Penyelidikan tentang Peralatan Penghantaran Gas-Pelekat Tegangan Ultra-Tinggi

Untuk merespon dengan aktif keperluan pembangunan industri tenaga, syarikat kami telah memperkukuhkan penyelidikan ke atas kesalahan pembinaan grid di suatu kawasan dan menyediakan sokongan operasi dan pemeliharaan untuk projek penghantaran dan transformasi DC UHV di kawasan berkelokan tinggi melalui pemasangan dan pengoptimuman skema reka bentuk peralatan penghantaran UHV. Luas kawasan tapak pembinaan adalah 2,541.22 m², dengan luas tanah bersih sebanyak 2,539.22 m². Lapisan geologi di tapak pembinaan, disenaraikan dari atas ke bawah, terdiri daripada tanah berwarna loess, loess, paleosol, dan lempung—empat lapisan tanah dasar. Geologi yang kompleks dan telah mengalami kesan ketinggian jangka panjang, boleh dengan mudah menyebabkan kegagalan laluan penghantaran.

Dalam konteks ini, syarikat kami telah melakukan pengiraan projek dan menentukan bahawa pekali bangunan projek adalah 61.48%, dan kedalaman permukaan air tanah berkisar antara 8.8 hingga 8.9 m, yang menunjukkan tahap korosiviti tertentu terhadap struktur konkrit dalam projek. Syarikat kami memberi tumpuan utama kepada projek penghantaran dan transformasi 110 kV, dan skala pembinaan ditunjukkan dalam Jadual 1.

Jadual 1: Skala Pembinaan Projek Penghantaran Terasing Gas UHV

Selain itu, syarikat kami juga perlu memperkuat pertimbangan terhadap julat tahanan tekanan peralatan transmisi gas-insulated UHV dan menerapkan secara munasabah insulator pos dan insulator bertipe mangkuk untuk memastikan operasi stabil jangka panjang transformator.

1. Pembangunan Model Rintangan Kontak
Kerana arus beban berlebihan melalui konduktor penghantar mudah berlaku semasa operasi projek ini, perlu mengelakkan pembentukan bercak konduksi. Ini boleh dicapai dengan meningkatkan pemahaman tentang kawasan bercak dan menguasai tingkah laku penyempitan laluan arus [1]. Oleh itu, dengan memperkuat pemerhatian di tapak untuk memahami perubahan dalam garis arus sekitar, taburan permukaan tanah, arus grounding, sumber kuasa, dan titik nirkabel jauh dapat dianalisis pada tahap mikroskopik, membolehkan pemahaman menyeluruh tentang isu ketidaksejajaran yang berlaku pada permukaan kontak, seperti ditunjukkan dalam Gambaraj 1.

Dengan membina model kontak, makalah ini, bersama-sama dengan aplikasi peralatan transmisi gas-insulated UHV, menentukan rintangan penyempitan sebenar bagi satu bercak kontak sebagai:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
dengan: Re mewakili rintangan penyempitan bagi satu bercak kontak; ρ₁ dan ρ₂ adalah rintangan jenis bahan yang bersentuhan; dan α menandakan jejari bercak kontak.

Oleh itu, magnitud rintangan kontak boleh dianalisis dengan tepat melalui kaedah pembetulan berdasarkan kontur jari-jari kontak strap. Selanjutnya, dengan mengkaji parameter bahan peralatan transmisi insulasi di kawasan kontak, menjadi mungkin untuk menentukan bahan mana yang harus digunakan untuk sambungan, seperti ditunjukkan dalam Jadual 2.

Julat tekanan yang dapat ditanggung oleh peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi (UHV) adalah 1,000 kV, dengan voltan tahan maksimum 1,683 kV, memastikan keselamatan penghantaran tenaga. Kapasiti penghantarannya boleh mencapai 2.4 hingga 5 kali kapasiti penghantaran EHV 500 kV. Gas SF₆ murni digunakan sebagai medium isolasi, dengan tekanan isi 0.3–0.4 MPa. Dengan GIL generasi kedua (Gas-Insulated Line), campuran 20% SF₆ dan 80% N₂ berdasarkan fraksi volumetrik digunakan sebagai medium isolasi, dengan tekanan isi 0.7–0.8 MPa. Alternatifnya, udara terkompresi yang kering dan bersih boleh digunakan sebagai medium, dengan tekanan isi 1–1.5 MPa. Oleh itu, pilihan gas isolasi harus ditentukan berdasarkan keadaan di tempat untuk memastikan operasi stabil peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi dalam projek. Tekanan gas operasi juga boleh ditingkatkan secara sesuai, dan kaedah pemasangan gantung boleh digunakan untuk memastikan peralatan sesuai dengan tahap voltan UHV semasa.

