پژوهش در زمینه تجهیزات انتقال گازی عایق‌بندی شده با ولتاژ بسیار بالا

برای پاسخ فعال به نیازهای توسعه صنعت برق، شرکت ما تحقیقات خود را در مورد خطاهای ساخت شبکه در منطقه‌ای خاص تقویت کرده و با نصب و بهینه‌سازی طرح‌های طراحی تجهیزات انتقال UHV، حمایت عملیاتی و نگهداری برای پروژه‌های انتقال و تغییر DC UHV در مناطق بلندارتفاع ارائه کرده است. مساحت کل سایت ساخت و ساز 2541.22 متر مربع و مساحت زمین خالص 2539.22 متر مربع است. لایه‌های زمین‌شناسی در محل ساخت و ساز از بالا به پایین شامل خاک آبیانه‌مانند، خاک آبیانه، خاک قدیمی و رسیل چهار لایه خاک پایه است. زمین‌شناسی پیچیده است و تحت تأثیر طولانی مدت بلندارتفاع قرار گرفته که می‌تواند به راحتی منجر به خرابی خطوط انتقال شود.

در این زمینه، شرکت ما محاسبات پروژه را انجام داد و تعیین کرد که ضریب ساختمانی پروژه ۶۱.۴۸٪ است و عمق جدول آب‌های زیرزمینی بین ۸.۸ تا ۸.۹ متر متغیر است که تا حدی خوردگی‌زا برای سازه‌های بتنی پروژه است. شرکت ما عمدتاً روی پروژه انتقال و تغییر 110 kV تمرکز دارد و مقیاس ساخت و ساز در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: مقیاس ساخت و ساز پروژه انتقال عایق‌دار UHV

به علاوه، شرکت ما نیاز به تقویت بیشتر در نظر گرفتن محدوده تحمل فشار تجهیزات انتقال گازی UHV و کاربرد مناسب ستون‌های دی الکتریک پسین و دی الکتریک‌های آبگیری برای تضمین عملکرد پایدار بلندمدت ترانسفورماتورها دارد.

۱. توسعه مدل مقاومت تماس
چون جریان بیش از حد از طریق هادی‌های جریان برق در طول عملیات این پروژه رخ دادن می‌تواند، لازم است تشکیل نقاط هادی را پیشگیری کرد. این امر می‌تواند با افزایش درک از مساحت نقطه و درک رفتار تراکم مسیرهای جریان [۱] حاصل شود. بنابراین، با تقویت مشاهده میدانی برای درک تغییرات در خطوط جریان اطراف، توزیع سطح زمین، جریان زمینی، منبع برق و نقاط بی‌سیم دور، می‌توان در سطح میکروسکوپی تحلیل کرد و درک کاملی از مشکلات نامساوی روی سطوح تماسی کسب کرد، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.

با ایجاد مدل تماس، این مقاله با توجه به کاربرد تجهیزات انتقال گازی UHV، مقاومت تراکم واقعی یک نقطه تماس را به صورت زیر تعریف می‌کند:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / ۴α,
که در آن: Re نشان‌دهنده مقاومت تراکم یک نقطه تماس است؛ ρ₁ و ρ₂ مقاومت‌های ویژه مواد تماسی هستند؛ و α شعاع نقطه تماس را نشان می‌دهد.

بنابراین، با استفاده از روش اصلاح بر اساس مُحیط انگشت‌های تماسی نوع باندی، می‌توان مقدار دقیق مقاومت تماس را تحلیل کرد. علاوه بر این، با بررسی پارامترهای مادی تجهیزات انتقال دی الکتریک در منطقه تماس، ممکن است تعیین شود کدام ماده باید برای اتصال استفاده شود، همانطور که در جدول ۲ نشان داده شده است.

محدوده تحمل فشار تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا ۱۰۰۰ کیلوولت است، با فشار تحمل بیشینه ۱۶۸۳ کیلوولت، که امنیت انتقال برق را تضمین می‌کند. ظرفیت انتقال آن می‌تواند ۲٫۴ تا ۵ برابر ظرفیت انتقال ۵۰۰ کیلوولت EHV باشد. از گاز خالص SF₆ به عنوان مedium عایق استفاده می‌شود، با فشار پر شدن ۰٫۳–۰٫۴ مگاپاسکال. در نسل دوم GIL (خط عایق گازی)، از مخلوط ۲۰٪ SF₆ و ۸۰٪ N₂ بر حسب حجم به عنوان مedium عایق استفاده می‌شود، با فشار پر شدن ۰٫۷–۰٫۸ مگاپاسکال. همچنین می‌توان از هوای فشرده خشک و تمیز به عنوان مedium استفاده کرد، با فشار پر شدن ۱–۱٫۵ مگاپاسکال. بنابراین، انتخاب گاز عایق باید بر اساس شرایط محلی تعیین شود تا عملکرد پایدار تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا در پروژه تضمین شود. ممکن است فشار گاز عملیاتی نیز به طور مناسب افزایش یابد، و روش‌های نصب آویزان می‌توانند اتخاذ شوند تا تضمین شود که تجهیزات برای سطح ولتاژ UHV فعلی مناسب هستند.

