Ricerca sull'attrezzatura di trasmissione isolata a gas ad ultra-alta tensione

Al fine di rispondere attivamente ai requisiti di sviluppo dell'industria elettrica, la nostra azienda ha intensificato le indagini sui guasti nella costruzione della rete in una certa area e ha fornito supporto operativo e di manutenzione per progetti di trasmissione e trasformazione UHV CC in regioni ad alta quota attraverso l'installazione e l'ottimizzazione dei piani di progettazione delle attrezzature di trasmissione UHV. L'area totale del sito di costruzione è di 2.541,22 m², con un'area netta di 2.539,22 m². I strati geologici sul sito di costruzione, elencati dal più alto al più basso, consistono in terreno argilloso, loess, paleosuolo e argilla sabbiosa - quattro strati di terreno fondamentale. La geologia è complessa ed è stata soggetta a lunghi effetti di alta quota, il che può facilmente portare a guasti nelle linee di trasmissione.

In questo contesto, la nostra azienda ha condotto calcoli del progetto e ha determinato che il coefficiente di costruzione del progetto è del 61,48% e la profondità del livello freatico varia da 8,8 a 8,9 m, il che mostra un certo grado di corrosività per le strutture in cemento del progetto. La nostra azienda si concentra principalmente su un progetto di trasmissione e trasformazione a 110 kV, e la scala di costruzione è mostrata nella Tabella 1.

Tabella 1: Scala di costruzione del progetto di trasmissione isolato a gas UHV

Inoltre, la nostra azienda deve ulteriormente rafforzare la considerazione dell'intervallo di resistenza alla pressione delle apparecchiature a isolamento a gas ad ultra-alta tensione e applicare in modo ragionevole i supporti isolanti posticipati e i supporti isolanti a coppa per garantire il funzionamento stabile a lungo termine dei trasformatori.

1. Sviluppo di un modello di resistenza di contatto
Essendo facile che durante l'operazione di questo progetto si verifichino correnti di sovraccarico attraverso i conduttori, è necessario evitare la formazione di punti di conduzione. Ciò può essere ottenuto migliorando la comprensione dell'area del punto e afferrando il comportamento di restrizione dei percorsi di corrente [1]. Pertanto, intensificando l'osservazione sul campo per comprendere le variazioni delle linee di corrente circostanti, la distribuzione della superficie del terreno, la corrente di terra, la fonte di alimentazione e i punti wireless remoti possono essere analizzati a livello microscopico, permettendo una comprensione approfondita dei problemi di irregolarità che si verificano sulle superfici di contatto, come mostrato nella Figura 1.

Stabilendo un modello di contatto, questo documento, in combinazione con l'applicazione delle apparecchiature a isolamento a gas ad ultra-alta tensione, definisce la resistenza effettiva di restrizione di un singolo punto di contatto come:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
dove: Re rappresenta la resistenza di restrizione di un singolo punto di contatto; ρ₁ e ρ₂ sono le resistività dei materiali in contatto; e α denota il raggio del punto di contatto.

Pertanto, l'entità della resistenza di contatto può essere analizzata accuratamente attraverso un metodo di correzione basato sul profilo delle dita di contatto a nastro. Inoltre, esaminando i parametri dei materiali dell'attrezzatura di trasmissione isolante nell'area di contatto, diventa possibile determinare quale materiale dovrebbe essere utilizzato per la connessione, come mostrato nella Tabella 2.