Pekerja juga harus memberi perhatian yang mendalam kepada keadaan sambungan bahan utama dalam peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi untuk meningkatkan kapasitas beban mereka. Nisbah panjang juga harus dikira:
λ₀ = kL₀ / r,
di mana: λ₀ menunjukkan nisbah panjang anggota utama yang disambung; k adalah pekali pembetulan; L₀ adalah panjang anggota utama peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi; dan r adalah jejari putaran anggota utama.

2. Tindakan Aplikasi untuk Peralatan Penghantaran Gas Bertekanan Ultra Tinggi

2.1 Penyemakan Tekanan Bus Duct dan Konduktor
Semasa aplikasi peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi, keadaan tekanan bus duct jenis pipa juga harus dipertimbangkan. Tekanan dalaman adalah 0.6 MPa, dan elevasi pusat bus duct adalah 7.7 m. Dalam sistem penghantaran luaran yang ada, rentang maksimum antara dua sokongan adalah 12 m. Daya luaran yang bertindak pada konduktor juga 0.6 MPa, dan tekanan yang dibenarkan untuk kedua-dua komponen adalah 110 MPa. Sistem penghantaran juga diperbaiki melalui insulator sokongan tiga arah dan konduktor.

Pertama, diameter luar bus duct adalah 500 mm, dan diameter luar konduktor adalah 160 mm. Jika terdapat tekanan dalaman, diameter luar harus tetap tidak berubah, dan ketebalan dinding harus ditingkatkan dari 5 mm hingga 20 mm. Berdasarkan kurva variasi tekanan-ketebalan tekanan utama, tekanan awal bus duct ditemui sebanyak 18.45 MPa, yang merupakan 16.71% daripada tekanan yang dibenarkan bahan; tekanan awal konduktor adalah 3.45 MPa, yang mewakili 3.71% daripada tekanan yang dibenarkan. Ini menunjukkan bahawa, apabila diameter luar tetap tidak berubah, ketebalan dinding sangat mempengaruhi respons tekanan, terutamanya mempengaruhi tekanan utama pertama pipa. Tekanan dalaman mengubah nilai tekanan struktur pipa—terutamanya untuk pipa dinding nipis—dan kaedah penilaian GIL boleh digunakan untuk menentukan sama ada tekanan mempengaruhi bus duct dan konduktor.

Kedua, pipa tekanan dalam peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi—seperti pipa tekanan dan riser voltan tinggi—mempengaruhi prestasi operasi. Analisis tekanan struktur pipa tekanan dinding nipis harus dilakukan menggunakan formula berikut untuk menghitung tekanan normal melingkar σₜ pada keratan rentas longitudinal pipa:
σₜ = ρD / (2δ),
di mana: ρ adalah tekanan dalaman pipa; D adalah diameter dalaman pipa; dan δ adalah ketebalan dinding pipa. Seiring perubahan tahap voltan, bushing diameter lebih besar dipilih untuk tahap voltan yang lebih tinggi, sementara bushing diameter lebih kecil cukup untuk tahap voltan yang lebih rendah.

2.2 Penjelasan Ciri-ciri Hubungan Elektrik Gas
Untuk peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi, gas utama yang digunakan termasuk SF₆, campuran nitrogen-oksigen, dan N₂. Penelitian tentang gas-gas ini harus diperkuat untuk memahami perbedaan ciri-ciri hubungan elektrik mereka. Untuk jari-jari kontak jenis strap, SF₆ boleh digunakan sebagai medium isolasi untuk sepenuhnya memanfaatkan sifat pemadam busur dan isolasi yang luar biasa. Rintangan kontak total (Rₜ) digunakan untuk menggambarkan perilaku elektrik struktur penghantar arus:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
di mana: Rₚ adalah rintangan badan; R꜀₁ adalah rintangan kontak elektroda atas; dan R꜀₂ adalah rintangan kontak elektroda bawah. Dengan demikian, kekuatan dielektrik SF₆ bergantung pada tekanan gas—semakin tinggi tekanan, semakin besar kekuatan dielektriknya.

2.3 Optimalisasi Reka Bentuk Jurang Medan Elektrik
Dalam projek ini, medan elektrik dalaman sedikit tidak seragam, dengan koefisien tidak seragam sekitar 1.7. Jika kondisi tahanan tegangan impuls petir ada di daerah tersebut, akan meningkatkan tekanan pada garis penghantaran, dengan koefisien impuls 1.25. Pertama, berdasarkan kondisi tahanan tegangan frekuensi daya dan impuls petir di daerah tersebut, nilai puncak harus dikonfirmasi dalam kisaran 1.6–1.7 untuk memastikan operasi tanpa gangguan peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi.

