超高圧ガス絶縁送電設備の研究

電力業界の発展要件に対応するため、当社は特定地域における電網建設障害の調査を強化し、高所でのDC UHV送変電プロジェクトの運行およびメンテナンス支援を行いました。これはUHV送電設備設計スキームの設置と最適化を通じて実現されました。建設現場の総面積は2,541.22 m²で、純粋な土地面積は2,539.22 m²です。建設現場の地層は上から順に黄土状土壌、黄土、古土壌、砂質粘土の4層構造となっています。この地質は複雑であり、長期間にわたる高地環境の影響を受けやすく、これが送電線路の故障につながりやすいです。

このような状況下で、当社はプロジェクト計算を行い、プロジェクトの建築係数が61.48%であることを決定しました。地下水位は8.8〜8.9 mの範囲で、プロジェクト内のコンクリート構造物に対して一定の腐食性を持つことが示されました。当社は主に110 kVの送変電プロジェクトに焦点を当てており、建設規模は表1に示されています。

表1：UHVガス絶縁送電プロジェクトの建設規模

さらに、当社はUHVガス絶縁送電設備の耐圧範囲についても考慮を強化し、支柱絶縁子とバジン型絶縁子を適切に使用して、変圧器の長期的な安定稼働を確保する必要があります。

1. 接触抵抗モデルの開発
本プロジェクトの運転中に導体を通る過負荷電流が発生しやすいため、導通スポットの形成を避ける必要があります。これはスポット領域の理解を深め、電流パスの収縮挙動を把握することで達成できます[1]。したがって、現場での観察を強化し、周囲の電流線の変化を理解することで、地表面の分布、接地電流、電源、および遠隔無線ポイントを微視的に分析し、接触面で発生する不均一性の問題を完全に理解することができます（図1参照）。

接触モデルを確立することにより、本論文ではUHVガス絶縁送電設備の適用と組み合わせて、単一接触スポットの実際の収縮抵抗を次のように定義します：
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
ここで：Reは単一接触スポットの収縮抵抗を表し、ρ₁とρ₂は接触材料の比抵抗であり、αは接触スポットの半径です。

このようにして、ストラップ型接触指の輪郭に基づく補正法を通じて接触抵抗の大きさを正確に分析することが可能です。さらに、絶縁送電設備の接触領域における材料パラメータを調査することで、どの材料を使用すべきかを決定することができます（表2参照）。

超高圧ガス絶縁送電設備の耐圧範囲は1,000 kVで、最大耐圧は1,683 kVであり、送電の安全性を確保しています。その送電容量は500 kV超高圧送電の2.4から5倍に達します。純粋なSF₆ガスが絶縁媒体として使用され、充填圧力は0.3–0.4 MPaです。第二世代GIL（ガス絶縁線）では、体積分数でSF₆ 20%とN₂ 80%の混合物が絶縁媒体として使用され、充填圧力は0.7–0.8 MPaです。また、乾燥した清潔な圧縮空気も絶縁媒体として使用でき、充填圧力は1–1.5 MPaです。そのため、絶縁ガスの選択は現場の状況に応じて決定し、プロジェクトでの超高圧ガス絶縁送電設備の安定稼働を確保する必要があります。動作ガス圧力を適宜増加させることもあり、架設方法を採用することで現在の超高圧レベルに適合させることが可能です。

また、超高圧ガス絶縁送電設備における主要材料接合部の接続状態にも注意を払う必要があります。主構造部材の細長比も計算する必要があります：
λ₀ = kL₀ / r,
ここで：λ₀は接続された主部材の細長比を示し、kは補正係数、L₀は超高圧ガス絶縁送電設備の主部材の長さ、rは主部材の慣性半径です。

