF₆-kaasun elektronegatiivisuuden vuoksi sillä on vahva vapaiden elektronien imeytymiskyky. SF₆:ssä muodostuva kaari edistää "kaaripylvään rakenne" (kaarin ydin ja kaarin kuori). Ionisoituneen plasman levittäminen rajoitetaan, mikä mahdollistaa tehokkaan ionien rekombinaation. Katkaisuvirta on suuri, saavuttaen 80-100kA, ja jopa 200kA. Kaaripäästöjen sammutusaika on lyhyt, yleensä 5-15ms. Samalla kaaripäästöjen sammutusominaisuudet ovat hyvät myös vastakappaleen katkaisussa, lähellä olevissa vikoissa, tyhjissä pitkissä johtoissa ja muuntajan tyhjällä tilassa.

• Korkea eristysominaisuus. SF₆:n eristysvahvuus on noin 5-10 kertaa ilman verratta.

• SF₆-kaasu on väritön, hajuton, myrkyttömä, syttyvä ja hyvin vakaa kaasu, joka ei reagoi helposti muihin aineisiin. Lisäksi, kun pistorasi avataan, kaarin lämmityksen aiheuttama paineen nousu on hyvin pieni, mikä takaa luotettavan toiminnan ja estää räjähdysongelmat.

2. Korkeajännite SF₆-pistorasien kehitys
2.1 Kaksipaineiset SF₆-pistorasit

Pistorasissa on asennettu kaksi SF₆-kaasujärjestelmää (korkeapaineinen järjestelmä ja matalapaineinen järjestelmä). Ainoastaan avaustilanteessa korkeapaineinen kammio virtaa matalapaineiseen kammioon tuulenohjausventtiilin avulla muodostaen korkeapaineisen kaasuvirtauksen. Kun katkaisu on valmis, tuulenohjausventtiili suljetaan. Kaaripäästöjen sammutuskammion periaate on, että kaasukompresori ja putket on yhdistetty korkeapaineisen kammion ja matalapaineisen kammion välillä. Kun korkeapaineisen kammion kaasupaine laskee tai matalapaineisen kammion kaasupaine nousee tiettyyn rajalle, kaasukompresori käynnistyy ja pumpaa SF₆-kaasua matalapaineisesta kammioon korkeapaineiseen kammioon, muodostaen automaattisen kierrätyskaasujärjestelmän.

2.2 Yksipaineiset SF₆-pistorasit

Yksipaineinen rakenne on yksinkertainen ja soveltuu laajaan lämpötilaväliin. Kaasukompresioon perustuvan tyypin kehitysvaiheet ovat olleet: kaaripäästöjen tuulenohjaamisessa ensimmäisen sukupolven yksipaineinen tyyppi on yksituulenohjausrakenne, jolla on pieni katkaisuvirta (yleensä 31.5kA) ja matala katkaisupisteen arvoitus (yleensä 170kV). Toisen sukupolven yksipaineinen tyyppi on kaksituulenohjausrakenne, jolla katkaisuvirta on kasvanut (40-50kA), ja katkaisupisteen arvoitus on edelleen matala. Yleensä 252kV tuotteilla on kaksi katkaisupistettä. Kolmannen sukupolven yksipaineinen tyyppi on kaksituulenohjausrakenne, jota lisätään lämpölaajenemiseffektillä (yhdistetty kaaripäästöjen sammutus). Katkaisuvirta on suuri, kasvanut 63kA, ja katkaisupisteen arvoitus on korkea. Yksi katkaisupiste voi saavuttaa 252kV, 363kV, 420kV, ja jopa 550kV.

Yksipaineisen tyypin kehityksessä, kaaripäästöjen sammutuskammion näkökulmasta, on käytetty pienempää kaasukompresiopistetta. Pienen pisteen käytön kaaripäästöjen sammutuskammiossa tuomat etumat ovat seuraavat:

• Tuotteen koko liikkuvan järjestelmän massa katkaisutilanteessa on vähentynyt.

• Tuotteen toimintavoima on vähentynyt.

• Tuotteen pehmeyttäminen on helpompaa, ja mekaaninen elinkaari on pitkä.

