Recerca sobre equipament de transmissió a ultra-altes tensions aïllat amb gas

Per respondre activament als requisits de desenvolupament de la indústria elèctrica, la nostra companyia ha intensificat la seva investigació sobre els errors en la construcció de xarxes en una certa àrea i ha proporcionat suport d'operacions i manteniment per als projectes de transmissió i transformació UHV DC en regions d'alta muntanya mitjançant l'instal·lació i optimització dels esquemes de disseny d'equipaments de transmissió UHV. La superfície total del lloc de construcció és de 2.541,22 m², amb una superfície neta de 2.539,22 m². Els estrats geològics al lloc de construcció, enumerats de dalt a baix, consisteixen en terra fangosa, lluïm, paleosol i argila siliciosa—quatre capes de terra de base. La geologia és complexa i ha estat sotmesa a efectes de llarga durada a alta muntanya, el que pot conduir fàcilment a fallades de les línies de transmissió.

En aquest context, la nostra companyia va realitzar càlculs del projecte i va determinar que el coeficient de construcció del projecte és del 61,48%, i la profunditat de la taula d'aigües subterrànies es troba entre 8,8 i 8,9 m, el que presenta un cert grau de corrosivitat per a les estructures de formigó del projecte. La nostra companyia es centra principalment en un projecte de transmissió i transformació de 110 kV, i l'escala de la construcció es mostra a la Taula 1.

Taula 1: Escala de Construcció del Projecte de Transmissió Isolada a Gas UHV

A més a més, la nostra companyia també necessita reforçar la consideració de l'interval de resistència a la pressió dels equips de transmissió d'aislament de gas UHV i aplicar de manera raonable els aïlladors post i els aïlladors de tipus cuirassó per assegurar el funcionament estable a llarg termini dels transformadors.

1. Desenvolupament d'un model de resistència de contacte
Com que és propens a succeir una sobrecàrrega de corrent a través de conductors portadors de corrent durant l'operació d'aquest projecte, és necessari evitar la formació de punts conductors. Això es pot aconseguir millorant la comprensió de l'àrea del punt i assolint una comprensió del comportament de restricció de les rutes de corrent [1]. Així, intensificant l'observació in situ per entendre els canvis en les línies de corrent circumdants, es pot analitzar a un nivell microscòpic la distribució de la superfície del terra, la corrent de terra, la font d'energia i els punts de radiotransmissió remota, permetent una comprensió exhaustiva dels problemes d'irregularitat que ocorren a les superfícies de contacte, tal com es mostra a la Figura 1.

Establint un model de contacte, aquest article, en combinació amb l'aplicació d'equips de transmissió d'aislament de gas UHV, defineix la resistència de restricció real d'un sol punt de contacte com:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
on: Re representa la resistència de restricció d'un sol punt de contacte; ρ₁ i ρ₂ són les resistivitats dels materials en contacte; i α denota el radi del punt de contacte.

Així, es pot analitzar amb precisió la magnitud de la resistència de contacte mitjançant un mètode de correcció basat en el contorn de dits de contacte de tipus cinta. A més, examinant els paràmetres dels materials dels equips de transmissió d'aislament en l'àrea de contacte, es pot determinar quin material s'hauria d'utilitzar per la connexió, tal com es mostra a la Taula 2.

