Forskning i ultra-højspændings gasisolerede transmissionsanlæg

For at aktivt reagere på udviklingskravene i energisektoren, har vores virksomhed intensiveret sin undersøgelse af netopbygningsfejl i en bestemt region og ydet drift- og vedligeholdelsesstøtte til DC UHV overførsels- og transformationsprojekter i højlandsområder gennem installation og optimering af UHV-overførselsudstyrsdesigns. Den totale arealforbrug på byggestedet er 2.541,22 m², med et rent areal på 2.539,22 m². De geologiske lag på byggestedet, listet fra top til bund, består af lergelignende jord, ler, paleosol og siltlejr - fire lag af grundlag. Geologien er kompleks og har været udsat for langvarige højlandseffekter, hvilket let kan føre til fejl i overførsellinjer.

I denne sammenhæng udførte vores virksomhed projektberegninger og fastsatte, at bygningskoefficienten for projektet er 61,48 %, og grundvandets vandlighed ligger mellem 8,8 og 8,9 m, hvilket viser en vis grad af korrosivitet over for betonstrukturerne i projektet. Vores virksomhed fokuserer primært på et 110 kV overførsels- og transformationsprojekt, og konstruktionsmålestokken er vist i Tabel 1.

Tabel 1: Konstruktionsmålestok for UHV-gasisolerede overførselsprojekter

Desuden skal vores virksomhed også forstærke overvejelserne omkring trykudholdenhedsspannet for UHV-gas isoleret transmissionsudstyr og anvende stolperisolatorer og krukanlignende isolatorer på en fornuftig måde for at sikre langsigtede stabil drift af transformatorerne.

1. Udvikling af et model for kontaktmodstand
Eftersom overbelastningsstrøm gennem strømførende ledninger er tilbøjelig til at opstå under drift af dette projekt, er det nødvendigt at undgå dannelse af ledningspunkter. Dette kan opnås ved at forbedre forståelsen af punktområdet og forstå krympningsadfærd af strømveje [1]. Dermed, ved at intensivere påstedsk observation for at forstå ændringer i de omkringliggende strømlinjer, kan distributionen af jordoverflade, jordstrøm, strømkilde og fjerntrådløse punkter analyseres på mikroskopisk niveau, hvilket gør det muligt at forstå ulighederne, der opstår på kontaktoverflader, som vist på figur 1.

Ved at oprette en kontaktmodel definerer denne artikel den faktiske krympningsmodstand for et enkelt kontakt punkt i forbindelse med anvendelsen af UHV-gas isoleret transmissionsudstyr som:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
hvor: Re repræsenterer krympningsmodstanden for et enkelt kontakt punkt; ρ₁ og ρ₂ er resistiviteterne for de kontakterende materialer; og α angiver radius af kontakt punktet.

Dermed kan størrelsen på kontaktmodstanden præcist analyseres gennem en korrektionsmetode baseret på konturen af båndformet kontakt fingre. Desuden, ved at undersøge materialeparametrene for isolations-transmissionsudstyret i kontaktområdet, bliver det muligt at fastslå, hvilket materiale der skal bruges til forbindelsen, som vist i tabel 2.

Trykudholdningsområdet for UHV-gasisolerede transmissionsanlæg er 1.000 kV, med en maksimal udholdenhed på 1.683 kV, hvilket sikrer sikkerheden ved strømtransmission. Dens transmissionskapacitet kan nå 2,4 til 5 gange den af 500 kV EHV-transmission. Rent SF₆-gas anvendes som isoleringsmedium, med et fyldtryk på 0,3–0,4 MPa. Med andengenerations GIL (Gas-Isolerede Ledning) bruges en blanding af 20% SF₆ og 80% N₂ i volumenfraktion som isoleringsmedium, med et fyldtryk på 0,7–0,8 MPa. Alternativt kan tør og ren komprimeret luft anvendes som medium, med et fyldtryk på 1–1,5 MPa. Derfor bør valget af isolerende gas fastsættes i overensstemmelse med lokale forhold for at sikre stabil drift af UHV-gasisolerede transmissionsanlæg i projektet. Driftsgastrykket kan også passende øges, og højspændingsinstallationstyper kan anvendes for at sikre, at udstyret er egnet til det nuværende UHV-spændingsniveau.

Personale bør også holde nøje øje med forbindelsesstatus for primære materialforbindelser i UHV-gasisolerede transmissionsanlæg for at forbedre deres bæreevne. Slankhedsforholdet for de primære strukturelle elementer skal også beregnes:
λ₀ = kL₀ / r,
hvor: λ₀ angiver slankhedsforholdet for det forbundne primære element; k er korrektionskoefficienten; L₀ er længden af det primære element i UHV-gasisolerede transmissionsanlæg; og r er drejningsradius for det primære element.