کارکنان باید به وضعیت اتصالات اتصالات مواد اصلی در تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا نیز توجه دقیق داشته باشند تا ظرفیت تحمل بار آنها افزایش یابد. نسبت لاغری اعضای ساختاری اصلی نیز باید محاسبه شود:
λ₀ = kL₀ / r,
که در آن: λ₀ نسبت لاغری عضو اصلی متصل است؛ k ضریب تصحیح است؛ L₀ طول عضو اصلی تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا است؛ و r شعاع گشتاور عضو اصلی است.

۲. اقدامات کاربردی برای تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا

۲.۱ تأیید تنش لوله مادر و هادی
در زمان استفاده از تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا، باید وضعیت تنش لوله مادر نوع لوله نیز در نظر گرفته شود. فشار داخلی ۰٫۶ مگاپاسکال است، و ارتفاع مرکزی لوله مادر ۷٫۷ متر است. در سیستم انتقال بیرونی موجود، بیشترین فاصله بین دو پشتیبان ۱۲ متر است. نیروی خارجی وارد بر هادی نیز ۰٫۶ مگاپاسکال است، و تنش مجاز برای هر دو قطعه ۱۱۰ مگاپاسکال است. علاوه بر این، سیستم انتقال از طریق عایق‌های پشتیبان سه‌طرفه و هادی‌ها ثابت می‌شود.

اولاً، قطر خارجی لوله مادر ۵۰۰ میلی‌متر است، و قطر خارجی هادی ۱۶۰ میلی‌متر است. اگر فشار داخلی وجود داشته باشد، قطر خارجی باید ثابت بماند، و ضخامت دیواره باید به طور مناسب افزایش یابد - از ۵ میلی‌متر به ۲۰ میلی‌متر. بر اساس منحنی تغییر تنش-ضخامت تنش اصلی، تنش اولیه لوله مادر ۱۸٫۴۵ مگاپاسکال مشاهده می‌شود که ۱۶٫۷۱٪ تنش مجاز ماده را شامل می‌شود؛ تنش اولیه هادی ۳٫۴۵ مگاپاسکال است که ۳٫۷۱٪ تنش مجاز آن را شامل می‌شود. این نشان می‌دهد که وقتی قطر خارجی ثابت می‌ماند، ضخامت دیواره تأثیر قابل توجهی بر پاسخ فشاری دارد، به ویژه بر تنش اصلی اولیه لوله. فشار داخلی مقادیر تنش ساختار لوله را تغییر می‌دهد - به ویژه برای لوله‌های دیواره نازک - و روش‌های ارزیابی GIL می‌تواند برای تعیین اینکه آیا فشار بر لوله مادر و هادی تأثیر می‌گذارد یا خیر، استفاده شود.

دوم، لوله‌های تحمل فشار در تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا - مانند لوله‌های فشار و بالشت‌های ولتاژ بالا - عملکرد عملیاتی را تحت تأثیر قرار می‌دهند. تحلیل تنش ساختارهای لوله‌های تحمل فشار دیواره نازک باید با استفاده از فرمول زیر برای محاسبه تنش عادی محیطی σₜ در سطح طولی لوله انجام شود:
σₜ = ρD / (2δ),
که در آن: ρ فشار داخلی لوله است؛ D قطر داخلی لوله است؛ و δ ضخامت دیواره لوله است. با تغییر سطح ولتاژ، بوش‌های قطر بزرگتر برای سطوح ولتاژ بالاتر ترجیح داده می‌شوند، در حالی که بوش‌های قطر کوچکتر برای سطوح ولتاژ پایین‌تر کافی هستند.

