Forschung zu ultra-hochspannungs-gasgefüllten Uebertragungsgeräten

Um aktiv auf die Entwicklungsanforderungen der Energiewirtschaft zu reagieren, hat unser Unternehmen seine Untersuchungen zu Fehlern in der Netzausbau in einem bestimmten Gebiet intensiviert und den Betrieb und die Wartung von DC-UHV-Übertragungs- und Umspannprojekten in Hochgebirgsregionen durch Installation und Optimierung von UHV-Übertragungsanlagen unterstützt. Die Gesamtfläche des Baugrundstücks beträgt 2.541,22 m², wobei die netto nutzbare Fläche 2.539,22 m² beträgt. Die geologischen Schichten am Bauplatz, von oben nach unten aufgelistet, bestehen aus lössähnlichem Boden, Löss, Paläoboden und schluffigem Lehm - vier Schichten von Grundbodensubstrat. Die Geologie ist komplex und wurde lange Zeit den Auswirkungen hoher Lagen ausgesetzt, was leicht zu Übertragungsleitungsfehlern führen kann.

In diesem Zusammenhang hat unser Unternehmen Projektrechnungen durchgeführt und festgestellt, dass der Bebauungsfaktor des Projekts 61,48 % beträgt und die Grundwasserstandstiefe zwischen 8,8 und 8,9 m liegt, was eine gewisse Korrosionswirkung auf die Betonstrukturen im Projekt zeigt. Unser Unternehmen konzentriert sich hauptsächlich auf ein 110-kV-Übertragungs- und Umspannprojekt, dessen Bauumfang in Tabelle 1 dargestellt wird.

Tabelle 1: Bauumfang des UHV-Gasgefüllten Übertragungsprojekts

Darüber hinaus muss unser Unternehmen auch die Berücksichtigung des Druckwiderstandsbereichs von UHV-Gas-Isoliertransmissionsgeräten weiter stärken und Postenisolatoren und Beckenform-Isolatoren sinnvoll anwenden, um den langfristig stabilen Betrieb von Transformatoren sicherzustellen.

1. Entwicklung eines Kontaktwiderstandsmodells
Da bei der Durchführung dieses Projekts überlastströme durch Stromleiter häufig auftreten, ist es notwendig, die Bildung von Leitstellen zu vermeiden. Dies kann erreicht werden, indem das Verständnis für die Fleckfläche verbessert und das Einschränkungsverhalten der Strompfade erfasst wird [1]. So kann durch eine intensivierte Ortserkundung die Änderung der umliegenden Stromlinien verstanden werden, wodurch die Verteilung der Bodenoberfläche, Erdstrom, Energiequelle und entfernter drahtloser Punkte auf mikroskopischer Ebene analysiert werden kann. Dies ermöglicht ein gründliches Verständnis der Unebenheiten, die an Kontaktoberflächen auftreten, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Durch die Erstellung eines Kontaktmodells definiert dieser Artikel, in Verbindung mit der Anwendung von UHV-Gas-Isoliertransmissionsgeräten, den tatsächlichen Einschränkwiderstand einer einzelnen Kontaktstelle als:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
wo: Re den Einschränkwiderstand einer einzelnen Kontaktstelle darstellt; ρ₁ und ρ₂ die spezifischen Widerstände der kontaktierenden Materialien sind; und α den Radius der Kontaktstelle bezeichnet.

Auf diese Weise kann die Größe des Kontaktwiderstands durch eine Korrekturmethode basierend auf dem Umriss bandförmiger Kontaktfinger genau analysiert werden. Darüber hinaus kann durch die Untersuchung der Materialparameter der Isoliertransmissionsausrüstung im Kontaktbereich bestimmt werden, welches Material für die Verbindung verwendet werden sollte, wie in Tabelle 2 gezeigt.

