Ultra-high-voltage kaasujohdetun siirtolaitteen tutkimus

Vastauksena sähköalan kehitystarpeisiin yrityksemme on tiivistänyt tutkimuksiaan verkon rakentamisen ongelmiin tietyssä alueessa ja tarjosi operaatiotukia sekä ylläpitoa DC-UHV-siirto- ja muuntoprojekteille korkeilla alueilla asentamalla ja optimoimalla UHV-siirtolaitteiden suunnitteluratkaisuja. Rakennustilan kokonaispinta-ala on 2 541,22 m², josta puhtaa maapinta-alaa on 2 539,22 m². Rakennustilan geologiset kerrokset, lueteltuna ylhäältä alas, koostuvat loessimaisesta maaperästä, loessistä, paleosoidista ja limyväisestä saviasta – neljästa perusmaaperänkerroksesta. Geologia on monimutkainen ja se on altistunut pitkäaikaiselle korkean tason vaikutukselle, mikä voi helposti johtaa siirtolinjojen epäonnistumiseen.

Tässä yhteydessä yrityksemme suoritti hankkeen laskelmat ja määritti, että hankkeen rakennuskertoimen arvo on 61,48 %, ja maanalaisen veden pinnan syvyys vaihtelee 8,8–8,9 metrin välillä, mikä osoittaa tietyssä määrin kovavesisuuden betonirakenteita kohtaan tässä hankkeessa. Yrityksemme keskittyy pääasiassa 110 kV:n siirto- ja muuntoprojektiin, ja rakennustyön laajuus on esitetty Taulukossa 1.

Taulukko 1: UHV-kaasulevitetyn siirtohankkeen rakennustyön laajuus

Lisäksi yrityksen on vahvistettava UHV-kaasueristettyjen siirtolaitteiden sietokyvyn huomioimista ja sovellettava jälkikerroksia ja lautasenmuotoisia kerroksia kohtuudella varmistaakseen muuntajien pitkäaikaisen vakavan toiminnan.

1. Yhteyden vastusmallin kehittäminen
Koska tässä projektissa on mahdollista, että sähköjohtavien johtojen kautta kulkee ylikuormitusvirtaa, on vältettävä johtamispisteiden muodostumista. Tätä voidaan saavuttaa parantamalla ymmärrystä pistemäisestä alueesta ja käsittämällä virran polkujen supistuma [1]. Näin paikan päällä tehdyn havainnoinnin tiivistämällä voidaan ymmärtää ympäröivien virransuuntien muutokset, mikroskooppisesti analysoida maan pinnan, maanjohtovirran, virtalähteen ja etäverkkopisteiden jakautuminen, mikä mahdollistaa yksityiskohtaisen ymmärryksen kosketuspintojen epätasaista käyttäytymistä, kuten kuvassa 1 näkyy.

Kosketusmallin luomalla tämä artikkeli, yhdistettynä UHV-kaasueristettyjen siirtolaitteiden soveltamiseen, määrittelee yhden kosketuspisteen todellisen supistumisvastuksen seuraavasti:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
missä: Re edustaa yhden kosketuspisteen supistumisvastusta; ρ₁ ja ρ₂ ovat kosketuksessa olevien materiaalien vastuskykyjä; ja α tarkoittaa kosketuspisteen säde.

Näin kosketusvastuksen suuruus voidaan tarkasti analysoida korjausmenetelmän avulla perustuen nauhamainen kosketussormien rajaviivaa. Lisäksi tarkastelemalla eristyslaitteiden materiaaliparametreja kosketusalueessa voidaan määrittää, mikä materiaali tulisi käyttää yhteyteen, kuten taulukossa 2 näkyy.

