Istraživanje opreme za prijenos struje visokog napona s plinom kao izolatorom

U potrazi za aktivnim odgovorom na razvojne zahtjeve struke električne energije, naša tvrtka je pojačala istraživanje grešaka u izgradnji mreže u određenoj regiji te pružila operativnu i održavajuću podršku projektima DC UHV prijenosa i transformacije u visokoplaninskim područjima putem instalacije i optimizacije shema dizajna opreme za UHV prijenos. Ukupna površina zgrade iznosi 2.541,22 m², s čistom površinom zemljišta od 2.539,22 m². Geološke slojeve na lokaciji građevine, navedene s vrha prema dnu, čine tlo slično loessu, loess, paleosoil i šljunak—četiri sloja temeljnog tla. Geologija je kompleksna i podvrgnuta dugotrajnim visokoplaninskim učincima, što lako može dovesti do propusta prijenosnih linija.

U tom kontekstu, naša tvrtka je provedla projektna računanja i utvrdila da je koeficijent građevine projekta 61,48%, a dubina vodostaja podzemnih voda kreira raspon od 8,8 do 8,9 m, što pokazuje određeni stupanj korozivnosti na betonske strukture u projektu. Naša tvrtka se uglavnom fokusira na 110 kV projekt prijenosa i transformacije, a razmjere izgradnje su prikazane u tablici 1.

Tablica 1: Razmjere izgradnje UHV gasno-izoliranog projekta prijenosa

Osim toga, naša tvrtka također treba nadaljejačati razmatranje opsega otpornosti na pritisak UHV gas-insulirane prenosne opreme i razumno primijeniti post insulatori i bazenski tip insulatora kako bi se osiguralo dugotrajno stabilno funkcioniranje transformatora.

1. Razvoj modela kontaktnog otpora
Budući da je tokom rada ovog projekta lako doći do preopterećujućeg struja kroz voditelje, potrebno je izbjegavati stvaranje provodnih točk. To se može postići poboljšanjem razumijevanja područja točke i shvaćanjem ponašanja suženja putova struje [1]. Tako, intenzivirajući terensko promatranje kako bi se razumjeli promjeni okolnih linija struje, distribucija površine tla, zračnog strujanja, izvora struje i udaljenih bezžičnih točaka može se analizirati na mikroskopskoj razini, omogućujući temeljito razumijevanje nepravilnosti koje se javljaju na kontakt površinama, kao što je prikazano na slici 1.

Stvaranjem kontaktnog modela, ova rad u kombinaciji s primjenom UHV gas-insulirane prenosne opreme definira stvarni suženi otpor pojedine kontaktne točke kao:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
dok Re predstavlja suženi otpor pojedine kontaktne točke; ρ₁ i ρ₂ su električni otpori materijala u kontaktu; i α označava polumjer kontaktne točke.

Tako se veličina kontaktnog otpora može precizno analizirati kroz metodu korekcije temeljenu na konturi trakastih kontaktnih prstiju. Nadalje, ispitivanjem materijalnih parametara insulacijske prenosne opreme u kontakt području, postaje moguće utvrditi koji materijal treba koristiti za vezu, kao što je prikazano u tablici 2.

Područje otpornosti na tlak UHV gas-insulated prijenosne opreme je 1.000 kV, s maksimalnim otpornošću na napon od 1.683 kV, što osigurava sigurnost prijenosa struje. Njegova kapacitet prijenosa može doseći 2,4 do 5 puta veći kapacitet od 500 kV EHV prijenosa. Kao izolacijsko sredstvo koristi se čist SF₆ plin, s punjenjem pod tlakom od 0,3–0,4 MPa. Sa drugogeneracijskim GIL (Gas-Insulated Line) koristi se mješavina od 20% SF₆ i 80% N₂ po volumenu kao izolacijsko sredstvo, s punjenjem pod tlakom od 0,7–0,8 MPa. Alternativno, kao sredstvo može se koristiti suho i čisto stisnut zrak, s punjenjem pod tlakom od 1–1,5 MPa. Stoga bi izbor izolacijskog plina trebao biti određen prema lokalnim uvjetima kako bi se osigurala stabilna operacija UHV gas-insulated prijenosne opreme u projektu. Radni tlak plina također se može povećati, a mogu se koristiti metode nadzvučnog postavljanja kako bi se osiguralo da je oprema prilagođena trenutnom UHV nivou napona.

Osoblje bi također trebalo pažljivo pratiti stanje spojeva glavnih materijala u UHV gas-insulated prijenosnoj opremi kako bi se povećala njihova nosivost. Također bi se trebao izračunati slankostni omjer glavnih strukturnih elemenata:
λ₀ = kL₀ / r,
dok λ₀ označava slankostni omjer spojenog glavnog elementa; k je korekcijski koeficijent; L₀ je duljina glavnog elementa UHV gas-insulated prijenosne opreme; a r je poluprečnik rotacije glavnog elementa.