2.Anvendelsesforanstaltninger for UHV-gasisolerede transmissionsanlæg

2.1 Kontrol af busledning og ledningsspænding
Ved anvendelsen af UHV-gasisolerede transmissionsanlæg skal spændingsforholdet for rørformede busledninger også tages i betragtning. Det interne tryk er 0,6 MPa, og busledningens centrale højde er 7,7 m. I det eksisterende udendørs transmissionsystem er den maksimale spænd mellem to støtter 12 m. Den eksterne kraft, der virker på ledningen, er også 0,6 MPa, og tilladte spændingen for begge komponenter er 110 MPa. Desuden er transmissionsystemet fastgjort via trevejsstøtteisolatorer og ledninger.

Først er busledningens ydre diameter 500 mm, og ledningens ydre diameter er 160 mm. Hvis der er intern tryk, skal den ydre diameter forblive uændret, og vægtykkelsen bør passende øges – fra 5 mm til 20 mm. Baseret på spændings-dykkevariationskurven for den primære spænding, findes busledningens initielle spænding at være 18,45 MPa, hvilket svarer til 16,71% af materialets tilladte spænding; ledningens initielle spænding er 3,45 MPa, hvilket svarer til 3,71% af dens tilladte spænding. Dette viser, at når den ydre diameter forbliver konstant, har vægtykkelsen en betydelig indflydelse på trykrespons, især på den første primære spænding i røret. Intern tryk ændrer spændingsværdierne for rørstrukturen – især for tyndvæggede rør – og GIL-vurderingsmetoder kan bruges til at bestemme, om tryk påvirker busledning og ledning.

Andet, trykuddragende rør i UHV-gasisolerede transmissionsanlæg – som trykrør og højspændingsrisere – påvirker driftsevnen. Spændingsanalyse af tyndvæggede trykuddragende rørstrukturer bør foretages ved hjælp af følgende formel for at beregne den cirkulære normalspænding σₜ på det longitudinale tværsnit af røret:
σₜ = ρD / (2δ),
hvor: ρ er det interne tryk i røret; D er rørets indre diameter; og δ er rørets vægtykkelse. Som spændingsniveauet ændres, foretrækkes større diameterbushinger for højere spændingsniveauer, mens mindre diameterbushinger er tilstrækkelige for lavere spændingsniveauer.

2.2 Klarlæggelse af gas elektriske kontakt karakteristika
Til UHV-gasisolerede transmissionsanlæg bruges de primære gasser inklusive SF₆, nitrogen-ilt blanding og N₂. Forskning i disse gasser bør styrkes for at forstå deres forskelle i elektriske kontakt karakteristika. For remmeformet kontaktfingre kan SF₆ bruges som isoleringsmedium for fuldt ud at udnytte dets fremragende bukedempning og isoleringsegenskaber. Total kontaktmodstand (Rₜ) bruges til at beskrive den elektriske adfærd af strømførende strukturer:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
hvor: Rₚ er bulkmodstanden; R꜀₁ er kontaktmodstanden for den øverste elektrode; og R꜀₂ er kontaktmodstanden for den nederste elektrode. Derfor forstås det, at dielektrisk styrke af SF₆ afhænger af gastryk – jo højere tryk, jo større dielektrisk styrke.

2.3 Optimering af elektrisk felt kløft design
I dette projekt er det interne elektriske felt let ulige, med en ulighedskoefficient på ca. 1,7. Hvis der findes lynimpuls udholdenhedsvilkår i området, vil de øge spændingen på transmissionslinjerne, med en impuls-koefficient på 1,25. Først, baseret på netfrekvens- og lynimpuls udholdenhedsvilkår i regionen, bør topværdien bekræftes inden for intervallet 1,6–1,7 for at sikre problemfri drift af UHV-gasisolerede transmissionsanlæg.

Forståelse af den koaksiale cylindriske struktur, kan elektriske feldstyrken E(x) i området beregnes for at identificere situationer, der kræver optimering:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
hvor: x er afstanden mellem ledningen og omslutningen; U er spændingen, der påføres elektroden; R er omslutningens indre radius; og r er den centrale lednings ydre radius. Dette giver mulighed for at vurdere, om overfladen af den centrale ledning kan blive skadet under maksimal feltstyrke. Elektriske felt-sikkerhed må kontrolleres, og mekanisk ydeevne forbedres.

Under opbygningen af elektriske felt infrastruktur, bør den faktiske bæreevne af UHV-gasisolerede transmissionsanlæg verificeres på grundlaget, og spændingsberegninger udført:
P = A × F,
hvor: P er udstyrets bæreevne; A er transmissions-tårnets tværsnitsareal; og F er materialets styrke. Desuden, hvis grundlaget består af silthav, skal subgrunden komprimeres, før installation af højspændingsledninger fortsætter.