2.3 Itseenergiayksiköt SF₆-pistorasit

Itseenergiayksiköt SF₆-pistorasilla on kaksi kaaripäästöjen sammutusperiaatetta: lämpölaajenemisperiaate ja kaarin pyörähtelyperiaate. Nykyisin suurin osa itseenergiayksiköistä käyttää lämpölaajenemisperiaatetta. Itseenergiaperiaate on käyttää kaarin energiaa lämmittämään SF₆-kaasua laajenemiskammiossa, rakentaa painetta, muodostaa kaasuvirtaus, ja sammuttaa kaarin. Kuitenkin pieniä virtauksia katkaisuessa, pieni kaarin energia vaatii pieniä pistonpainevälineitä kaasun kompressoimiseen apua varten. Koska toimintavoima on merkittävästi vähentynyt, voidaan käyttää yksinkertaista kehitetyllä jousitoimintomekanismilla. Lämpölaajenemistyyppi on nyt kehittynyt toiseen sukupolveen. Ensimmäisen sukupolven tuotteet vähentävät toimintavoimaa pienentämällä kaaripäästöjen sammuttamiseen tarvittavaa kaasukompresioenergiaa. Kaasukompresiopiston halkaisija on suunniteltu 30 prosentin maksimivirhevirran katkaisuun, ja liikkuvan massan määrä on pieni, mikä vähentää toimintavoimaa. Toisen sukupolven tuotteet parantavat entisestään lämpölaajenemistehoa ja katkaisusuorituskykyä, parantamalla kapasitiivisen virran katkaisua ja vähentämällä toimintavoimaa entisestään.

2.4 Älykkäät SF₆-pistorasit

Toinen nykyaikaisen korkeajännitepistorasien ominaisuus on älykkyyden lisääntyminen, siirtyminen perinteisistä sähkömekaanisista järjestelmistä nykyaikaiseen tietokonekeskeiseen älykkääseen järjestelmään. Nykyisin korkeajännitepistorasien verkkopohjaiset havainnointisisällöt ovat seuraavat:

• SF6-kaasu;

• Toimintomekanismijärjestelmä;

• Vapautus;

• Ohjaus- ja apujärjestelmät;

• Tehonsiirtoketju.

Näiden havaintojen avulla voidaan havaita yli 90 prosenttia vikoista. Verkkopohjainen havainto voi muuttaa säännöllistä pistorasien huoltoa reaaliaikaiseksi tilaushuolloksi.

3. Porcelaanimuotoiset ja säiliömuotoiset SF₆-pistorasit ja niiden sovellukset

Kiina otti ensimmäisenä käyttöön SF₆-pistorasit vuonna 1970, kun Kiinan pohjoisosien sähköhallinto tuomasi kolme Siemensin tuottamaa H-912-mallista 220KV kaksipaineisia porcelaanimuotoisia SF₆-pistorasiaa ulkomailta ja asensi ne Shenyangan HuShitain päällysverkkoon. Ne toimivat edelleen hyvin tänä päivänä.

Korkeajännite hapsiksi hexafluoridi pistorasit jaetaan porcelaanimuotoisiin ja säiliömuotoisiin rakenteen mukaan. Vertaillessa kumpaakin, ne molemmat omistavat omia ominaisuuksia:

• Molemmat porcelaanimuotoiset ja säiliömuotoiset korkeajännite SF₆-pistorasit voivat täyttää korkean jänniteen ja suuren kapasiteetin vaatimukset. Porcelaanimuotoisen kaaripäästöjen sammutuskammio on asennettu eristyspisteen tueksi. Yhdistämällä kaaripäästöjen sammutuskammioita sarjassa ja asentamalla ne sopivaan korkeuteen eristyspisteen tuella, voidaan saavuttaa minkä tahansa arvoitusluokan arvo. Eristyspisteen tuella on usein porcelaanimuoto, ja orgaaniset komposit-tuet ovat myös ilmestyneet. Säiliömuotoisen kaaripäästöjen sammutuskammio on asennettu metalliseen säiliöön, joka on yhdistetty maapotentialiin. Korkean jänniteen alla useat kaaripäästöjen sammutuskammiot on yhdistettävä sarjassa ja asennettava samaan säiliöön jokaiselle vaiheelle.

• Sähkövirtapiirien asentaminen. Sähkövirtapiireiden asentamisessa porcelaanimuotoiset pistorasit ovat epäedullisessa asemassa. Koska porcelaanimuotoisen kaaripäästöjen sammutuskammio on asennettu sisäpiiriin ja eristyspisteen tueksi, sähkövirtapiiri on asennettava erillisesti omalla eristyspisteen tuella. Kuitenkin säiliömuotoisessa pistorasissa sähkövirtapiiri voidaan asentaa säiliön puskuriin. Jotkut sovelluksissa pistorasille ei tarvitse olla sähkövirtapiiri, erityisesti sen käytössä kondensaattoriverkon ja sidosreaktorin kytkentäpisteenä. Tässä porcelaanimuotoisen hinta on vain 60 prosenttia säiliömuotoisen pistorasin hinnasta, ja useiden katkaisupisteiden käytöllä se voi paremmin kestää uudelleenkytkennät.