El rang de resistència a la pressió dels equips de transmissió aïllats a gas d'UHV és de 1.000 kV, amb una tensió màxima de resistència de 1.683 kV, assegurant la seguretat de la transmissió d'energia. La seva capacitat de transmissió pot arribar a 2,4 a 5 vegades la de la transmissió EHV de 500 kV. Es fa servir gas pur SF₆ com a mitjà aïllant, amb una pressió de ompliment de 0,3–0,4 MPa. Amb el GIL (Línia Aïllada a Gas) de segona generació, es fa servir una barreja volumètrica del 20% de SF₆ i el 80% de N₂ com a mitjà aïllant, amb una pressió de ompliment de 0,7–0,8 MPa. Alternativament, es pot utilitzar aire comprimit sec i net com a mitjà, amb una pressió de ompliment de 1–1,5 MPa. Per tant, la tria del gas aïllant s'ha de determinar segons les condicions en lloc per assegurar el funcionament estable dels equips de transmissió aïllats a gas d'UHV al projecte. La pressió de treball del gas també pot incrementar-se convenientment, i es poden adoptar mètodes d'instal·lació elevada per assegurar que l'equip sigui adequat per al nivell de tensió UHV actual.

El personal també hauria de prestar atenció especial a l'estat de connexió de les juntes dels materials principals en els equips de transmissió aïllats a gas d'UHV per augmentar la seva capacitat de suport. També cal calcular la raó de finor dels elements estructurals principals:
λ₀ = kL₀ / r,
on: λ₀ denota la raó de finor de l'element principal connectat; k és el coeficient de correcció; L₀ és la longitud de l'element principal dels equips de transmissió aïllats a gas d'UHV; i r és el radi de giro de l'element principal.

2.Mesures d'aplicació per als equips de transmissió aïllats a gas d'UHV

2.1 Verificació de la tensió de la bus duct i del conductor
En l'aplicació dels equips de transmissió aïllats a gas d'UHV, també s'ha de tenir en compte l'estat de tensió de la bus duct tubular. La pressió interna és de 0,6 MPa, i l'elevació central de la bus duct és de 7,7 m. En el sistema de transmissió exterior existent, l'amplada màxima entre dos suports és de 12 m. La força externa que actua sobre el conductor també és de 0,6 MPa, i la tensió admissible per ambdós components és de 110 MPa. A més, el sistema de transmissió està fixat mitjançant aïlladors de suport de tres vies i conductors.

Primer, el diàmetre exterior de la bus duct és de 500 mm, i el diàmetre exterior del conductor és de 160 mm. Si hi ha pressió interna, el diàmetre exterior ha de romandre inalterat, i l'espessor de la paret s'ha d'incrementar convenientment, de 5 mm a 20 mm. Basant-se en la corba de variació de l'espessor de la tensió principal, es troba que la tensió inicial de la bus duct és de 18,45 MPa, representant el 16,71% de la tensió admissible del material; la tensió inicial del conductor és de 3,45 MPa, representant el 3,71% de la seva tensió admissible. Això indica que, quan el diàmetre exterior roman constant, l'espessor de la paret afecta significativament la resposta a la pressió, influint particularment en la primera tensió principal del tub. La pressió interna altera els valors de tensió de l'estructura del tub—especialment per a tubs de paret fina—and els mètodes d'avaluació GIL es poden utilitzar per determinar si la pressió afecta la bus duct i el conductor.

Segon, els tubs de conducció de pressió en els equips de transmissió aïllats a gas d'UHV, com els tubs de pressió i els risers d'alta tensió, afecten el rendiment operatiu. S'ha de realitzar un anàlisi de tensió de les estructures de tubs de conducció de pressió de paret fina utilitzant la fórmula següent per calcular la tensió normal circumferencial σₜ en la secció longitudinal del tub:
σₜ = ρD / (2δ),
on: ρ és la pressió interna del tub; D és el diàmetre interior del tub; i δ és l'espessor de la paret del tub. Com canvia el nivell de tensió, es prefereixen bosses de major diàmetre per a nivells de tensió més alts, mentre que bosses de menor diàmetre són suficients per a nivells de tensió més baixos.