2.Mjere primjene za UHV gas-insulated prijenosnu opremu

2.1 Verifikacija naprezanja bus ducta i vodiča
Tijekom primjene UHV gas-insulated prijenosne opreme, mora se uzeti u obzir stanje naprezanja pipe-type bus ducta. Unutarnji tlak iznosi 0,6 MPa, a visina centra bus ducta je 7,7 m. U postojećem vanjskom prijenosnom sustavu, najveći razmak između dvaju potpora iznosi 12 m. Vanjska sila djelujuća na vodič iznosi također 0,6 MPa, a dopušteno naprezanje za obje komponente je 110 MPa. Osim toga, prijenosni sustav fiksira se putem trostruki potporne izolatore i vodiče.

Prvo, vanjski promjer bus ducta iznosi 500 mm, a vanjski promjer vodiča 160 mm. Ako postoji unutarnji tlak, vanjski promjer mora ostati nepromijenjen, a debljina zida treba se odgovarajuće povećati - sa 5 mm na 20 mm. Na temelju krivulje varijacije naprezanja-debljine prvog glavnog naprezanja, utvrđeno je da je početno naprezanje bus ducta 18,45 MPa, što čini 16,71% dopuštenog naprezanja materijala; početno naprezanje vodiča je 3,45 MPa, što predstavlja 3,71% dopuštenog naprezanja. To upućuje na to da, kada vanjski promjer ostane nepromijenjen, debljina zida značajno utječe na odaziv na tlak, posebno utječe na prvo glavno naprezanje cijevi. Unutarnji tlak mijenja vrijednosti naprezanja strukture cijevi - posebno za tankozidne cijevi - i metode procjene GIL-a mogu se koristiti za utvrđivanje utjecaja tlaka na bus duct i vodič.

Drugo, cijevi pod tlakom u UHV gas-insulated prijenosnoj opremi - poput tlakotrgačkih cijevi i visokonaponskih risera - utječu na operativne performanse. Analiza naprezanja tankozidnih cijevi pod tlakom treba se provesti koristeći sljedeću formulu za izračun normalnog okomitog naprezanja σₜ na dužinskom presjeku cijevi:
σₜ = ρD / (2δ),
dok ρ predstavlja unutarnji tlak cijevi; D je unutarnji promjer cijevi; a δ je debljina zida cijevi. S promjenom nivou napona, preferiraju se veći promjeri bushinga za više nivoe napona, dok manji promjeri bushinga dovoljni su za niže nivoe napona.

2.2 Razjašnjavanje karakteristika električnog kontakta plina
Za UHV gas-insulated prijenosnu opremu, primarni plinovi uključuju SF₆, mješavinu azota i kisika te N₂. Istraživanje ovih plinova treba jačati kako bi se razumjeli njihovi različiti električni karakteristici kontakta. Za kontaktne prste trake, SF₆ može se koristiti kao izolacijsko sredstvo kako bi se iskoristile njegove odlične svojstva u gašenju lukova i izolaciji. Ukupno električno otpor (Rₜ) koristi se za opisivanje električnog ponašanja strujono-nosnih struktura:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
dok Rₚ predstavlja grubi otpor; R꜀₁ je električni kontakt gornjeg elektroda; a R꜀₂ je električni kontakt donjeg elektroda. Time se razumijeva da dielektrična čvrstoća SF₆ ovisi o tlaku plina - što je veći tlak, veća je dielektrična čvrstoća.

2.3 Optimizacija dizajna električnog polja
U ovom projektu, unutarnje električno polje je blago neuniformno, s koeficijentom neuniformnosti oko 1,7. Ako u području postoje uvjeti otpornosti na udarni napon bleska, oni će povećati naprezanje na prijenosne linije, s koeficijentom udara od 1,25. Prvo, na temelju regionalnih uvjeta otpornosti na napon snage i udarni napon bleska, vrhovna vrijednost treba se potvrditi unutar raspona od 1,6–1,7 kako bi se osigurala bezprekidna radnja UHV gas-insulated prijenosne opreme.

Razumijevanje koaksijalne cilindrične strukture, jakost električnog polja E(x) u području može se izračunati kako bi se identificirali scenariji koji zahtijevaju optimizaciju:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
dok x predstavlja udaljenost između vodiča i ograda; U je napon primijenjen na elektrod; R je unutarnji polumjer ograda; a r je vanjski polumjer centralnog vodiča. To omogućuje procjenu toga može li se povrijediti površina centralnog vodiča pod maksimalnom jakosti polja. Sigurnost električnog polja mora se kontrolirati, a mehaničke performanse poboljšati.

Tijekom postavljanja infrastrukture električnog polja, treba provjeriti stvarnu nosivost UHV gas-insulated prijenosne opreme na temeljnom nivou, a izračuni naprezanja trebaju biti završeni:
P = A × F,
dok P predstavlja nosivost opreme; A je presjek prijenosne toranj; a F je čvrstoća materijala. Osim toga, ako se temelj sastoji od muljaste gljive, podloga mora biti utvrđena prije nego što nastavi instalacija nadzvučnih linija.