UHV-kaasulevittävän siirtovälineen sijaintikelpoisuuden alue ulottuu 1 000 kV:ään, sen enimmäissijaintikelpoisuus on 1 683 kV, mikä takaa sähköntuotannon turvallisuuden. Siirtokapasiteettinsa voi olla 2,4–5 kertaa suurempi kuin 500 kV EHV-siirrossa. Puhdasta SF₆-kaasua käytetään eristämateriaalina, täyttötulireisku on 0,3–0,4 MPa. Toisessa sukupolvessa GIL (Gas-Insulated Line) -ratkaisussa käytetään 20 % SF₆:ta ja 80 % N₂:tä tilavuuseristämateriaalina, täyttötulireisku on 0,7–0,8 MPa. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää kuivaa ja puhdasta pakattua ilmaa eristämateriaalina, täyttötulireisku on 1–1,5 MPa. Siksi eristämateriaalin valinta pitäisi määrittää paikan päällä olevien olosuhteiden mukaan, jotta UHV-kaasulevittävän siirtovälineen toiminta projektissa olisi vakaa. Toimintatulireiskua voidaan myös asiallisesti nostaa, ja ylhäältä asennettavia menetelmiä voidaan käyttää varmistaaksemme, että laitteisto sopii nykyiseen UHV-jännitetasoon.

Henkilöstön tulisi kiinnittää erityistä huomiota UHV-kaasulevittävän siirtovälineen päämateriaalien yhdisteiden yhdistystilaan, jotta parannetaan niiden kantokykyä. Päärakenteellisten jäsenien pituusluku on laskettava:
λ₀ = kL₀ / r,
missä: λ₀ tarkoittaa yhdistettyä pääjäsenen pituuslukua; k on korjauskertoimia; L₀ on UHV-kaasulevittävän siirtovälineen pääjäsenen pituus; ja r on pääjäsenen pyöreästä hitausmomentista riippuva säde.

2. Sovellusmenetelmät UHV-kaasulevittävälle siirtovälineelle

2.1 Putkibusin ja johtimen jännityksen tarkistaminen
UHV-kaasulevittävän siirtovälineen soveltamisen aikana on myös otettava huomioon putkibusin jännitystila. Sisäinen paine on 0,6 MPa, ja busin keskipisteen korkeus on 7,7 m. Olemassa olevassa ulkoisessa siirtojärjestelmässä kahden tuen välinen suurin etäisyys on 12 m. Ulkopuolinen voima, joka vaikuttaa johtimeen, on myös 0,6 MPa, ja molempien komponenttien sallittu jännitys on 110 MPa. Lisäksi siirtojärjestelmä kiinnitetään kolmiportaisilla tuen eristimillä ja johtimilla.

Ensinnäkin, busin ulkopuolinen halkaisija on 500 mm, ja johtimen ulkopuolinen halkaisija on 160 mm. Jos sisäinen paine on läsnä, ulkopuolinen halkaisija on pysyttävä muuttumattomana, ja seinämän paksuuden tulisi oikeutetusti lisätä – 5 mm:stä 20 mm:ksi. Perusjännityksen paksuuden muutoskäyrän perusteella busin alkuperäinen jännitys on 18,45 MPa, mikä edustaa materiaalin sallitun jännityksen 16,71 prosenttia; johtimen alkuperäinen jännitys on 3,45 MPa, mikä edustaa sen sallitun jännityksen 3,71 prosenttia. Tämä osoittaa, että kun ulkopuolinen halkaisija pysyy vakiona, seinämän paksuus vaikuttaa merkittävästi painevasteeseen, erityisesti putken ensimmäiseen pääjännitykseen. Sisäinen paine muuttaa putkerakenteen jännitystarpeita – erityisesti ohujen seinämien tapauksessa – ja GIL-arviointimenetelmiä voidaan käyttää tarkistamaan, vaikuttaako paine busiin ja johtimeen.

Toiseksi, UHV-kaasulevittävän siirtovälineen painevastuiset putket, kuten paineputket ja korkeajänniteputket, vaikuttavat toimintasuorituskykyyn. Ohujen seinämien painevastuisten putkerakenteiden jännitysanalyysi pitäisi tehdä seuraavan kaavan avulla, jotta lasketaan putken pitkäsuoran poikkileikkauspiirin ympäri kulkeva normaalijännitys σₜ:
σₜ = ρD / (2δ),
missä: ρ on putken sisäinen paine; D on putken sisäinen halkaisija; ja δ on putken seinämän paksuus. Kun jännite muuttuu, suurempi-halkaisijaisia putkimuotoja suositellaan korkeammille jänniteille, kun taas pienemmät-halkaisijaisia putkimuotoja riittää alempiin jännitteisiin.