2.2 Especificació de les característiques de contacte elèctric del gas
Els gasos primaris utilitzats en els equips de transmissió aïllats a gas d'UHV inclouen SF₆, barrejes de nitrogen-i oxigen, i N₂. S'ha de reforçar la recerca d'aquests gasos per entendre les seves diferències en les característiques de contacte elèctric. Per a dits de contacte en forma de cinta, es pot utilitzar SF₆ com a mitjà aïllant per aprofitar plenament les seves excel·lents propietats d'extinció d'arc i aïllament. La resistència total de contacte (Rₜ) s'utilitza per descriure el comportament elèctric de les estructures portadores de corrent:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
on: Rₚ és la resistència de massa; R꜀₁ és la resistència de contacte de l'electrode superior; i R꜀₂ és la resistència de contacte de l'electrode inferior. Així, es compren que la resistència dielèctrica de SF₆ depèn de la pressió del gas—més alta la pressió, més gran la resistència dielèctrica.

2.3 Optimització del disseny de la separació de camp elèctric
Dins d'aquest projecte, el camp elèctric intern és lleugerament no uniforme, amb un coeficient de no uniformitat d'aproximadament 1,7. Si existeixen condicions de resistència a impulsos de llamp en la zona, això incrementarà la tensió en les línies de transmissió, amb un coeficient d'impuls de 1,25. Primer, basant-se en les condicions de resistència a la tensió de freqüència d'xarxa i impulsos de llamp en la regió, s'ha de confirmar que el valor màxim estigui dins del rang de 1,6–1,7 per assegurar el funcionament sense problemes dels equips de transmissió aïllats a gas d'UHV.

Entenent l'estructura cilíndrica coaxial, es pot calcular la intensitat del camp elèctric E(x) en la regió per identificar escenaris que requereixin optimització:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
on: x és la distància entre el conductor i l'enfonsament; U és la tensió aplicada a l'electrode; R és el radi interior de l'enfonsament; i r és el radi exterior del conductor central. Això permet avaluar si la superfície del conductor central pot ser daurada sota la màxima intensitat de camp. La seguretat del camp elèctric ha de controlar-se, i millorar-se'n el rendiment mecànic.

Durant l'establiment de l'infraestructura de camp elèctric, s'ha de verificar la capacitat de suport real dels equips de transmissió aïllats a gas d'UHV a nivell de base, i completar els càlculs de tensió:
P = A × F,
on: P és la capacitat de suport de l'equip; A és l'àrea transversal de la torre de transmissió; i F és la resistència del material. A més, si la base consta de fang siliciós, el subgrau ha de ser compactat abans de procedir a l'instal·lació de la línia elevada.

A través d'un disseny optimitzat, considerant l'estructura del producte i les capacitats de fabricació, es pot assegurar un alt rendiment aïllant sota condicions d'impuls de llamp. Segon, si el compartiment de gas és llarg, la instal·lació dels equips de transmissió aïllats a gas d'UHV es converteix en un repte. En aquests casos, la pressió de treball del gas local es pot ajustar a 0,4–0,5 MPa a través del disseny de la intensitat de camp, permetent que les partícules conductores operin normalment sota l'influència del camp elèctric sense induir descàrregues parcials o ruptura de la separació de gas.

Finalment, basant-nos en les condicions específiques de l'equipament d'aïllament a gas UHV, el diàmetre exterior de la barra conductora s'hauria de dissenyar com 130 mm, i el diàmetre interior de l'estuc com 480 mm. També s'ha de prestar atenció a la secció de connexió: l'espessor de la paret s'hauria de fixar entre 30-40 mm, i la separació ha de ser <1 mm. Si el radi de la xamfrà de la zona de connexió es fixa a 5 mm, es pot entendre millor la variació de la intensitat del camp elèctric—una intensitat de camp més alta propera a la xamfrà correspon a un radi més gran, mentre que una intensitat de camp més baixa correspon a un radi més petit. Sota el pressupost de controlar la concentració local del camp elèctric, s'ha d'evitar una intensitat de camp excessiva a la separació, permetent així un disseny preliminar de la connexió elèctrica per a l'equipament d'aïllament a gas UHV i satisfent els requisits de distribució del senyal del camp elèctric.