Das Druckfestigkeitsbereich von UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräten beträgt 1.000 kV, mit einer maximalen Festigkeit von 1.683 kV, was die Sicherheit der Stromübertragung gewährleistet. Ihre Übertragungskapazität kann 2,4 bis 5 Mal diejenige von 500-kV-EHZ-Übertragungen erreichen. Reines SF₆-Gas wird als Isoliermedium verwendet, mit einem Fülldruck von 0,3–0,4 MPa. Bei der zweiten Generation von GIL (Gas-Isolierte Leitung) wird eine Mischung aus 20 % SF₆ und 80 % N₂ nach Volumenanteil als Isoliermedium eingesetzt, mit einem Fülldruck von 0,7–0,8 MPa. Alternativ kann trockene und saubere Kompressionsluft als Medium verwendet werden, mit einem Fülldruck von 1–1,5 MPa. Daher sollte die Wahl des Isoliergases gemäß den vor Ort herrschenden Bedingungen getroffen werden, um den stabilen Betrieb der UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräte im Projekt zu gewährleisten. Der Betriebsgasdruck kann auch angemessen erhöht werden, und Freiluft-Montageverfahren können angewendet werden, um sicherzustellen, dass die Geräte für das aktuelle UHV-Spannungsniveau geeignet sind.

Personalmäßig sollte auch auf den Verbindungsstatus der Hauptmaterialanschlüsse in UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräten sorgfältig geachtet werden, um ihre Tragfähigkeit zu erhöhen. Auch muss das Schlankheitsverhältnis der Haupteinzelteile berechnet werden:
λ₀ = kL₀ / r,
wobei: λ₀ das Schlankheitsverhältnis des verbundenen Haupteinzelteils bezeichnet; k der Korrekturfaktor ist; L₀ die Länge des Haupteinzelteils des UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräts; und r der Widerstandsradius des Haupteinzelteils.

2.Anwendungsmaßnahmen für UHV-Gas-isolierte Übertragungsgeräte

2.1 Überprüfung der Spannungsbelastung von Busdurchführungen und Leitern
Bei der Anwendung von UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräten muss auch der Spannungszustand der rohrförmigen Busdurchführung berücksichtigt werden. Der innere Druck beträgt 0,6 MPa, und die Mittelhöhe der Busdurchführung liegt bei 7,7 m. Im bestehenden Freiluft-Übertragungssystem beträgt der maximale Spannweite zwischen zwei Stützen 12 m. Die äußere Kraft, die auf den Leiter wirkt, beträgt ebenfalls 0,6 MPa, und die zulässige Spannung für beide Bauteile beträgt 110 MPa. Darüber hinaus wird das Übertragungssystem über Dreiweg-Stützisolatoren und -leiter fixiert.

Erstens beträgt der Außendurchmesser der Busdurchführung 500 mm, und der Außendurchmesser des Leiters beträgt 160 mm. Wenn innerer Druck vorhanden ist, muss der Außendurchmesser unverändert bleiben, und die Wandstärke sollte entsprechend erhöht werden – von 5 mm auf 20 mm. Basierend auf der Spannungs-Dicke-Variationskurve der primären Spannung wurde die anfängliche Spannung der Busdurchführung auf 18,45 MPa ermittelt, was 16,71 % der zulässigen Spannung des Materials entspricht; die anfängliche Spannung des Leiters beträgt 3,45 MPa, was 3,71 % seiner zulässigen Spannung entspricht. Dies zeigt, dass, wenn der Außendurchmesser konstant bleibt, die Wandstärke signifikant die Druckantwort beeinflusst, insbesondere die erste Hauptspannung des Rohrs. Innerer Druck verändert die Spannungswerte der Rohrleitungstruktur – besonders bei dünnwandigen Rohren –, und GIL-Bewertungsverfahren können verwendet werden, um festzustellen, ob der Druck die Busdurchführung und den Leiter beeinflusst.

Zweitens beeinflussen druckbelastete Rohrleitungen in UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräten – wie Druckrohre und Hochspannungs-Aufwärtsleiter – die Betriebsleistung. Eine Spannungsanalyse dünnwandiger, druckbelasteter Rohrstrukturen sollte mit der folgenden Formel durchgeführt werden, um die Umfangsnormalspannung σₜ auf dem Längsschnitt des Rohres zu berechnen:
σₜ = ρD / (2δ),
wobei: ρ der innere Druck des Rohres; D der Innendurchmesser des Rohres; und δ die Wandstärke des Rohres ist. Je nach Spannungsniveau werden größere Durchmesser für höhere Spannungsniveaus bevorzugt, während kleinere Durchmesser für niedrigere Spannungsniveaus ausreichen.