La gamma di resistenza alla pressione dell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV è di 1.000 kV, con una tensione massima di resistenza di 1.683 kV, garantendo la sicurezza della trasmissione di energia elettrica. La sua capacità di trasmissione può raggiungere 2,4-5 volte quella della trasmissione EHV a 500 kV. Si utilizza come mezzo di isolamento il gas puro SF₆, con una pressione di riempimento di 0,3–0,4 MPa. Con la seconda generazione di GIL (Gas-Insulated Line), si utilizza come mezzo di isolamento una miscela del 20% di SF₆ e dell'80% di N₂ in frazione volumetrica, con una pressione di riempimento di 0,7–0,8 MPa. In alternativa, può essere utilizzato come mezzo aria compressa asciutta e pulita, con una pressione di riempimento di 1–1,5 MPa. Pertanto, la scelta del gas isolante dovrebbe essere determinata in base alle condizioni sul posto per assicurare l'operatività stabile dell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV nel progetto. La pressione operativa del gas può anche essere adeguatamente aumentata, e possono essere adottati metodi di installazione aeree per garantire che l'equipaggiamento sia adatto al livello di tensione UHV attuale.

Il personale dovrebbe prestare particolare attenzione allo stato di connessione delle giunzioni dei materiali principali nell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV per migliorarne la capacità portante. È necessario calcolare anche il rapporto slendezza degli elementi strutturali principali:
λ₀ = kL₀ / r,
dove: λ₀ indica il rapporto slendezza dell'elemento principale connesso; k è il coefficiente di correzione; L₀ è la lunghezza dell'elemento principale dell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV; e r è il raggio di giro della sezione principale.

2.Misure di applicazione per l'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV

2.1 Verifica dello stress del bus duct e del conduttore
Nell'applicazione dell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV, è necessario considerare anche lo stato di stress del bus duct a tubo. La pressione interna è di 0,6 MPa, e l'elevazione centrale del bus duct è di 7,7 m. Nel sistema di trasmissione all'aperto esistente, la massima campata tra due supporti è di 12 m. La forza esterna agente sul conduttore è anch'essa di 0,6 MPa, e lo stress ammissibile per entrambi i componenti è di 110 MPa. Inoltre, il sistema di trasmissione è fissato tramite isolatori di supporto trifase e conduttori.

In primo luogo, il diametro esterno del bus duct è di 500 mm, e il diametro esterno del conduttore è di 160 mm. Se c'è una pressione interna, il diametro esterno deve rimanere invariato, e lo spessore della parete dovrebbe essere adeguatamente aumentato - da 5 mm a 20 mm. Basandosi sulla curva di variazione dello stress primario rispetto allo spessore, si scopre che lo stress iniziale del bus duct è di 18,45 MPa, rappresentando il 16,71% dello stress ammissibile del materiale; lo stress iniziale del conduttore è di 3,45 MPa, rappresentando il 3,71% dello stress ammissibile. Ciò indica che, quando il diametro esterno rimane costante, lo spessore della parete influenza significativamente la risposta alla pressione, influenzando in particolare lo stress principale del tubo. La pressione interna altera i valori di stress della struttura del tubo - specialmente per i tubi sottili - e i metodi di valutazione GIL possono essere utilizzati per determinare se la pressione influisce sul bus duct e sul conduttore.

In secondo luogo, i tubi a pressione nell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV, come i tubi a pressione e le prese ad alta tensione, influiscono sulle prestazioni operative. L'analisi dello stress delle strutture a tubo a parete sottile a pressione dovrebbe essere condotta utilizzando la seguente formula per calcolare lo stress normale circolare σₜ sulla sezione longitudinale del tubo:
σₜ = ρD / (2δ),
dove: ρ è la pressione interna del tubo; D è il diametro interno del tubo; e δ è lo spessore della parete del tubo. A seconda del livello di tensione, per i livelli di tensione più alti sono preferibili le prese a diametro maggiore, mentre per i livelli di tensione più bassi bastano le prese a diametro minore.

