Výzkum vysoce vysokonapěťového plynově izolovaného přenosového zařízení

Aby aktivně reagovali na požadavky rozvoje energetického průmyslu, naše společnost zintenzivnila šetření poruch v elektrizační síti v určité oblasti a poskytla operační a údržbové podpory pro projekty DC UHV přenosu a transformace v oblastech s vysokou nadmořskou výškou prostřednictvím instalace a optimalizace návrhů schémat UHV přenosového zařízení. Celková plocha stavby je 2 541,22 m², čistá plocha pozemku činí 2 539,22 m². Geologické vrstvy na staveništi, uvedené od horní k dolní, se skládají z půdy podobné loessu, loessu, paleosolu a jílovité hlíny – čtyř vrstev základní půdy. Geologie je komplexní a dlouhodobě ovlivněna vysokou nadmořskou výškou, což snadno vedlo k poruchám přenosových linek.

V tomto kontextu provedla naše společnost projekční výpočty a zjistila, že koeficient využití pozemku projektu činí 61,48 % a hladina podzemní vody se pohybuje v rozmezí 8,8 až 8,9 m, což má určitou míru korozivního vlivu na betonové struktury v rámci projektu. Naše společnost se primárně zaměřuje na 110 kV projekt přenosu a transformace, a rozsah stavby je uveden v tabulce 1.

Tabulka 1: Rozsah stavby UHV projektu s plynnou izolací

Kromě toho musí naše společnost dále posílit zvážení rozsahu odolnosti proti tlaku UHV plynově izolované přenosové výzbroje a rozumně používat stojany a miskovité izolátory, aby zajistila dlouhodobou stabilní operaci transformátorů.

1. Vývoj modelu kontaktního odporu
Protože během provozu tohoto projektu se mohou objevit nadměrné proudy procházející vodiči, je třeba zabránit vzniku vedoucích skvrn. To lze dosáhnout posílením porozumění oblasti skvrny a pochopením chování cest proudu [1]. Tedy, posílením pozorování na místě k porozumění změnám okolních čar proudu, distribuce povrchu země, uzemňovacího proudu, zdroje energie a vzdálených bezdrátových bodů, lze analyzovat tyto prvky na mikroskopické úrovni, což umožňuje důkladné pochopení nerovnoměrností vystupujících na kontaktních povrchách, jak je znázorněno na obrázku 1.

Tím, že se vytvoří model kontaktu, tato práce, ve spojení s aplikací UHV plynově izolované přenosové výzbroje, definuje skutečný stlačovací odpor jednoho kontaktního místa jako:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
kde: Re reprezentuje stlačovací odpor jednoho kontaktního místa; ρ₁ a ρ₂ jsou elektrické vodivosti kontaktujících materiálů; a α označuje poloměr kontaktního místa.

Tímto způsobem lze přesně analyzovat velikost kontaktního odporu pomocí korekční metody založené na kontuře páskových kontaktových prstů. Dále, zkoumáním materiálových parametrů izolační přenosové výzbroje v kontaktní oblasti, lze určit, který materiál by měl být použit pro spojení, jak je uvedeno v tabulce 2.

Odpovídající rozsah výdrže na tlak UHV plynově izolovaného přenosového zařízení je 1 000 kV, s maximálním výdržovým napětím 1 683 kV, což zajišťuje bezpečnost přenosu energie. Jeho přenosová kapacita může dosáhnout 2,4 až 5 násobku přenosové kapacity EHV přenosu o napětí 500 kV. Používá se čistý plyn SF₆ jako izolační médium, s naplněním pod tlakem 0,3–0,4 MPa. S druhou generací GIL (plynově izolované linky) se používá směs 20 % SF₆ a 80 % N₂ podle objemové frakce jako izolační médium, s naplněním pod tlakem 0,7–0,8 MPa. Alternativně lze použít suchý a čistý stlačený vzduch jako médium, s naplněním pod tlakem 1–1,5 MPa. Proto by mělo být volba izolačního plynu určena podle místních podmínek, aby byla zajištěna stabilní funkce UHV plynově izolovaného přenosového zařízení v projektu. Tlak pracovního plynu může být také vhodně zvýšen, a mohou být použity metody povrchové instalace, aby bylo zařízení vhodné pro aktuální úroveň UHV napětí.

Personál by měl rovněž pečlivě sledovat stav spojení hlavních materiálů v UHV plynově izolovaném přenosovém zařízení, aby byla zvýšena jejich nosnost. Je třeba také vypočítat poměr jemnosti hlavních konstrukčních prvků:
λ₀ = kL₀ / r,
kde: λ₀ označuje poměr jemnosti spojeného hlavního prvku; k je koeficient korekce; L₀ je délka hlavního prvku UHV plynově izolovaného přenosového zařízení; a r je poloměr otáčení hlavního prvku.