2.2 Klärung der Gas-Elektrische Kontaktcharakteristika
Für UHV-Gas-isolierte Übertragungsgeräte werden hauptsächlich SF₆, Stickstoff-Sauerstoff-Gemische und N₂ verwendet. Die Forschung zu diesen Gasen sollte verstärkt werden, um ihre Unterschiede in den elektrischen Kontaktcharakteristika zu verstehen. Für bandförmige Kontaktfinger kann SF₆ als Isoliermedium verwendet werden, um seine ausgezeichneten Bogenlösch- und Isolationseigenschaften vollständig auszuschöpfen. Die Gesamtkontaktwiderstand (Rₜ) wird verwendet, um das elektrische Verhalten der stromführenden Strukturen zu beschreiben:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
wobei: Rₚ der Massenwiderstand; R꜀₁ der Kontaktwiderstand des oberen Elektroden; und R꜀₂ der Kontaktwiderstand des unteren Elektroden ist. Es wird also verstanden, dass die Dielektrizitätsstärke von SF₆ vom Gasdruck abhängt – je höher der Druck, desto größer die Dielektrizitätsstärke.

2.3 Optimierung des elektrischen Feldlückendesigns
In diesem Projekt ist das interne elektrische Feld leicht ungleichmäßig, mit einem Unregelmäßigkeitskoeffizienten von etwa 1,7. Wenn Blitzeinschlag-Widerstandbedingungen in der Region vorliegen, werden sie den Spannung auf den Übertragungsleitungen erhöhen, mit einem Impulskoeffizienten von 1,25. Zunächst sollten basierend auf den Netzfrequenz- und Blitzeinschlag-Widerstandbedingungen in der Region die Spitzenwerte im Bereich von 1,6–1,7 bestätigt werden, um den fehlerfreien Betrieb der UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräte sicherzustellen.

Durch das Verständnis der koaxialen zylindrischen Struktur kann die elektrische Feldstärke E(x) in der Region berechnet werden, um Szenarien zu identifizieren, die eine Optimierung erfordern:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
wobei: x der Abstand zwischen dem Leiter und der Umhüllung; U die auf die Elektrode angelegte Spannung; R der Innenradius der Umhüllung; und r der Außenradius des zentralen Leiters ist. Dies ermöglicht es, zu bewerten, ob die Oberfläche des zentralen Leiters unter maximaler Feldstärke beschädigt werden könnte. Die elektrische Feldsicherheit muss gesteuert und die mechanische Leistung verbessert werden.

Während der Einrichtung der elektrischen Feldinfrastruktur sollte die tatsächliche Tragfähigkeit der UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräte auf Grundlage der Fundamentebene überprüft und die Spannungsberechnungen abgeschlossen werden:
P = A × F,
wobei: P die Tragfähigkeit des Geräts; A die Querschnittsfläche des Übertragungsmastes; und F die Materialstärke ist. Darüber hinaus, wenn das Fundament aus schluffigem Lehm besteht, muss der Untergrund vor der Installation der Freileitung verdichtet werden.

Durch optimierte Designunter Berücksichtigung der Produktstruktur und Fertigungsfähigkeiten kann eine hohe Isolierleistung unter Blitzeinschlagbedingungen gewährleistet werden. Zweitens, wenn der Gasraum lang ist, wird die Installation von UHV-Gas-isolierten Übertragungsgeräten herausfordernd. In solchen Fällen kann der lokale Betriebsgasdruck durch Feldstärkenentwurf auf 0,4–0,5 MPa eingestellt werden, sodass leitfähige Partikel normal unter dem Einfluss des elektrischen Feldes arbeiten können, ohne partielle Entladung oder Gaslückenbruch auszulösen.

Schließlich sollten basierend auf den spezifischen Bedingungen der UHV-Gasgefüllten Ausrüstung der Außen- und Innendurchmesser des Leiterrohres auf 130 mm bzw. 480 mm dimensioniert werden. Auch die Steckverbindung muss beachtet werden: Die Wandstärke sollte zwischen 30–40 mm liegen, und die Lücke muss <1 mm betragen. Wenn der äußere Abkantungsradius der Steckverbindungsstelle auf 5 mm festgelegt wird, kann das Verhalten der elektrischen Feldstärke besser verstanden werden – eine höhere Feldstärke in der Nähe der Abkantung entspricht einem größeren Radius, während eine geringere Feldstärke einem kleineren Radius entspricht. Unter der Voraussetzung, lokale Konzentrationen des elektrischen Feldes zu kontrollieren, muss übermäßige Feldstärke in der Lücke vermieden werden, um eine vorläufige elektrische Verbindung für UHV-Gasgefüllte Ausrüstung zu ermöglichen und die Anforderungen an die Verteilung des elektrischen Feldsignals zu erfüllen.