2.超高圧ガス絶縁送電設備の適用措置

2.1 バスダクトおよび導体のストレス検証
超高圧ガス絶縁送電設備の適用において、パイプ型バスダクトのストレス状態も考慮する必要があります。内部圧力は0.6 MPaで、バスダクトの中心高さは7.7 mです。既存の屋外送電システムでは、2つの支持部間の最大スパンは12 mです。導体に作用する外力も0.6 MPaで、両部品の許容ストレスは110 MPaです。さらに、送電システムは三方向の支持絶縁子と導体によって固定されています。

まず、バスダクトの外径は500 mmで、導体の外径は160 mmです。内部圧力がある場合、外径は変更せず、壁厚を適切に増やす必要があります—5 mmから20 mmまで。一次ストレスのストレス-厚さ変化曲線に基づいて、バスダクトの初期ストレスは18.45 MPaであり、材料の許容ストレスの16.71%を占めています；導体の初期ストレスは3.45 MPaで、その許容ストレスの3.71%を占めています。これは、外径が一定の場合、壁厚が圧力応答に大きく影響すること、特にパイプの第一主ストレスに影響を与えることを示しています。内部圧力はパイプライン構造のストレス値、特に薄肉パイプのストレス値を変化させますが、GIL評価法を使用して圧力がバスダクトと導体に影響を与えるかどうかを判断することができます。

次に、超高圧ガス絶縁送電設備の圧力耐えパイプライン、例えば圧力パイプラインや高圧立上げパイプは、運転性能に影響を与えます。薄肉圧力耐えパイプライン構造のストレス解析には、以下の式を使用してパイプの断面の円周方向の正規ストレスσₜを計算します：
σₜ = ρD / (2δ),
ここで：ρはパイプの内部圧力、Dはパイプの内径、δはパイプの壁厚です。電圧レベルが変わるにつれて、より高い電圧レベルでは大径のブッシングが好まれ、低い電圧レベルでは小径のブッシングで十分です。

2.2 ガス電気接触特性の明確化
超高圧ガス絶縁送電設備では、主にSF₆、窒素酸素混合物、およびN₂が使用されます。これらのガスに関する研究を強化し、電気接触特性の違いを理解する必要があります。ストラップ型接触指では、SF₆を絶縁媒体として使用することで、その優れた消弧および絶縁特性を最大限に活用できます。全接触抵抗（Rₜ）は、通電構造の電気的挙動を記述するために使用されます：
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
ここで：Rₚは体積抵抗、R꜀₁は上部電極の接触抵抗、R꜀₂は下部電極の接触抵抗です。これにより、SF₆の誘電強度がガス圧力に依存すること、つまり圧力が高いほど誘電強度が大きくなることがわかります。

2.3 電界ギャップ設計の最適化
このプロジェクトでは、内部電界はわずかに不均一で、不均一係数は約1.7です。地域に雷衝撃耐電圧条件が存在する場合、それは送電線路のストレスを増加させ、衝撃係数は1.25になります。まず、地域の商用周波数および雷衝撃耐電圧条件に基づいて、ピーク値を1.6–1.7の範囲内で確認し、超高圧ガス絶縁送電設備の問題なく動作を確保する必要があります。

同軸円筒構造を理解することで、領域内の電界強度E(x)を計算し、最適化が必要なシナリオを特定することができます：
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
ここで：xは導体と覆いの距離、Uは電極に印加される電圧、Rは覆いの内径、rは中央導体の外径です。これにより、最大電界強度下で中央導体表面が損傷する可能性を評価することができます。電界の安全性を制御し、機械性能を向上させる必要があります。

電界インフラの設置中、基礎レベルでの超高圧ガス絶縁送電設備の実際の負荷能力を確認し、ストレス計算を完了する必要があります：
P = A × F,
ここで：Pは設備の負荷能力、Aは送電塔の断面積、Fは材料強度です。さらに、基礎が粘土質砂である場合、空中線設置前に地盤を固める必要があります。