2.2 Chiarimento delle caratteristiche di contatto elettrico del gas
Per l'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV, i gas principali utilizzati includono SF₆, miscele di azoto-ossigeno e N₂. La ricerca su questi gas dovrebbe essere intensificata per comprendere le loro differenze nelle caratteristiche di contatto elettrico. Per le dita di contatto a nastro, può essere utilizzato SF₆ come mezzo di isolamento per sfruttare appieno le sue eccellenti proprietà di spegnimento dell'arco e di isolamento. La resistenza totale di contatto (Rₜ) viene utilizzata per descrivere il comportamento elettrico delle strutture portatrici di corrente:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
dove: Rₚ è la resistenza in massa; R꜀₁ è la resistenza di contatto dell'elettrodo superiore; e R꜀₂ è la resistenza di contatto dell'elettrodo inferiore. Si comprende quindi che la resistenza dielettrica di SF₆ dipende dalla pressione del gas - maggiore è la pressione, maggiore è la resistenza dielettrica.

2.3 Ottimizzazione della progettazione della fessura del campo elettrico
In questo progetto, il campo elettrico interno è leggermente non uniforme, con un coefficiente di non uniformità di circa 1,7. Se nella zona esistono condizioni di resistenza a impulsi fulminei, aumenteranno lo stress sulle linee di trasmissione, con un coefficiente di impulso di 1,25. In primo luogo, in base alle condizioni di resistenza a impulsi di potenza e di fulmine nella zona, il valore di picco dovrebbe essere confermato all'interno della gamma di 1,6–1,7 per garantire l'operatività senza problemi dell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV.

Comprendendo la struttura cilindrica coassiale, è possibile calcolare la forza del campo elettrico E(x) nella regione per identificare gli scenari che richiedono ottimizzazione:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
dove: x è la distanza tra il conduttore e l'involucro; U è la tensione applicata all'elettrodo; R è il raggio interno dell'involucro; e r è il raggio esterno del conduttore centrale. Ciò permette di valutare se la superficie del conduttore centrale potrebbe essere danneggiata sotto la massima forza del campo. La sicurezza del campo elettrico deve essere controllata e le prestazioni meccaniche migliorate.

Durante la configurazione dell'infrastruttura del campo elettrico, la capacità portante effettiva dell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV dovrebbe essere verificata a livello di fondazione, e completati i calcoli dello stress:
P = A × F,
dove: P è la capacità portante dell'equipaggiamento; A è l'area della sezione trasversale della torre di trasmissione; e F è la resistenza del materiale. Inoltre, se la fondazione è composta da argilla limosa, il terreno deve essere compatto prima di procedere con l'installazione delle linee aeree.

Attraverso un design ottimizzato, tenendo conto della struttura del prodotto e delle capacità di produzione, è possibile garantire alte prestazioni di isolamento sotto condizioni di impulsi fulminei. In secondo luogo, se la camera di gas è lunga, l'installazione dell'attrezzatura di trasmissione ad isolamento a gas UHV diventa difficile. In tali casi, la pressione operativa locale del gas può essere impostata a 0,4–0,5 MPa attraverso il design del campo, consentendo alle particelle conduttive di operare normalmente sotto l'influenza del campo elettrico senza indurre scariche parziali o rottura della fessura del gas.

Infine, in base alle condizioni specifiche dell'equipaggiamento isolato a gas ad ultra-alta tensione (UHV), il diametro esterno della barra conduttrice dovrebbe essere progettato a 130 mm, mentre il diametro interno del contenitore a 480 mm. È necessario prestare attenzione anche alla sezione di inserimento: lo spessore della parete dovrebbe essere impostato tra 30-40 mm, e la tolleranza deve essere <1 mm. Se il raggio di smussatura esterno dell'area di inserimento è fissato a 5 mm, la variazione della forza del campo elettrico può essere compresa meglio—una forza del campo più alta vicino allo smussamento corrisponde a un raggio maggiore, mentre una forza del campo più bassa corrisponde a un raggio minore. Sotto il presupposto di controllare la concentrazione locale del campo elettrico, è necessario prevenire l'eccessiva forza del campo nell'interstizio, consentendo così una progettazione preliminare della connessione elettrica per l'equipaggiamento isolato a gas UHV e soddisfacendo i requisiti di distribuzione dei segnali del campo elettrico.