• Ulkoinen sähkövirta. Ulkoisen sähkövirtan näkökulmasta, porcelaanimuotoisen pistorasin useat sarjassa yhdistetty kaaripäästöjen sammutuskammiot voivat täyttää minkä tahansa arvoitusluokan vaatimukset, mutta sen ulkoisen eristyskyvyn rajoittaa itse kaaripäästöjen sammutuskammion pituus. Säiliömuotoisessa pistorasissa, jos tarvittava eristyskyky vähentää katkaisupisteiden määrää voidaan kehittää, voidaan valmistaa eristyspuskuri. Siksi säiliömuotoisessa pistorasissa voidaan saavuttaa yksi katkaisupiste 550kV/63kA ja kaksi katkaisupistettä 1100kV/50kA.

• SF₆-kaasun kulutus. SF₆-kaasun kulutuksen näkökulmasta, porcelaanimuotoiset ovat parempia kuin säiliömuotoiset. Säiliömuotoisen pistorasin kaasukulutus on paljon suurempi kuin porcelaanimuotoisen.

• Ympäristösopeutuvuus. Ympäristösopeutuvuuden näkökulmasta, iso säiliömuotoisen pistorasin osoittaa etuja. Lämmityslaitteita voidaan asentaa säiliömuotoiseen pistorasiin, mutta ei porcelaanimuotoiseen.

• Maanjäristystä vastaan. Maanjäristystä vastaan säiliömuotoiset pistorasit ovat paljon parempia kuin porcelaanimuotoiset. Koska porcelaanimuotoisen pistorasin painopiste on korkealla, sen maanjäristystä vastaanotto on heikko.

• Hinta. Hinnan näkökulmasta, sama kapasiteetilla, porcelaanimuotoiset pistorasit ovat parempia kuin säiliömuotoiset. Yleensä säiliömuotoisen pistorasin hinta on noin 20 prosenttia korkeampi kuin porcelaanimuotoisen pistorasin hinnalla, jossa on ulkoinen sähkövirtapiiri (kuten SF₆-transformaattori).

4. Huomioitavaa SF₆-pistorasien käytössä ja huollossa

Jotta kaasun vuoto voidaan tiukasti hallita ja kosteuden ja silityksen sulkemista laatikossa estää, valmistusprosessi ja materiaalivaatimukset ovat paljon korkeammat kuin tavallisten korkeajännitepistorasien. Samalla erityinen SF₆-kaasujärjestelmä on tarpeen, mukaan lukien hyvin tiiviisti sulkeutuva venttiili, vuodon havaitsema laite, kaasun keräyslaitteet ja paineen valvonta. Lisäksi metallin suuren kulutuksen vuoksi valmistus on monimutkaisempi.

Puhtaa SF₆-kaasu on väritön, hajuton, myrkyttömä ja syttyvä. Kuitenkin hapsiksi hexafluoridin synteesissä muodostuvat alifluorideissä olevat saviateraktiiviset aineet ovat myrkyllisiä. Pistorasissa kaasu hajoaa ja ionisoituu kaaren korkean lämpötilan vuoksi, mikä tuottaa erittäin myrkyllisiä kaasuja. Siksi pistorasiin on asennettu imeytyslaitteita, ja aktivoitu aluminiimi on sijoitettu niiden sisään imeäkseen nämä myrkylliset kaasut.

Jopa näin, erityistä huomiota on kiinnitettävä myrkytyksen estämiseen huollon aikana. Siksi kaasun on evakuoitava ja puhdistettava kokonaan ennen työn aloittamista. Jos epämiellyttävä haju havaitaan, on käytettävä kaasumaskea ja kumihansikoita. Lisäksi kaaren hajoamisessa on myös metallifluorideja, jotka on hajossutettu pistorasissa jauheena. Vaikka nämä jauheet eivät ole erityisen myrkyllisiä, on varauduttava niiden hengitykselliseen hapsahduttamiseen puhdistuksen aikana.

5. Johtopäätös

Sähköjärjestelmän jännitteen jatkuvan nousun myötä, olipa kyse sitten porcelaanimuotoisista tai säiliömuotoisista SF₆-pistorasista, ne jatkuvat kehittymistä teknologian edistymisen myötä. Erityisesti viime vuosina on kehitetty ja sovellettu itseenergiayksikön kaaripäästöjen sammutusperiaatetta, eli korkeaa painetta käytetään kaasun tuulenohjaamiseen kaaripäästöjen sammuttamiseksi. Katkaisupisteiden määrä on vähentynyt, ja materiaalien kulutus on pienentynyt.

Sen korkeampaan hinnaan ja korkeampaan vaatimukseen SF₆-kaasun käytöstä, hallinnosta ja toiminnasta, se ei ole laajalti sovellettava keskijännitteeseen (35kV, 10kV). Yleisesti ottaen, korkeajännite SF₆-pistorasilla on laaja sovellusalansa, ja tuotteiden teknologian tutkimus, kehitys ja päivitys tuovat merkittäviä taloudellisia ja yhteiskunnallisia hyötyjä.