Gennem optimeret design, der tager højde for produktstruktur og produktionsevner, kan høj isoleringsydeevne under lynimpuls-betingelser sikres. Andet, hvis gasafsnittet er langt, bliver installationen af UHV-gasisolerede transmissionsanlæg udfordrende. I sådanne tilfælde kan det lokale driftsgastryk sættes til 0,4–0,5 MPa gennem feltstyrke-design, hvilket tillader, at ledbare partikler fungerer normalt under elektriske felt-indflydelse uden at inducere partielt udladning eller gas kløft nedbrydning.

Til sidst bør lederens ydre diameter for UHV-gasfyldt udstyr designes til 130 mm, og indkapslingens indre diameter til 480 mm, baseret på de specifikke betingelser. Der skal også tages højde for indsattelektionen: vægtykkelsen bør sættes til 30–40 mm, og klarenspecifikationen skal være <1 mm. Hvis den ydre facetteringsradius i indsatteområdet er sat til 5 mm, kan variationen i elektriske feltstyrke bedre forstås—højere feltstyrke nær facetteringen svarer til en større radius, mens lavere feltstyrke svarer til en mindre radius. Under forudsætning af kontrollert lokal koncentration af elektrisk feltstyrke, skal der undgås for høj feltstyrke i klaren, hvilket gør det muligt at foretage en præliminær elektrisk forbindelsesdesign for UHV-gasfyldt udstyr og opfylde kravene til distribution af elektriske feltssignaler.

2.4 Rationelt isolator design
Eftersom isolatorer i UHV-gasfyldt udstyr opererer langs jorden, er deres flashover spænding lavere end kladenbrydningsspændingen, hvilket gør dem til et svagt punkt i elektrisk isolation. Derfor skal overvejelser angående klare styrkes, og feltstyrken under lynimpulsbetingelser forstås for at kunne designe isolerende komponenter korrekt.

2.4.1 Forbedret kontrol af isolatorfeltstyrke
Baseret på projekts byggebetingelser har vores virksomhed undersøgt flashoverfænomener langs isolatorflader, herunder effekten af isolatormateriale, struktur og overfladeopladning. Metalpartikkelkontamination skal også undgås. En rationel struktur for UHV-gasfyldt udstyr sikres ved at kombinere SF₆-gas, isolerende materialer og indbyggede komponenter. Ved at drage nytte af tidligere erfaringer med isolatordesign, kan feltstyrken under drift begrænses til halvdelen af normal driftsfeltklarens. For rent SF₆-isoleret udstyr kan driftsgaspressionen opretholdes på 0,4–0,5 MPa.

Den lodrette feltstyrke (Eₛ) kan beregnes ved:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
hvor p er gaspressionen. Afhængigt af udstyrets standsevne, kan designfeltstyrken på den centrale lederoverflade kontrolleres inden for 19,9–24,5 kV/mm, mens isolatoroverfladens feltstyrke ikke må overstige 10 kV/mm. At sikre, at isolatorerne er indbygget internt i feltet, forhindrer abrupte øgelser i feltet under UHV-indflydelse, hvilket reducerer risikoen for isolationsfejl og gør det muligt at anvende UHV-gasfyldt transmissionsudstyr i langt sigt i projektet.

2.4.2 Optimeret design af skålformet isolator
Med tanke på det komplekse terræn i projektet og behovet for elektrisk felt-simulation, skal designet af skålformede isolatorer forbedres—specifikt ved at udelade skjulende elektroder. Denne struktur gør det muligt at observere feltintensiteten nær den højspejlede lederside af isolatoren. Hvis feltstyrken er høj, findes maksimumsværdien på den konvekse overflade at være 12,7 kV/mm og 13 kV/mm på den konkave overflade; overskridelse af disse grænser indikerer anormal drift. Når feltintensiteten nær isolatoren er høj, bør maksimal arbejdsspenning holdes under 3,4 kV/mm. Installation af skjulende elektroder på skålformede isolatorer optimerer og simulerer feltet yderligere.

Ifølge tidligere metoder for elektrisk forbindelse bør størrelsen på skjulende elektroder nøje kontrolleres, og den elektriske indsatteforbindelse bør placeres ved facetten på skålformet isolator for at understrege dens skjulende effekt, hvilket forbedrer feltfordelingen af UHV-gasfyldt transmissionsudstyr.

3. Konklusion
For at imødekomme de omfattende udviklingskrav hos energiorganisationer, skal vores virksomhed videre styrke forskningen på UHV-gasfyldt transmissionsudstyr. Baseret på specifikke driftsbetingelser, bør problemer analyseres og løses gennem metoder som etablering af kontaktmodstandmodel, verificering af busbar- og lederstress, klarlæggelse af gas-elektriske kontaktkarakteristika, optimering af feltklaredesign og rationelt design af isolatorer—hvilket forlænger udstyrets levetid.