پژوهش در زمینه تجهیزات انتقال گازی عایق‌دار فراکشندگی

برای پاسخ فعال به نیازهای توسعه صنعت برق، شرکت ما تحقیقات خود را درباره خطاهای ساخت شبکه در منطقه خاصی افزایش داده و با نصب و بهینه‌سازی طرح‌های طراحی تجهیزات انتقال UHV، حمایت عملیاتی و نگهداری برای پروژه‌های انتقال و تغییر DC UHV در مناطق کوهستانی ارائه کرده است. مساحت کل زمین ساخت و ساز ۲,۵۴۱.۲۲ متر مربع و مساحت خالص زمین ۲,۵۳۹.۲۲ متر مربع است. لایه‌های زمین‌شناسی در محل ساخت و ساز از بالا به پایین شامل خاک مشابه لوئس، لوئس، خاک قدیمی و رسیلا - چهار لایه خاک پایه می‌باشد. زمین‌شناسی پیچیده است و تحت تأثیر طولانی مدت اثرات بلندپایه 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 آب زیرزمینی از ۸.۸ تا ۸.۹ متر متغیر است که تا حدودی خوردگی‌زا برای سازه‌های بتنی در پروژه است. شرکت ما عمدتاً روی پروژه انتقال و تغییر ۱۱۰ kV تمرکز دارد و مقیاس ساخت و ساز در جدول ۱ نشان داده شده است.

جدول ۱: مقیاس ساخت و ساز پروژه انتقال عایق گازی UHV

به علاوه، شرکت ما باید در نظر گرفتن محدوده تحمل فشار تجهیزات انتقال گازی فرازمینی را بیشتر تقویت کند و به طور مناسب دسته‌های عایق پسین و عایق‌های ظرف‌مانند را به کار گیرد تا عملکرد پایدار بلندمدت ترانسفورماتورها را تضمین کند.

۱. توسعه یک مدل مقاومت تماس
از آنجا که جریان بیش از حد از طریق هادی‌های جریان‌بر در طول عملیات این پروژه ممکن است رخ دهد، لازم است تشکیل نقاط هدایت‌کننده را پیشگیری کنیم. این امر با افزایش درک از مساحت نقطه و درک رفتار سیربندی جریان [۱] قابل دستیابی است. بنابراین، با تقویت مشاهده محلی برای درک تغییرات در خطوط جریان اطراف، توزیع سطح زمین، جریان زمین، منبع برق و نقاط بی‌سیم دور می‌تواند در سطح میکروسکوپی تحلیل شود و درک عمیقی از مشکلات نامساوی در سطوح تماس حاصل می‌شود، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.

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

بنابراین، با استفاده از یک روش اصلاح بر اساس مقطع انگشتان تماس‌یاب نوع روبانی، می‌توان مقدار دقیق مقاومت تماس را تحلیل کرد. علاوه بر این، با بررسی پارامترهای ماده تجهیزات انتقال عایق‌دار در منطقه تماس، ممکن است تعیین شود که 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 ۱،۰۰۰ کیلوولت است، با فشار تحمل حداکثر ۱،۶۸۳ 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 پرکنی ۰٫۳-۰٫۴ مگاپاسکال. در GIL (خط عایق شده با گاز) نسل دوم، از مخلوط ۲۰٪ SF₆ و ۸۰٪ N₂ بر حسب کسر حجمی به عنوان medium عایق استفاده می‌شود، با فشار پرکنی ۰٫۷-۰٫۸ مگاپاسکال. در مقابل، می‌توان از هوا فشرده خشک و تمیز به عنوان medium استفاده کرد، با فشار پرکنی 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. فشار گاز عملیاتی نیز می‌تواند به طور مناسب افزایش یابد و روش‌های نصب هوایی می‌توانند اتخاذ شوند تا تضمین شود که تجهیزات برای سطح ولتاژ فعلی UHV مناسب هستند.

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

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

۲.۱ تأیید فشار لوله مادر و هادی
در زمان استفاده از تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا، باید وضعیت تنش لوله مادر نوع لوله‌ای نیز در نظر گرفته شود. فشار داخلی ۰٫۶ مگاپاسکال است و ارتفاع مرکزی لوله مادر ۷٫۷ متر است. در سیستم انتقال موجود در فضای باز، بزرگترین 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 پشتیبانی سه‌راهی و هادی‌ها ثابت می‌شود.

