Analiza techniczna wytrzymałości na wewnętrzne uszkodzenia łukowe i optymalizacja całkowicie izolowanych gazowych jednostek pierścieniowych (RMU) z SF6

Pełnie izolowane jednostki pierścieniowe gazowe SF6 (dalej nazywane RMU) głównie składają się z jednostek przełączników obciążeniowych i połączeń kombinowanych wysokiego napięcia AC, składających się z przełącznika obciążeniowego i bezpieczników (dalej nazywane połączeniami kombinowanymi). W zależności od wymagań użytkownika mogą być skonfigurowane jako struktury o wspólnej zbiorniku lub modułowe.

W praktycznych zastosowaniach inżynieryjnych, połączenia elektryczne są zwykle ustanawiane przy użyciu przewodów szynowych z wypełnieniem stałym montowanym na górze lub przewodów szynowych wtykowych montowanych bocznie. Spośród różnych parametrów technicznych, prąd przesyłany przez jednostkę połączenia kombinowanego oraz zdolność do zamykania jednostki przełącznika obciążeniowego stanowią kluczowe wyzwania w rozwoju. Ponadto, ze względu na rosnące obawy dotyczące bezpieczeństwa, wewnętrzne uszkodzenia łuku elektrycznego coraz częściej zwracają uwagę użytkowników w ostatnich latach.

1. Analiza problemów technicznych

Podczas opracowywania i produkcji RMU należy starannie uwzględnić następujące aspekty:

1.1 Prąd przesyłany

Prąd przesyłany przez połączenie kombinowane to trójfazowy symetryczny prąd, przy którym funkcja przerwania przechodzi z bezpiecznika na przełącznik obciążeniowy. Dla prądów przekraczających tę wartość, przerwanie jest realizowane wyłącznie przez bezpieczniki. W niższych zakresach prądów uszkodzeniowych, czasy topienia się trójfazowych bezpieczników różnią się naturalnie. Bezpiecznik, który stopi się najpierw, przerwie pierwszy, a jego uderzacz aktywuje mechanizm wyłączania, otwierając przełącznik obciążeniowy.

Przerwanie pozostałych dwóch faz zależy od porównania rzeczywistych charakterystyk czas-prąd ich odpowiednich bezpieczników (gdzie prąd w pozostałych dwóch fazach wynosi około 87% prądu trójfazowego) i czasu otwarcia przełącznika obciążeniowego uruchomionego przez uderzacz pierwszego przerwającego bezpiecznika. Jeśli topienie się bezpiecznika jest opóźnione, pozostałe dwie fazy są przerwane przez przełącznik obciążeniowy. W ten sposób, przerwanie prądu uszkodzeniowego w tym zakresie jest dzielone między bezpiecznik a przełącznik obciążeniowy.

Prąd przesyłany przez połączenie kombinowane jest określany przez dwa kluczowe czynniki: czas wyłączania przełącznika obciążeniowego uruchomionego przez uderzacz bezpiecznika i rzeczywiste charakterystyki czas-prąd bezpiecznika. Nominalny prąd przesyłany jest kluczowym parametrem technicznym, reprezentującym maksymalny prąd, który przełącznik obciążeniowy może bezpiecznie przerwać. Przy wyborze ograniczających prąd bezpieczników, ich charakterystyki czas-prąd muszą być ocenione, aby upewnić się, że wynikający prąd przesyłany jest poniżej nominalnego prądu przesyłanego przez połączenie kombinowane. Zapewnia to niezawodną i bezpieczną koordynację między przełącznikiem obciążeniowym a bezpiecznikiem, umożliwiając skuteczną ochronę transformatorów.

1.2 Zdolność do zamykania

Podczas testowania przełączników obciążeniowych, czasami występują nieudane operacje zamykania, które zazwyczaj dzielą się na dwie kategorie: nieprzestrzeganie wymaganej liczby operacji zamykania lub niemożliwość zamykania przy nominalnym prądzie krótkiego zwarcia. Analiza wyników testów wskazuje, że takie awarie są przede wszystkim spowodowane nadmiernym zużyciem głównych kontaktów, co zmniejsza ich zdolność do przeprowadzenia nominalnego prądu krótkiego zwarcia.

Dlatego minimalizacja lub zapobieganie zużyciu głównych kontaktów jest kluczowa dla osiągnięcia udanych wyników testów. Badania i szeroko zakrojone testy wykazały, że dodanie pomocniczych kontaktów wykonanych z wysokotopliwej miedzi-chromowej do oryginalnych głównych kontaktów może pośrednio chronić mainowe kontakty z miedzi o niższej temperaturze topnienia. Konkretna metoda projektowania może być elastycznie dostosowana w zależności od używanej struktury kontaktów – czy to ruchu liniowego, czy typu ostrza obrotowego.

2. Wytrzymałość na wewnętrzne uszkodzenia łuku elektrycznego

Łuk elektryczny gwałtownie reaguje z otaczającym powietrzem, powodując szybkie wzrosty temperatury i ciśnienia. Jeśli nie zostanie prawidłowo zatrzymany, może stanowić poważne zagrożenie dla personelu i sprzętu. Testy wewnętrznych uszkodzeń łuku elektrycznego powinny być przeprowadzane oddzielnie dla komory gazowej (komory przełącznika) i komory kablowej RMU. Aby przejść test, należy spełnić następujące kryteria:

• Paneli i drzwi szafy przełącznika muszą pozostawać zamknięte; dopuszczalna jest ograniczona deformacja.