2.2 Kaasun sähköyhteyksien ominaisuuksien selvittäminen
UHV-kaasulevittävän siirtovälineen kannalta tärkeimpinä kaasuna käytetään SF₆:ta, typen-happe-seoksia ja N₂:ta. Nämä kaasut on tutkittava tarkemmin, jotta ymmärrettäisiin niiden erot sähköyhteyksien ominaisuuksissa. Solmitun kontaktisormen käsittelyssä SF₆:ta voidaan käyttää eristämateriaalina hyödyntääksemme sen erinomaisia kaaripäästöjen sammutus- ja eristöominaisuuksia. Kokonaiskontaktiresistanssi (Rₜ) kuvaa virtayhteyksien sähköistä käyttäytymistä:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
missä: Rₚ on kokonaisresistanssi; R꜀₁ on yläelektroodin kontaktiresistanssi; ja R꜀₂ on alaelektroodin kontaktiresistanssi. On ymmärrettävä, että SF₆:n dielektrinen vahvuus riippuu kaasupaineesta – mitä suurempi paine, sitä suurempi dielektrinen vahvuus.

2.3 Sähkökenttävälin optimointi
Tässä projektissa sisäinen sähkökenttä on hieman epätasainen, epätasaisuuskertoimen arvo on noin 1,7. Jos alueella on olemassa salaman pistoskestävyysolosuhteet, ne lisäävät stressiä siirtolinjoissa, pistoskerroin on 1,25. Ensinnäkin, alueen vaihtovirta- ja salaman pistoskestävyysolosuhteiden perusteella huippuarvon tulisi olla vahvistettu 1,6–1,7 välillä, jotta UHV-kaasulevittävän siirtovälineen toiminta olisi ongelmatonta.

Ymmärtämällä lieriöllisen rakenteen, sähkökentän voiman E(x) alueessa voidaan laskea, jotta tunnistetaan tilanteet, jotka vaativat optimointia:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
missä: x on johtimen ja kotelon välinen etäisyys; U on elektroodiin sovellettu jännite; R on kotelon sisäinen säde; ja r on keskusjohtimen ulkoinen säde. Tämä mahdollistaa arvioinnin, vaikuttaako maksimikentän voima keskusjohtimen pinnan mahdolliseen vaurioitumiseen. Sähkökentän turvallisuuden on oltava hallinnassa, ja mekaaniset ominaisuudet on parannettava.

Sähkökentän infrastruktuurin asennuksen aikana UHV-kaasulevittävän siirtovälineen todellista kantokykyä on vahvistettava perustason ja jännityslaskelmat on suoritettava:
P = A × F,
missä: P on laitteen kantokyky; A on siirtotornin poikkileikkausala; ja F on materiaalin vahvuus. Lisäksi, jos perusta koostuu limaseestä, subgeologian on tiivistettävä ennen ylhäältä asennettavia linjoja.

Optimoituun suunnitteluun, joka ottaa huomioon tuotteen rakenteen ja valmistuskyvyn, voidaan taata korkea eristöominaisuus salaman pistoskestävyysolosuhteissa. Toiseksi, jos kaasukammio on pitkä, UHV-kaasulevittävän siirtovälineen asentaminen tulee haastavaksi. Tällaisissa tapauksissa paikallinen toimintapaine voidaan asettaa 0,4–0,5 MPa kentän voiman suunnittelun avulla, jolloin johtavat osakeset voivat toimia normaalisti sähkökentän vaikutuksessa ilman osittaisen sähköiskun tai kaasuvälin romahdusta.

Lopulta, UHV-kaasulevitetyn laitteen erityisolojen mukaan johtokangas pitäisi suunnitella ulkohalkaisijaksi 130 mm ja kuoren sisähalkaisijaksi 480 mm. Huomiota on kiinnitettävä myös liitososioon: seinän paksuuden tulisi olla 30–40 mm, ja välistä on oltava <1 mm. Jos liitosalueen ulkopuolinen sivukulma asetetaan 5 mm, sähkökentän voiman vaihtelu voidaan ymmärtää paremmin—korkeampi kentän voima lähellä sivukulmaa vastaa suurempaa sädeä, kun taas pienempi kentän voima vastaa pienempää sädeä. Paikallisen sähkökentän konsentraation hallinnan edellytyksin on estettävä liian suuri kentän voima välissä, mikä mahdollistaa UHV-kaasulevitetyn laitteen alustavan sähköisen yhdistämisen suunnittelun ja täyttää sähkökentän signaalijakautumisen vaatimukset.