製品構造と製造能力を考慮した最適化設計を通じて、雷衝撃条件下での高絶縁性能を確保することができます。また、ガス室が長い場合、超高圧ガス絶縁送電設備の設置が困難になります。このような場合、電界設計によって現地の動作ガス圧力を0.4–0.5 MPaに設定することで、電界の影響下で導電粒子が正常に動作し、部分放電やガスギャップの破壊を引き起こすことなく動作することが可能です。

最後に、UHVガス絶縁装置の具体的な条件に基づいて、導体棒の外径は130mm、容器の内径は480mmに設計する必要があります。また、プラグイン部分にも注意を払う必要があります：壁厚は30-40mmに設定し、クリアランスは<1mmにする必要があります。プラグイン領域の外面のカムアウト半径が5mmに設定されると、電場強度の変動をよりよく理解することができます—カムアウト近くでの高い電場強度は大きい半径に対応し、低い電場強度は小さい半径に対応します。局所的な電場集中を制御する前提で、ギャップ内の過度な電場強度を防ぐことで、UHVガス絶縁装置の初期電気接続設計を行い、電場信号分布要件を満たすことができます。

2.4 合理的な絶縁子設計
UHVガス絶縁装置の絶縁子は地上に沿って動作するため、その閃絡電圧はギャップ破壊電圧よりも低く、電気絶縁の弱点となります。したがって、ギャップに関する考慮事項を強化し、雷衝撃条件下での電場強度を理解して適切に絶縁部品を設計する必要があります。

2.4.1 絶縁子電場強度の強化された制御
プロジェクト建設条件に基づき、当社は絶縁子表面における閃絡現象を研究し、絶縁子材料、構造、表面電荷の影響を含めています。金属粒子汚染も避ける必要があります。SF₆ガス、絶縁材料、埋め込み部品を組み合わせることで、UHVガス絶縁装置の合理的な構造が確保されます。過去の絶縁子設計の経験を活用することで、運転中の電場強度を通常の運転電場ギャップの半分に抑えることができます。純粋なSF₆絶縁装置の場合、運転ガス圧力は0.4-0.5MPaに保つことができます。

垂直電場強度（Eₛ）は以下の式で計算できます：
Eₛ = 45.5p + 1.7,
ここでpはガス圧です。したがって、装置の耐電圧に応じて、中央導体表面の設計電場強度を19.9-24.5kV/mmに制御し、絶縁子表面の電場強度は10kV/mmを超えないようにすることが可能です。絶縁子が電場内に内部的に埋め込まれることで、UHVの影響下での急激な電場増加を防ぎ、絶縁故障のリスクを減らし、UHVガス絶縁送電装置の長期的なプロジェクト適用を可能にします。

2.4.2 最適化されたバセット型絶縁子設計
プロジェクトの複雑な地形と電場シミュレーションの必要性から、バセット型絶縁子設計を強化する必要があります—特にシールド電極を省略することです。この構造により、絶縁子の高電圧導体側付近の電場強度を観察することができます。電場強度が高い場合、凸面の最大値は12.7kV/mm、凹面では13kV/mmとなり、これらの閾値を超えると異常動作を示します。絶縁子周辺の電場強度が高い場合、最大商用電圧は3.4kV/mm以下に保つ必要があります。バセット型絶縁子にシールド電極を設置することで、電場をさらに最適化およびシミュレートすることができます。

従来の電気接続方法に従って、シールド電極のサイズを慎重に制御し、電気プラグインコネクタをバセット型絶縁子のカムアウトに配置することで、その電極シールド効果を強調し、UHVガス絶縁送電装置の電場分布を改善することができます。

3. 結論
電力企業の総合的な発展要件を満たすために、当社はUHVガス絶縁送電装置に関する研究をさらに強化する必要があります。具体的な運転条件に基づいて、接触抵抗モデルの確立、バスダクトと導体のストレス検証、ガス電気接触特性の明確化、電場ギャップ設計の最適化、そして絶縁子の合理的な設計などの方法を通じて問題を分析し解決することで、装置の寿命を延ばすことが可能です。