اولاً، قطر خارجی لوله مادر ۵۰۰ میلی‌متر است و قطر خارجی هادی ۱۶۰ میلی‌متر است. اگر فشار داخلی وجود دارد، 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 مواد را شامل می‌شود؛ تنش اولیه هادی ۳٫۴۵ مگاپاسکال است که ۳٫۷۱٪ تنش مجاز آن را تشکیل می‌دهد. این نشان می‌دهد که وقتی قطر خارجی ثابت باقی می‌ماند، ضخامت دیواره تأثیر قابل توجهی بر پاسخ فشاری دارد، به ویژه تأثیر می‌گذارد 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.

ثانیاً، لوله‌های تحمل فشار در تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا - مانند لوله‌های فشاری و ارتفاع‌دهنده‌های ولتاژ بالا - عملکرد عملیاتی را تحت تأثیر قرار می‌دهند. تحلیل تنش ساختارهای لوله‌ای تحمل فشار دیواره نازک باید با استفاده از فرمول زیر برای محاسبه تنش عادی مداری σₜ در برش 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، برای سطوح ولتاژ بالاتر بوشینگ‌های با قطر بزرگتر ترجیح داده می‌شوند، در حالی که برای سطوح ولتاژ پایین‌تر بوشینگ‌های با قطر کوچکتر کافی است.

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 در مورد این گازها باید تقویت شود تا تفاوت‌های آنها در ویژگی‌های تماس الکتریکی درک شود. برای انگشتان تماس نوع بندی، می‌توان از SF₆ به عنوان medium عایق استفاده کرد تا به طور کامل از خصوصیات عالی خاموش‌کننده قوس و عایق آن بهره‌برداری شود. 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 درک می‌شود که قدرت دی‌الکتریک SF₆ به فشار گاز بستگی دارد - هرچه فشار بیشتر باشد، قدرت دی‌الکتریک بیشتر خواهد بود.

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 رعد و برق در منطقه وجود دارد، آنها تنش بر خطوط انتقال را افزایش می‌دهند، با ضریب ضربه ۱.۲۵. ابتدا، بر اساس شرایط تحمل ولتاژ متناوب و ضربه‌ای رعد و برق در منطقه، باید مقدار اوج 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 میدان الکتریکی E(x) در منطقه را محاسبه کرد تا سناریوهای نیازمند بهینه‌سازی شناسایی شوند:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
که در آن: x فاصله بین هادی و پوشش است؛ U ولتاژ اعمال شده به الکترود است؛ R شعاع داخلی پوشش است؛ و r شعاع خارجی هادی مرکزی است. این امکان ارزیابی آن را فراهم می‌کند که آیا سطح هادی مرکزی ممکن است تحت بیشترین میدان تخریب شود. ایمنی میدان الکتریکی باید کنترل شود و عملکرد مکانیکی افزایش یابد.

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

با طراحی بهینه با توجه به ساختار محصول و توانایی‌های تولید، می‌توان عملکرد عایق‌بندی بالا در شرایط ولتاژ ضربه‌ای رعد و باران را تضمین کرد. ثانیاً، اگر کامپارتمان گازی طولانی باشد، نصب تجهیزات انتقال گازی با ولتاژ بسیار بالا دشوار می‌شود. در چنین مواردی، می‌توان فشار گاز محلی را از طریق طراحی میدانی به ۰.۴-۰.۵ مگاپاسکال تنظیم کرد، که اجازه می‌دهد ذرات هادی تحت تأثیر میدان الکتریکی به طور طبیعی عمل کنند بدون اینکه تخلخل جزئی یا تخریب شکاف گازی رخ دهد.

در نهایت، بر اساس شرایط خاص تجهیزات عایق‌شده با گاز فراولترافلکسیبل (UHV)، قطر خارجی میله هدایت‌کننده باید به ۱۳۰ میلی‌متر و قطر داخلی پوشش به ۴۸۰ میلی‌متر طراحی شود. همچنین باید به بخش پلاگین توجه کرد: ضخامت دیواره باید بین ۳۰ تا ۴۰ میلی‌متر تنظیم شود و فاصله باید کمتر از ۱ میلی‌متر باشد. اگر شعاع برونی گوشه‌ای در منطقه پلاگین به ۵ میلی‌متر تنظیم شود، تغییرات قدرت میدان الکتریکی بهتر درک می‌شود—قوت میدان بالاتر نزدیک به گوشه با شعاع بزرگتر و قوت میدان پایین‌تر با شعاع کوچکتر. تحت شرایط کنترل تمرکز محلی میدان الکتریکی، باید از قوت میدان بیش از حد در فاصله جلوگیری شود تا طراحی اتصال الکتریکی اولیه برای تجهیزات عایق‌شده با گاز UHV و رضایت از تقسیم‌بندی سیگنال‌های میدان الکتریکی محقق شود.