2.4 Rationale Isolatorauslegung
Da Isolatoren in UHV-Gasgefüllten Ausrüstungen entlang des Bodens arbeiten, ist ihre Überlaufspannung niedriger als die Spannung, die zur Durchschlagung einer Lücke erforderlich ist, was sie zu einem Schwachpunkt in der elektrischen Isolation macht. Daher müssen Lückenberücksichtigungen verstärkt werden, und die Feldstärke unter Blitzimpulsbedingungen muss verstanden werden, um Isolationskomponenten angemessen auslegen zu können.

2.4.1 Verbesserte Kontrolle der Isolatorfeldstärke
Aufgrund der Bauvorhabenbedingungen hat unser Unternehmen die Entladungsvorgänge an Isolatorenoberflächen untersucht, einschließlich der Auswirkungen von Isolatormaterial, Struktur und Oberflächenladung. Metallpartikelverschmutzungen müssen ebenfalls vermieden werden. Eine rationelle Struktur für UHV-Gasgefüllte Ausrüstung wird durch die Kombination von SF₆-Gas, Isoliermaterialien und eingebetteten Komponenten gewährleistet. Aufbauend auf früheren Isolatordesignerfahrungen kann die Feldstärke während des Betriebs auf die Hälfte der normalen Betriebsfeldlücke begrenzt werden. Für rein SF₆-isolierte Ausrüstungen kann der Betriebsgasdruck bei 0,4–0,5 MPa gehalten werden.

Die vertikale elektrische Feldstärke (Eₛ) kann berechnet werden mit:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
wobei p der Gasdruck ist. Somit kann, abhängig vom Spannungsstand der Ausrüstung, die Design-Feldstärke an der Oberfläche des zentralen Leiters innerhalb von 19,9–24,5 kV/mm gesteuert werden, während die Feldstärke an der Isolatorenoberfläche nicht 10 kV/mm überschreiten darf. Das Einbetten der Isolatoren innerhalb des elektrischen Feldes verhindert abrupte Zunahmen der Feldstärke unter UHV-Einfluss, reduziert das Risiko eines Isolationsversagens und ermöglicht die langfristige Anwendung von UHV-Gasgefüllter Transmissionsausrüstung im Projekt.

2.4.2 Optimiertes Design von Becken-Isolatoren
Angesichts des komplexen Geländes des Projekts und der Notwendigkeit einer elektrischen Feldsimulation muss das Design von Becken-Isolatoren verbessert werden – insbesondere durch Weglassen von Schild-Elektroden. Diese Struktur ermöglicht die Beobachtung der elektrischen Feldintensität in der Nähe der Hochspannungsleiterseite des Isolators. Bei hoher Feldstärke beträgt der Maximalwert auf der konvexen Oberfläche 12,7 kV/mm und 13 kV/mm auf der konkaven Oberfläche; Werte darüber deuten auf ein ungewöhnliches Verhalten hin. Wenn die elektrische Feldintensität in der Nähe des Isolators hoch ist, sollte die maximale Netzfrequenz-Betriebsspannung unter 3,4 kV/mm gehalten werden. Das Installieren von Schild-Elektroden auf Becken-Isolatoren optimiert und simuliert das elektrische Feld weiter.

In Übereinstimmung mit früheren elektrischen Verbindungsmethoden sollte die Größe der Schild-Elektrode sorgfältig kontrolliert und der elektrische Steckverbinder an der Abkantung des Becken-Isolators positioniert werden, um seine Elektroschirmwirkung zu betonen, wodurch die elektrische Felddistribution der UHV-Gasgefüllten Transmissionsausrüstung verbessert wird.

3. Schlussfolgerung
Um den umfassenden Entwicklungsanforderungen der Energieunternehmen gerecht zu werden, muss unser Unternehmen die Forschung an UHV-Gasgefüllten Transmissionsausrüstungen weiter intensivieren. Basierend auf spezifischen Betriebsbedingungen sollten Probleme durch Methoden wie die Erstellung eines Kontaktwiderstandsmodells, die Überprüfung der Busleitung und Leiterbelastung, die Klärung der gasdurchtränkten elektrischen Kontaktcharakteristika, die Optimierung der elektrischen Feldlücke und die rationale Auslegung von Isolatoren analysiert und gelöst werden, um die Lebensdauer der Ausrüstung zu verlängern.