۲.۲ روشن کردن ویژگی‌های تماس الکتریکی گاز
برای تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا، گازهای اصلی استفاده شده شامل SF₆، مخلوط‌های نیتروژن-اکسیژن و N₂ هستند. تحقیقات درباره این گازها باید تقویت شود تا تفاوت‌های آنها در ویژگی‌های تماس الکتریکی فهمیده شود. برای انگشتان تماس نوع بند، می‌توان از SF₆ به عنوان مedium عایق استفاده کرد تا خواص خاموش‌کننده و عایق‌بندی فوق‌العاده آن به طور کامل مورد استفاده قرار گیرد. مقاومت تماس کل (Rₜ) برای توصیف رفتار الکتریکی ساختارهای حمل جریان استفاده می‌شود:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
که در آن: Rₚ مقاومت حجمی است؛ R꜀₁ مقاومت تماس الکترود بالایی است؛ و R꜀₂ مقاومت تماس الکترود پایینی است. بنابراین فهمیده می‌شود که قدرت عایق SF₆ به فشار گاز بستگی دارد - هرچه فشار بیشتر باشد، قدرت عایق بیشتر است.

۲.۳ بهینه‌سازی طراحی شکاف میدان الکتریکی
در این پروژه، میدان الکتریکی داخلی کمی ناهمگن است، با ضریب ناهمگنی حدود ۱٫۷. اگر شرایط تحمل ولتاژ ضربه‌ای برق در منطقه وجود داشته باشد، آنها تنش بر خطوط انتقال را افزایش می‌دهند، با ضریب ضربه‌ای ۱٫۲۵. اولاً، بر اساس شرایط تحمل ولتاژ تواتر و ضربه‌ای منطقه، مقدار قله باید در محدوده ۱٫۶–۱٫۷ تأیید شود تا عملکرد بدون مشکل تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا تضمین شود.

با درک ساختار استوانه‌ای هم‌محور، می‌توان مقدار میدان الکتریکی E(x) در منطقه را محاسبه کرد تا سناریوهایی که به بهینه‌سازی نیاز دارند شناسایی شوند:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
که در آن: x فاصله بین هادی و پوشش است؛ U ولتاژ وارد شده به الکترود است؛ R شعاع داخلی پوشش است؛ و r شعاع خارجی هادی مرکزی است. این امکان را می‌دهد تا بررسی شود که آیا سطح هادی مرکزی تحت بیشترین میدان می‌تواند آسیب ببیند. ایمنی میدان الکتریکی باید کنترل شود و عملکرد مکانیکی بهبود یابد.

در زمان تنظیم زیرساخت‌های میدان الکتریکی، باید ظرفیت تحمل بار واقعی تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا در سطح پایه تأیید شود و محاسبات تنش کامل شود:
P = A × F,
که در آن: P ظرفیت تحمل بار تجهیزات است؛ A مساحت مقطع برج انتقال است؛ و F قدرت ماده است. علاوه بر این، اگر پایه از رس خاکستری تشکیل شده باشد، قبل از نصب خطوط هوایی، زیربنای آن باید فشرده شود.

با طراحی بهینه با در نظر گرفتن ساختار محصول و توانایی‌های تولید، می‌توان عملکرد عایق‌بندی بالا در شرایط ولتاژ ضربه‌ای را تضمین کرد. دوم، اگر حفره گاز طولانی باشد، نصب تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا چالش‌برانگیز می‌شود. در چنین مواردی، می‌توان فشار گاز عملیاتی محلی را از طریق طراحی میدان به ۰٫۴–۰٫۵ مگاپاسکال تنظیم کرد تا ذرات هادی بتوانند تحت تأثیر میدان الکتریکی به طور طبیعی عمل کنند بدون اینکه پخش جزئی یا شکست شکاف گازی رخ دهد.

در نهایت، بر اساس شرایط خاص تجهیزات عایق‌شده گازی فراکشندگی، قطر بیرونی میله هدایت‌کننده باید به ۱۳۰ میلی‌متر و قطر داخلی پوشش به ۴۸۰ میلی‌متر طراحی شود. همچنین باید به بخش پلاگین توجه داشت: ضخامت دیواره باید به ۳۰-۴۰ میلی‌متر تنظیم شود و فاصله باید کمتر از ۱ میلی‌متر باشد. اگر شعاع گردش بیرونی منطقه پلاگین به ۵ میلی‌متر تنظیم شود، تغییرات در شدت میدان الکتریکی بهتر درک می‌شود—شدت میدان بالاتر نزدیک به گردش متناسب با شعاع بزرگتر و شدت میدان پایین‌تر متناسب با شعاع کوچکتر است. تحت پیش‌بینی کنترل تمرکز محلی میدان الکتریکی، باید از شدت میدان زیاد در فاصله جلوگیری شود تا طراحی اولیه اتصال الکتریکی برای تجهیزات عایق‌شده گازی فراکشندگی و رضایت از تقسیم‌بندی سیگنال میدان الکتریکی حاصل شود.