2.4 Progettazione razionale dell'isolatore
Poiché gli isolatori nell'equipaggiamento isolato a gas UHV operano lungo il terreno, la loro tensione di fiammata è inferiore alla tensione di rottura dell'interstizio, rendendoli un punto debole nell'isolamento elettrico. Pertanto, è necessario rafforzare le considerazioni sull'interstizio e comprendere la forza del campo sotto condizioni di impulso di fulmine per progettare correttamente i componenti isolanti.

2.4.1 Controllo migliorato della forza del campo dell'isolatore
In base alle condizioni di costruzione del progetto, la nostra azienda ha studiato i fenomeni di fiammata lungo le superfici degli isolatori, inclusi gli effetti del materiale, della struttura e della carica superficiale degli isolatori. È necessario anche evitare la contaminazione da particelle metalliche. Una struttura razionale per l'equipaggiamento isolato a gas UHV è garantita combinando il gas SF₆, i materiali isolanti e i componenti incorporati. Traendo vantaggio dall'esperienza passata nella progettazione degli isolatori, la forza del campo durante l'operazione può essere limitata a metà di quella dello spazio normale di campo elettrico in funzione. Per l'equipaggiamento isolato solo con SF₆, la pressione di funzionamento del gas può essere mantenuta a 0.4–0.5 MPa.

La forza del campo elettrico verticale (Eₛ) può essere calcolata utilizzando:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
dove p è la pressione del gas. Di conseguenza, a seconda della tensione di resistenza dell'equipaggiamento, la forza del campo progettata sulla superficie del conduttore centrale può essere controllata entro 19.9–24.5 kV/mm, mentre la forza del campo sulla superficie dell'isolatore non deve superare i 10 kV/mm. Garantire che gli isolatori siano incorporati internamente nel campo elettrico previene aumenti improvvisi del campo sotto l'influenza UHV, riducendo il rischio di fallimento dell'isolamento e consentendo l'applicazione a lungo termine dell'equipaggiamento di trasmissione isolato a gas UHV nel progetto.

2.4.2 Progettazione ottimizzata dell'isolatore a coppa
Data la complessità del terreno del progetto e la necessità di simulazione del campo elettrico, la progettazione dell'isolatore a coppa deve essere migliorata—specificatamente omettendo gli elettrodi schermanti. Questa struttura permette di osservare l'intensità del campo elettrico vicino al lato del conduttore ad alta tensione dell'isolatore. Se la forza del campo è alta, si trova che il valore massimo sulla superficie convessa è di 12.7 kV/mm e 13 kV/mm sulla superficie concava; superare queste soglie indica un funzionamento anomalo. Quando l'intensità del campo elettrico vicino all'isolatore è alta, la tensione di funzionamento a frequenza industriale massima dovrebbe essere mantenuta al di sotto di 3.4 kV/mm. L'installazione di elettrodi schermanti sugli isolatori a coppa ottimizza ulteriormente e simula il campo elettrico.

Seguendo i metodi di connessione elettrica precedenti, la dimensione dell'elettrodo schermante dovrebbe essere controllata attentamente, e il connettore elettrico di inserimento dovrebbe essere posizionato sullo smussamento dell'isolatore a coppa per enfatizzare l'effetto di schermatura dell'elettrodo, migliorando così la distribuzione del campo elettrico dell'equipaggiamento di trasmissione isolato a gas UHV.

3. Conclusione
Per soddisfare i requisiti di sviluppo complessivo delle imprese elettriche, la nostra azienda deve ulteriormente rafforzare la ricerca sull'equipaggiamento di trasmissione isolato a gas UHV. In base alle condizioni operative specifiche, i problemi dovrebbero essere analizzati e affrontati attraverso metodi come l'istituzione di un modello di resistenza di contatto, la verifica dello stress del bus duct e del conduttore, la chiarificazione delle caratteristiche di contatto elettrico del gas, l'ottimizzazione della progettazione dell'interstizio del campo elettrico e la progettazione razionale degli isolatori—estendendo così la vita utile dell'equipaggiamento.