۲.۴ طراحی عایق منطقه‌ای
از آنجا که عایقات در تجهیزات عایق‌شده با گاز UHV در کنار زمین عمل می‌کنند، ولتاژ فلش‌اور آنها کمتر از ولتاژ تخریب فاصله است که آن‌ها را نقطه ضعفی در عایق‌سازی الکتریکی می‌کند. بنابراین، باید توجه به فاصله‌ها تقویت شود و قوت میدان در شرایط ضربه‌ای برق رعدی برای طراحی صحیح اجزای عایق‌سازی درک شود.

۲.۴.۱ کنترل تقویت شده قوت میدان عایق
بر اساس شرایط ساخت پروژه، شرکت ما پدیده‌های فلش‌اور روی سطح عایقات، از جمله تأثیرات مواد عایق، ساختار و شارژ سطحی را مطالعه کرده است. همچنین باید آلودگی ذرات فلزی جلوگیری شود. با ترکیب گاز SF₆، مواد عایق و اجزای جاسازی شده، یک ساختار منطقه‌ای برای تجهیزات عایق‌شده با گاز UHV تضمین می‌شود. با توجه به تجربیات گذشته در طراحی عایقات، قوت میدان در حین عملیات می‌تواند به نیمی از میدان الکتریکی عادی فاصله عملیاتی محدود شود. برای تجهیزات عایق‌شده صرف با گاز SF₆، فشار گاز عملیاتی می‌تواند در حدود ۰.۴-۰.۵ مگاپاسکال نگهداری شود.

قوت میدان عمودی (Eₛ) می‌تواند با استفاده از:
Eₛ = ۴۵.۵p + ۱.۷,
که p فشار گاز است محاسبه شود. بنابراین، به تبع ولتاژ تحمل تجهیزات، قوت میدان طراحی شده در سطح هادی مرکزی می‌تواند در محدوده ۱۹.۹-۲۴.۵ kV/mm کنترل شود، در حالی که قوت میدان سطح عایق نباید بیش از ۱۰ kV/mm باشد. اطمینان از جاسازی عایقات درون میدان الکتریکی از افزایش ناگهانی میدان تحت تأثیر UHV جلوگیری می‌کند و خطر خرابی عایق را کاهش می‌دهد و امکان استفاده بلندمدت از تجهیزات انتقال عایق‌شده با گاز UHV در پروژه را فراهم می‌کند.

۲.۴.۲ طراحی بهینه شده عایق نوع لیوانی
با توجه به توپوگرافی پیچیده پروژه و نیاز به شبیه‌سازی میدان الکتریکی، طراحی عایق نوع لیوانی باید تقویت شود—به ویژه با حذف الکترود‌های محافظ. این ساختار امکان مشاهده قوت میدان نزدیک به سمت هادی فشار بالای عایق را فراهم می‌کند. اگر قوت میدان بالاست، مقدار حداکثری روی سطح برجسته ۱۲.۷ kV/mm و روی سطح مقعر ۱۳ kV/mm پیدا می‌شود؛ از بین رفتن این آستانه‌ها نشان‌دهنده عملکرد غیرعادی است. وقتی قوت میدان نزدیک به عایق بالاست، ولتاژ عملیاتی توان متناوب باید زیر ۳.۴ kV/mm نگهداری شود. نصب الکترود‌های محافظ روی عایق‌های نوع لیوانی میدان الکتریکی را بیشتر بهینه و شبیه‌سازی می‌کند.

با توجه به روش‌های اتصال الکتریکی قبلی، اندازه الکترود محافظ باید با دقت کنترل شود و اتصال‌دهنده پلاگین باید در گوشه عایق نوع لیوانی قرار داده شود تا تأثیر محافظ الکترودی آن تأکید شود، بدین ترتیب توزیع میدان الکتریکی تجهیزات انتقال عایق‌شده با گاز UHV بهبود می‌یابد.

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