Kroz optimiziran dizajn uzimajući u obzir strukturu proizvoda i mogućnosti proizvodnje, može se osigurati visoka izolacijska performansa pod uvjetima udarnog napona. Drugo, ako je plinski odjeljak dug, instalacija UHV gas-insulated prijenosne opreme postaje izazov. U takvim slučajevima, lokalni radni tlak plina može se postaviti na 0,4–0,5 MPa kroz dizajn intenziteta polja, omogućujući da konduktivni čestice normalno funkcioniraju pod utjecajem električnog polja bez induciranja parcijalnog iscrpljenja ili propadanja plinskog razmaka.

Na kraju, na temelju specifičnih uvjeta za UHV plinsko izolirano opremu, vanjski promjer vodnog štapa treba dizajnirati na 130 mm, a unutarnji promjer ovojnog okvira na 480 mm. Treba također paziti na ugradnu sekciju: debljina zida treba biti postavljena na 30–40 mm, a razmak manji od 1 mm. Ako je vanjsi radijus na ugradnoj površini postavljen na 5 mm, varijacije jakosti električnog polja mogu bolje razumjeti—veća jakost polja bliže radijusu odgovara većem radijusu, dok manja jakost polja odgovara manjem radijusu. Pod pretpostavkom kontrole lokalne koncentracije električnog polja, mora se spriječiti previše jakost polja u razmaku, omogućujući inicijalni dizajn električne veze za UHV plinsko izoliranu opremu i zadovoljavajući zahtjeve za distribucijom signala električnog polja.

2.4 Racionalan dizajn izolatora
Budući da izolatori u UHV plinsko izoliranoj opremi rade uz tlo, njihova naponska vrijednost pri iskretanju je niža od naponske vrijednosti pri iskretanju razmaka, čineći ih slabim mjestom u električnoj izolaciji. Stoga mora se jače razmotriti razmak, te mora se razumjeti jakost polja pod uvjetima impulsnog udara munje kako bi se pravilno dizajnirali izolacijski komponenti.

2.4.1 Jačanje kontrole jakosti polja izolatora
Na temelju uvjeta izgradnje projekta, naša tvrtka istražila je pojave iskretanja duž površine izolatora, uključujući utjecaje materijala izolatora, strukture i površinskog naboja. Također se mora izbjegavati kontaminacija metalnim česticama. Racionalna struktura za UHV plinsko izoliranu opremu osigurana je kombinacijom SF₆ plina, izolacijskih materijala i ugrađenih komponenti. Istraživanjem prethodnog iskustva u dizajnu izolatora, jakost polja tijekom rada može se ograničiti na polovicu normalne radne razmake električnog polja. Za opremu čista SF₆ izoliranu, radni tlak plina može se održavati na 0.4–0.5 MPa.

Vertikalnu jakost električnog polja (Eₛ) može se izračunati koristeći:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
gdje je p tlak plina. Tako, ovisno o otpornosti opreme na naponsku vrijednost, dizajnirana jakost polja na površini središnjeg voda može se kontrolirati unutar 19.9–24.5 kV/mm, dok ne smije prelaziti 10 kV/mm na površini izolatora. Osiguravanje da su izolatori unutarnje ugrađeni u električno polje sprečava naglu porast jakosti polja pod utjecajem UHV, smanjujući rizik od propadanja izolacije i omogućujući dugoročnu primjenu UHV plinsko izolirane opreme za prijenos u projektu.

2.4.2 Optimizirani dizajn izolatora tipa posuda
Zbog složenog terena projekta i potrebe za simulacijom električnog polja, dizajn izolatora tipa posuda mora se poboljšati—posebno izostavljanjem ekranirajućih elektroda. Ova struktura omogućuje promatranje intenziteta električnog polja blizu visokonaponske strane voda izolatora. Ako je jakost polja velika, maksimalna vrijednost na konveksnoj površini iznosi 12.7 kV/mm, a 13 kV/mm na konkavnoj površini; prelazak ovih praga upućuje na nepravilan rad. Kada je intenzitet električnog polja blizu izolatora visok, maksimalno radno naponska vrijednost na frekvenciji struje treba se održavati ispod 3.4 kV/mm. Instalacija ekranirajućih elektroda na izolatorima tipa posuda dalje optimizira i simulira električno polje.

Slijedeći prethodne metode električne veze, veličina ekranirajućeg elektroda treba se pažljivo kontrolirati, a električni konektor za ugradnju treba postaviti na zaobljenje izolatora tipa posuda kako bi se naglasio njegov efekt ekraniranja, time poboljšavajući distribuciju električnog polja UHV plinsko izolirane opreme za prijenos.

3. Zaključak
Kako bi se ispunili kompleksni zahtjevi za razvojem energetskih poduzeća, naša tvrtka mora nadaljejačati istraživanja UHV plinsko izolirane opreme za prijenos. Na temelju specifičnih radnih uvjeta, probleme treba analizirati i rješavati putem metoda poput stvaranja modela kontaktne otpornosti, provjere naprezanja bus duktova i voda, razjašnjavanja karakteristika električnog kontakta plina, optimizacije dizajna razmaka električnog polja i racionalnog dizajna izolatora—time produžujući vijek trajanja opreme.