۲.۴ طراحی عایق منطقه‌ای مناسب
از آنجا که عایقات در تجهیزات عایق‌شده گازی فراکشندگی در کنار زمین عمل می‌کنند، ولتاژ فلاشر آنها کمتر از ولتاژ شکست فاصله است که آن‌ها را به نقطه ضعف عایق‌سازی الکتریکی تبدیل می‌کند. بنابراین، باید به در نظر گرفتن فاصله توجه شود و شدت میدان در شرایط ضربه‌ای برقی درک شود تا مؤلفه‌های عایق‌سازی به درستی طراحی شوند.

۲.۴.۱ کنترل تقویت شده شدت میدان عایق
بر اساس شرایط ساخت پروژه، شرکت ما به پدیده فلاشر روی سطح عایقات، از جمله تأثیر مواد عایق، ساختار و بار سطحی مطالعه کرده است. همچنین باید از آلودگی ذرات فلزی جلوگیری شود. با ترکیب گاز SF₆، مواد عایق و قطعات جاسازی شده، یک ساختار منطقی برای تجهیزات عایق‌شده گازی فراکشندگی تضمین می‌شود. با استفاده از تجربه‌های گذشته طراحی عایق، شدت میدان در طول عملکرد می‌تواند به نصف شدت میدان فاصله عملکرد معمولی محدود شود. برای تجهیزات عایق‌شده صرف SF₆، فشار گاز کاری می‌تواند در حد ۰.۴-۰.۵ مگاپاسکال حفظ شود.

شدة میدان الکتریکی عمودی (Eₛ) می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:
Eₛ = ۴۵.۵p + ۱.۷,
که p فشار گاز است. بنابراین، با توجه به ولتاژ تحمل تجهیزات، شدت میدان طراحی شده در سطح رسانا مرکزی می‌تواند در محدوده ۱۹.۹-۲۴.۵ کیلوولت بر میلی‌متر کنترل شود، در حالی که شدت میدان سطح عایق نباید بیش از ۱۰ کیلوولت بر میلی‌متر باشد. اطمینان از جاسازی عایقات در داخل میدان الکتریکی از افزایش ناگهانی شدت میدان تحت تأثیر فراکشندگی جلوگیری می‌کند، کاهش خطر شکست عایق و امکان استفاده بلندمدت تجهیزات عایق‌شده گازی فراکشندگی در پروژه را فراهم می‌کند.

۲.۴.۲ طراحی بهینه عایق نوع لیوانی
با توجه به توپوگرافی پیچیده پروژه و نیاز به شبیه‌سازی میدان الکتریکی، طراحی عایق نوع لیوانی باید بهبود یابد—به ویژه با حذف الکترود‌های محافظ. این ساختار امکان مشاهده شدت میدان الکتریکی نزدیک سمت رسانا با ولتاژ بالا عایق را فراهم می‌کند. اگر شدت میدان بالاست، مقدار حداکثری در سطح محدب ۱۲.۷ کیلوولت بر میلی‌متر و در سطح مقعر ۱۳ کیلوولت بر میلی‌متر است؛ از بین رفتن این محدوده‌ها نشان‌دهنده عملکرد غیرطبیعی است. وقتی شدت میدان الکتریکی نزدیک به عایق بالاست، ولتاژ عملیاتی فرکانس توان حداکثری باید زیر ۳.۴ کیلوولت بر میلی‌متر نگه داشته شود. نصب الکترود‌های محافظ روی عایقهای نوع لیوانی میدان الکتریکی را بیشتر بهینه‌سازی و شبیه‌سازی می‌کند.

با توجه به روش‌های اتصال الکتریکی قبلی، اندازه الکترود محافظ باید به دقت کنترل شود و اتصال پلاگین الکتریکی باید در گردش عایق نوع لیوانی قرار گیرد تا اثر محافظ الکترودی آن تأکید شود، بدین ترتیب توزیع میدان الکتریکی تجهیزات عایق‌شده گازی فراکشندگی بهبود می‌یابد.

۳. نتیجه‌گیری
برای رضایت از نیازهای توسعه جامع شرکت‌های برق، شرکت ما باید تحقیقات خود را درباره تجهیزات عایق‌شده گازی فراکشندگی بیشتر تقویت کند. بر اساس شرایط عملکرد خاص، مشکلات باید با استفاده از روش‌هایی مانند ایجاد مدل مقاومت تماس، تأیید تنش رسانه و میله اصلی، مشخص کردن ویژگی‌های تماس الکتریکی گاز، بهینه‌سازی طراحی فاصله میدان الکتریکی و طراحی منطقه‌ای عایقات، تحلیل و حل شوند—بنابراین عمر مفید تجهیزات افزایش می‌یابد.