2.4 Disseny racional de l'aïllador
Com que els aïlladors en l'equipament d'aïllament a gas UHV operen prop del terra, la tensió de flama és inferior a la tensió de trencament de la separació, fent-ne un punt feble en l'aïllament elèctric. Per tant, s'han de reforçar les consideracions sobre la separació, i s'ha d'entendre la intensitat del camp elèctric en condicions d'impuls de llamp per a poder dissenyar correctament els components aïllants.

2.4.1 Control reforçat de la intensitat del camp dels aïlladors
Basant-nos en les condicions de construcció del projecte, la nostra companyia ha estudiat els fenòmens de flama a la superfície dels aïlladors, incloent-hi els efectes del material, estructura i càrrega superficial dels aïlladors. També s'ha de evitar la contaminació per partícules metàl·liques. Es garanteix una estructura raonable per a l'equipament d'aïllament a gas UHV combinant el gas SF₆, materials aïllants i components integrats. Fent servir l'experiència passada en el disseny d'aïlladors, la intensitat del camp durant l'operació es pot limitar a la meitat de la separació del camp elèctric normal d'operació. Per a l'equipament aïllat purament amb SF₆, la pressió del gas d'operació es pot mantenir entre 0,4-0,5 MPa.

La intensitat del camp elèctric vertical (Eₛ) es pot calcular mitjançant:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
on p és la pressió del gas. Així, depenent de la tensió suportada pel equipament, la intensitat del camp de disseny a la superfície del conductor central es pot controlar dins de 19,9–24,5 kV/mm, mentre que la intensitat del camp a la superfície de l'aïllador no hauria de superar els 10 kV/mm. Assegurar que els aïlladors estan integrats internament dins del camp elèctric evita augmentos bruts de la intensitat del camp sota l'influència de l'UHV, reduint el risc de fallida de l'aïllament i permetent l'aplicació a llarg termini de l'equipament de transmissió aïllat a gas UHV al projecte.

2.4.2 Disseny optimitzat d'aïlladors de tipus cuira
Davant la complexitat del terreny del projecte i la necessitat de simulació del camp elèctric, el disseny dels aïlladors de tipus cuira ha de ser reforçat—específicament eliminant els electrodes d'escudat. Aquesta estructura permet observar la intensitat del camp elèctric propera al costat del conductor d'alta tensió de l'aïllador. Si la intensitat del camp és alta, es troba que el valor màxim a la superfície convexa és de 12,7 kV/mm i 13 kV/mm a la superfície còncava; superar aquests límits indica un funcionament anormal. Quan la intensitat del camp elèctric propera a l'aïllador és alta, la tensió de funcionament de freqüència industrial màxima s'hauria de mantenir per sota de 3,4 kV/mm. L'instal·lació d'electrodes d'escudat en els aïlladors de tipus cuira optimitza i simula més aviat el camp elèctric.

Seguint els mètodes de connexió elèctrica anteriors, la mida de l'electrode d'escudat s'hauria de controlar amb cura, i el connector de connexió elèctrica s'hauria de col·locar a la xamfrà de l'aïllador de tipus cuira per enfatitzar l'efecte d'escudat de l'electrode, millorant així la distribució del camp elèctric de l'equipament de transmissió aïllat a gas UHV.

3. Conclusió
Per complir amb els requisits de desenvolupament integral de les empreses elèctriques, la nostra companyia ha de reforçar encara més la recerca en l'equipament de transmissió aïllat a gas UHV. Basant-nos en les condicions d'operació específiques, els problemes s'han d'anàlisi i abordar mitjançant mètodes com l'establiment d'un model de resistència de contacte, la verificació de l'estressatge de la barra de bus i el conductor, la clarificació de les característiques de contacte elèctric del gas, l'optimització del disseny de la separació del camp elèctric i el disseny racional dels aïlladors—prolongant així la vida útil del equipament.