• Obudowa nie może pęknąć, a żaden fragment cięższy niż 60 g nie może zostać wyrzucony.

• Na dostępnych powierzchniach szafy przełącznika do wysokości 2 m nie mogą powstać otwory.

• Poziome i pionowe wskaźniki używane podczas testu nie mogą być zapalone przez gorące gazy.

• Obudowa musi pozostać połączona z punktem ziemnym przez cały czas trwania testu.

2.1 Nominalny prąd przerwania krótkiego zwarcia

Nominalny prąd przerwania krótkiego zwarcia połączenia kombinowanego jest określany przez wybrany bezpiecznik. Należy uwzględnić następujące kwestie:

• Nominalny prąd przerwania krótkiego zwarcia bezpiecznika musi być większy lub równy maksymalnemu potencjalnemu prądowi uszkodzeniowemu w punkcie instalacji w systemie dystrybucji.

• Nominalny prąd przerwania krótkiego zwarcia bezpiecznika musi być rozsądnie dopasowany do nominalnego prądu krótkotrwałej wytrzymałości przełącznika obciążeniowego w połączeniu kombinowanym.

• Trzy bezpieczniki tego samego modelu i specyfikacji muszą być zainstalowane; w przeciwnym razie, wydajność przerwania może być negatywnie wpływać.

• Bezpieczniki muszą być poprawnie i w pełni zainstalowane, aby zapewnić, że uderzacz aktywuje się w odpowiednim momencie i niezawodnie uruchamia mechanizm wyłączania przełącznika obciążeniowego.

• Po działaniu jednego lub dwóch bezpieczników, wszystkie trzy powinny być zastąpione, chyba że jest pewne, że nieprzewodzone bezpieczniki nie nosiły prądu.

2.2 Działanie na dużych wysokościach

Projekt hermetycznych komór gazowych w RMU jest zwykle oparty na działaniu na wysokościach poniżej 1000 m. Na wyższych wysokościach powietrze staje się cieńsze, a ciśnienie atmosferyczne maleje. Ponieważ gęstość gazu wewnątrz pozostaje stała, względnego ciśnienia w hermetycznej komorze zwiększa się. Może to prowadzić do zwiększenia mechanicznego naprężenia na obudowie, powodując jej deformację i wyższe ryzyko wycieku gazu. W takich przypadkach, siłę obudowy należy odpowiednio wzmocnić i zweryfikować poprzez testy. Redukcja ciśnienia wypełnienia gazu (lub gęstości) nie jest naukowo uzasadniona ani zalecana.

2.3 Kontrola zawartości wilgoci

Paragraf 6.5.1 standardu DL/T 791-2001, "Wytyczne dla wyboru wewnętrznego gazowego aparatu przełącznikowego", określa zawartość wilgoci w komorach gazowych: "Gdy nominalne ciśnienie wypełnienia nie przekracza 0,05 MPa, zawartość wilgoci nie powinna przekraczać 2000 μL/L (objętościowo)." Inne standardy nie dostarczają konkretnych wskazówek. W produkcji RMU kontrolowanie zawartości wilgoci na poziomie 1000 μL/L (przy 20°C) uważa się za rozsądne, oparte na następujących założeniach:

• Przełącznik obciążeniowy przerzuca stosunkowo małe prądy (630 A), z maksymalnym prądem przesyłanym (około 1500-2200 A).

• Ciśnienie wypełnienia jest niskie (nominalne 0,03-0,05 MPa), znacznie niższe niż w wysokonapięciowych GIS (około 0,5 MPa).

• Właściwości szczelności są doskonałe, co powoduje bardzo wolne przedostawanie się wilgoci z zewnątrz.

• Wyniki testów pokazują minimalne produkty rozkładu SF6 po przerwaniu.

• Podczas testów, próbki nie były celowo kontrolowane pod kątem wilgoci, jednak nie zaobserwowano awarii spowodowanych nadmierną wilgocią.

Dlatego całkowite zaniedbanie kontroli wilgoci podczas produkcji jest nieuzasadnione, podobnie jak ścisłe przestrzeganie limitów opartych na izolacji bez uwzględniania wymogów gaszenia łuku. Na podstawie wieloletnich praktycznych doświadczeń produkcyjnych i eksploatacyjnych, utrzymanie zawartości wilgoci na poziomie 1000 μL/L (przy 20°C) podczas produkcji jest technicznie uzasadnione i rozsądne.

3. Podsumowanie

RMU są produkowane i eksploatowane w Chinach od wielu lat, demonstrując dojrzałą technologię, stabilne działanie i silną akceptację rynkową. Mamy nadzieję, że więcej producentów wejdzie na ten rynek i będzie kontynuować eksplorację, dyskusję i wymianę poglądów na temat napotkanych wyzwań technicznych w badaniach, produkcji i eksploatacji, co zbiorowo przyczyni się do postępu technologicznego RMU i promowania ciągłych ulepszeń.