2.Opatření pro použití UHV plynově izolovaného přenosového zařízení

2.1 Ověření napětí sběrnice a vodiče
Při použití UHV plynově izolovaného přenosového zařízení je třeba také zvážit stav napětí trubkové sběrnice. Vnitřní tlak je 0,6 MPa a centrální výška sběrnice je 7,7 m. V existujícím venkovním přenosovém systému je maximální rozpětí mezi dvěma oporami 12 m. Externí síla působící na vodič je také 0,6 MPa a dovolené napětí obou komponent je 110 MPa. Kromě toho je přenosový systém upevněn pomocí trojcestných oporných izolátorů a vodičů.

Za prvé, vnější průměr sběrnice je 500 mm a vnější průměr vodiče je 160 mm. Pokud je přítomen vnitřní tlak, musí zůstat vnější průměr nezměněn a hrubka stěny by měla být vhodně zvýšena – od 5 mm na 20 mm. Na základě křivky změny napětí a hrubky primárního napětí bylo zjištěno, že počáteční napětí sběrnice je 18,45 MPa, což představuje 16,71 % dovoleného napětí materiálu; počáteční napětí vodiče je 3,45 MPa, což představuje 3,71 % jeho dovoleného napětí. To naznačuje, že když zůstane vnější průměr nezměněn, má hrubka stěny významný vliv na reakci na tlak, zejména ovlivňuje první hlavní napětí trubky. Vnitřní tlak mění hodnoty napětí struktury potrubí – zejména pro tenkostěnná potrubí – a metody hodnocení GIL lze použít k určení, zda má tlak vliv na sběrnici a vodič.

Za druhé, tlaková potrubí v UHV plynově izolovaném přenosovém zařízení, jako jsou tlaková potrubí a vysokonapěťové vedení, ovlivňují provozní výkon. Analýza napětí tenkostěnných tlakových potrubí by měla být provedena pomocí následujícího vzorce pro výpočet kolmého normálního napětí σₜ na podélném řezu trubky:
σₜ = ρD / (2δ),
kde: ρ je vnitřní tlak trubky; D je vnitřní průměr trubky; a δ je hrubka stěny trubky. S ohledem na změnu napěťové úrovně se pro vyšší napěťové úrovně preferují větší průměry vedení, zatímco pro nižší napěťové úrovně stačí menší průměry vedení.

2.2 Zjasnění charakteristik elektrického kontaktu plynů
Pro UHV plynově izolované přenosové zařízení se jako hlavní plyny používají SF₆, směsi dusíku a kyslíku a N₂. Výzkum těchto plynů by měl být posílen, abychom lépe pochopili jejich rozdíly v charakteristikách elektrického kontaktu. Pro pásovité kontaktní prsty lze použít SF₆ jako izolační médium, aby byly plně využity jeho vynikající vlastnosti pro uhašení oblouku a izolaci. Celkový kontaktní odpor (Rₜ) se používá k popisu elektrického chování nosných struktur:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
kde: Rₚ je objemový odpor; R꜀₁ je kontaktní odpor horní elektrody; a R꜀₂ je kontaktní odpor spodní elektrody. Je tedy pochopeno, že dielektrická síla SF₆ závisí na tlaku plynu – čím vyšší tlak, tím větší dielektrická síla.

2.3 Optimalizace návrhu mezery elektrického pole
V tomto projektu je vnitřní elektrické pole mírně nerovnoměrné, s koeficientem nerovnoměrnosti přibližně 1,7. Pokud v oblasti existují podmínky pro odolnost proti bleskovému impulzu, zvýší to napětí na přenosových liniích, s impulzním koeficientem 1,25. Za prvé, na základě podmínek odolnosti proti síťovému napětí a bleskovému impulzu v oblasti by měla být potvrzena maximální hodnota v rozsahu 1,6–1,7, aby byla zajištěna bezchybná funkce UHV plynově izolovaného přenosového zařízení.

S ohledem na souosou válcovou strukturu lze vypočítat intenzitu elektrického pole E(x) v oblasti, aby byly identifikovány scénáře vyžadující optimalizaci:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
kde: x je vzdálenost mezi vodičem a obalem; U je napětí aplikované na elektrodu; R je vnitřní poloměr obalu; a r je vnější poloměr centrálního vodiče. To umožňuje posoudit, zda by se povrch centrálního vodiče mohl poškodit za maximální intenzity pole. Bezpečnost elektrického pole musí být kontrolována a mechanické vlastnosti zlepšeny.

Během instalace infrastruktury elektrického pole by měla být ověřena skutečná nosnost UHV plynově izolovaného přenosového zařízení na základní úrovni a dokončeny výpočty napětí:
P = A × F,
kde: P je nosnost zařízení; A je plocha průřezu přenosové věže; a F je síla materiálu. Kromě toho, pokud je základ tvořen jílovitou hlínou, musí být subsoil utěsněn před instalací povrchového vedení.