2.4 Järkevä eristysjohtimen suunnittelu
Koska UHV-kaasulevitetissä laitteessa toimivat eristysjohtimet ovat maan läheisesti, niiden sähköiskuvaaja jännite on alhaisempi kuin väliruutujen rikkoutumisjännite, mikä tekee niistä heikkoja kohtia sähköisessä eristyksessä. Siksi väliruutuihin on kiinnitettävä enemmän huomiota, ja on ymmärrettävä kentän voiman valojen iskun impulssien aikana, jotta eristyskomponentit voidaan suunnitella asianmukaisesti.

2.4.1 Eristysjohtimen kentän voiman vahvistettu hallinta
Hankkeen toteutusolosuhteiden mukaan yrityksemme on tutkinut eristysjohtimen pintaa pitkin tapahtuvia sähköiskuja, mukaan lukien eristysjohtimen materiaalin, rakenteen ja pintaladun vaikutukset. On myös vältettävä metallipartikkelien saastuttamista. Järkevä UHV-kaasulevitetyn laitteen rakenne on varmistettu yhdistämällä SF₆-kaasu, eristysmateriaaleja ja upotettuja komponentteja. Aiemman eristysjohtimensuunnittelun kokemuksen perusteella toiminnan aikana esiintyvää kentän voimaa voidaan rajoittaa puoleen normaalin toimintakentän väliruudusta. Puhdasta SF₆-eristyksellä varustetuissa laitteissa toimintajätepainetta voidaan ylläpitää 0.4–0.5 MPa.

Pystykentän voiman (Eₛ) voidaan laskea:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
missä p on kaasupaine. Näin ollen laitteen sähköiskun kestotason mukaan keskijohtimen pinnan suunniteltu kentän voima voidaan hallita 19.9–24.5 kV/mm, kun taas eristysjohtimen pinnan kentän voima ei saa ylittää 10 kV/mm. Eristysjohtimien sisäinen upotus sähkökenttään estää yhtäkkiä kentän voiman nousua UHV:n vaikutuksesta, mikä vähentää eristyksen epäonnistumisen riskiä ja mahdollistaa UHV-kaasulevitetyn siirtolaitehankkeen pitkäaikaisen käytön.

2.4.2 Optimoitu kulho-tyyppisen eristysjohtimen suunnittelu
Hankkeen monimutkaisen maaston ja sähkökentän simulointitarpeen vuoksi kulho-tyyppisen eristysjohtimen suunnittelua on parannettava—erityisesti hylkäämällä suojakelektrodit. Tämä rakenne mahdollistaa sähkökentän voiman havainnoinnin eristysjohtimen korkean jännitteen johtimen puolella. Jos kentän voima on korkea, maksimiarvo konveksi pinnalla on 12.7 kV/mm ja konkavi pinnalla 13 kV/mm; näiden arvojen ylittäminen viittaa poikkeavaan toimintaan. Kun eristysjohtimen läheinen sähkökentän voima on korkea, maksimiarvoiselle verkkojännitteelle on pidettävä alle 3.4 kV/mm. Suojakelektrodien asentaminen kulho-tyyppiseen eristysjohtimeen optimoi ja simuloi sähkökenttää entisestään.

Edellisten sähköisten yhdistämismenetelmien mukaisesti suojakelektrodin koko pitäisi tarkasti ohjata, ja sähköinen liitosliitin pitäisi sijoittaa kulho-tyyppisen eristysjohtimen sivukulmaan korostaakseen sen elektronin suojauksen vaikutusta, mikä parantaa UHV-kaasulevitetyn siirtolaitehankkeen sähkökentän jakautumista.

3. Yhteenveto
Sähköalan yritysten kattavien kehitystarpeiden täyttämiseksi yrityksemme on vahvistettava UHV-kaasulevitetun siirtolaitehankkeen tutkimusta. Erityiskohtien mukaan ongelmia on analysoitava ja ratkaistava menetelmiä, kuten yhteyden vastusmallin luomista, busbarin ja johtimen stressin vahvistamista, kaasun sähköisen yhteyden ominaisuuksien selvittämistä, sähkökentän väliruudun optimointia ja eristysjohtimien järkevää suunnittelua—mikä pidentää laitteen käyttöikää.