Optimalizovaný návrh zohledňující strukturu produktu a výrobní možnosti může zajistit vysokou izolační výkonnost za podmínek bleskového impulzu. Za druhé, pokud je plynová komora dlouhá, stává se instalace UHV plynově izolovaného přenosového zařízení obtížnou. V takových případech lze místní pracovní tlak nastavit na 0,4–0,5 MPa prostřednictvím návrhu intenzity pole, což umožní, aby vodičové částice fungovaly normálně pod vlivem elektrického pole, aniž by došlo k částečnému výboji nebo propadnutí plynové mezery.

Nakonec, na základě specifických podmínek UHV plynového izolačního zařízení by měl být vnější průměr vodiče navržen jako 130 mm a vnitřní průměr obalu jako 480 mm. Je třeba také věnovat pozornost části s přípojkou: tloušťka stěny by měla být nastavena na 30–40 mm a mezera musí být <1 mm. Pokud je vnější poloměr zaoblení v oblasti přípojky nastaven na 5 mm, lze lépe pochopit změnu síly elektrického pole—vyšší síla pole blízko zaoblení odpovídá většímu poloměru, zatímco nižší síla pole odpovídá menšímu poloměru. Za předpokladu kontroly lokální koncentrace elektrického pole musí být předekonán nadměrný stupeň pole v mezerě, což umožňuje předběžný návrh elektrotechnického spojení pro UHV plynové izolační zařízení a splňuje požadavky na distribuci signálů elektrického pole.

2.4 Racionální návrh izolátoru
Protože izolátory v UHV plynovém izolačním zařízení fungují u země, jejich úrazové napětí je nižší než napětí prolomu mezery, což z nich dělá slabé místo v elektrické izolaci. Proto je třeba posílit ohledy na mezery a pochopit sílu pole za podmínek bleskového impulzu, aby bylo možné správně navrhnout izolační komponenty.

2.4.1 Zlepšená kontrola síly pole izolátoru
Na základě podmínek stavby projektu se naše společnost zabývá studiem fenoménu úrazu po povrchu izolátoru, včetně vlivu materiálu izolátoru, struktury a povrchového náboje. Je třeba také vyhnout se kontaminaci kovovými částicemi. Racionální struktura UHV plynového izolačního zařízení je zajištěna kombinací plynem SF₆, izolačních materiálů a vestavěných komponent. Vycházejíc z minulých zkušeností s návrhem izolátoru lze omezit sílu pole během provozu na polovinu normální pracovní mezery elektrického pole. Pro čistě SF₆ izolační zařízení lze pracovní tlak plynu udržovat na 0,4–0,5 MPa.

Síla vertikálního elektrického pole (Eₛ) může být vypočtena pomocí:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
kde p je tlak plynu. Tedy, v závislosti na odolnosti zařízení proti napětí, lze návrh síly pole na povrchu centrálního vodiče omezit na 19,9–24,5 kV/mm, zatímco síla pole na povrchu izolátoru nesmí přesáhnout 10 kV/mm. Zajištění, že jsou izolátory vnitřně vestavěny do elektrického pole, zabrání náhlému nárůstu pole pod vlivem UHV, snižuje riziko selhání izolace a umožňuje dlouhodobé použití UHV plynového izolačního přenosového zařízení v projektu.

2.4.2 Optimalizovaný návrh misovitého izolátoru
Vzhledem k složitému terénu projektu a potřebě simulace elektrického pole je třeba zlepšit návrh misovitého izolátoru—specifikálně vypuštěním štítových elektrod. Tato struktura umožňuje pozorovat intenzitu elektrického pole poblíž vysokonapěťové strany vodiče izolátoru. Pokud je síla pole vysoká, maximální hodnota na vypuklé ploše se zjistí jako 12,7 kV/mm a 13 kV/mm na vpadlé ploše; překročení těchto hranic naznačuje nepravidelnou operaci. Když je intenzita elektrického pole poblíž izolátoru vysoká, by mělo být maximální pracovní napětí sítě udržováno pod 3,4 kV/mm. Instalace štítových elektrod na misovité izolátory dále optimalizuje a simuluje elektrické pole.

Podle předchozích metod elektrického spojení by měla být velikost štítové elektrody pečlivě řízena a elektrický připojovací konektor by měl být umístěn na zaoblení misovitého izolátoru, aby byl zdůrazněn jeho efekt štítování elektrody, což vedlo by ke zlepšení distribuce elektrického pole UHV plynového izolačního přenosového zařízení.

3. Závěr
Aby byly splněny celkové požadavky na rozvoj energetických podniků, musí naše společnost dále posilovat výzkum UHV plynového izolačního přenosového zařízení. Na základě specifických podmínek provozu by měly být problémy analyzovány a řešeny prostřednictvím metod, jako je vytvoření modelu kontaktového odporu, ověření napětí sběrnice a vodiče, zjasnění charakteristik elektrického kontaktu plynu, optimalizace návrhu mezery elektrického pole a racionální návrh izolátorů—což prodlužuje životnost zařízení.