Memahami struktur silinder sepusat, kekuatan medan elektrik E(x) di daerah tersebut dapat dihitung untuk mengidentifikasi skenario yang memerlukan optimalisasi:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
di mana: x adalah jarak antara konduktor dan selubung; U adalah tegangan yang diterapkan pada elektroda; R adalah radius dalam selubung; dan r adalah radius luar konduktor pusat. Ini memungkinkan penilaian apakah permukaan konduktor pusat mungkin rusak di bawah kekuatan medan maksimum. Keamanan medan elektrik harus dikendalikan, dan kinerja mekanis ditingkatkan.

Selama setup infrastruktur medan elektrik, kapasitas beban peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi harus diverifikasi pada tingkat dasar, dan perhitungan tekanan diselesaikan:
P = A × F,
di mana: P adalah kapasitas beban peralatan; A adalah luas penampang menara transmisi; dan F adalah kekuatan bahan. Selain itu, jika dasarnya terdiri dari tanah liat pasir, subgrade harus dipadatkan sebelum instalasi garis gantung dilanjutkan.

Melalui desain yang dioptimalkan dengan mempertimbangkan struktur produk dan kemampuan manufaktur, kinerja isolasi tinggi dapat dipastikan dalam kondisi impuls petir. Kedua, jika kompartemen gas panjang, instalasi peralatan penghantaran gas bertekanan ultra tinggi menjadi menantang. Dalam kasus seperti itu, tekanan gas operasi lokal dapat diatur ke 0.4–0.5 MPa melalui desain medan, memungkinkan partikel konduktif beroperasi normal di bawah pengaruh medan elektrik tanpa memicu pelepasan parsial atau pemecahan celah gas.

Akhirnya, berdasarkan keadaan tertentu peralatan bertegangan ultra tinggi (UHV) yang terisolasi gas, diameter luar batang konduktor harus direka bentuk sebagai 130 mm, dan diameter dalam selubung sebagai 480 mm. Perhatian juga harus diberikan kepada bahagian penyambungan: ketebalan dinding harus ditetapkan pada 30–40 mm, dan jarak bebas harus <1 mm. Jika radius chamfer luar di kawasan penyambungan ditetapkan pada 5 mm, variasi kekuatan medan elektrik dapat lebih difahami—kekuatan medan yang lebih tinggi dekat chamfer berkaitan dengan radius yang lebih besar, sementara kekuatan medan yang lebih rendah berkaitan dengan radius yang lebih kecil. Dalam prinsip mengawal konsentrasi medan elektrik tempatan, kekuatan medan yang berlebihan dalam jurang harus dicegah, membolehkan reka bentuk sambungan elektrik awal untuk peralatan UHV terisolasi gas dan memenuhi keperluan pengedaran isyarat medan elektrik.

2.4 Reka Bentuk Insulator yang Rasional
Kerana insulator dalam peralatan UHV terisolasi gas beroperasi sepanjang tanah, tegangan flashover mereka lebih rendah daripada tegangan pemecahan jurang, menjadikannya titik lemah dalam isolasi elektrik. Oleh itu, pertimbangan jurang harus diperkuat, dan kekuatan medan di bawah keadaan impuls petir harus difahami untuk merancang komponen isolasi dengan tepat.

2.4.1 Kawalan Kekuatan Medan Insulator yang Ditingkatkan
Berdasarkan keadaan pembinaan projek, syarikat kami telah mempelajari fenomena flashover sepanjang permukaan insulator, termasuk kesan bahan insulator, struktur, dan muatan permukaan. Kontaminasi partikel logam juga harus dielakkan. Struktur yang rasional untuk peralatan UHV terisolasi gas dijamin dengan menggabungkan gas SF₆, bahan isolasi, dan komponen tertanam. Berdasarkan pengalaman reka bentuk insulator sebelumnya, kekuatan medan semasa operasi dapat dibatasi hingga setengah dari jurang medan elektrik operasi normal. Untuk peralatan yang hanya diisolasi oleh SF₆, tekanan gas operasi dapat dipertahankan pada 0.4–0.5 MPa.

Kekuatan medan elektrik menegak (Eₛ) boleh dikira menggunakan:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
di mana p adalah tekanan gas. Oleh itu, bergantung pada voltan tahanan peralatan, kekuatan medan reka bentuk di permukaan konduktor pusat dapat dikawal dalam 19.9–24.5 kV/mm, sementara kekuatan medan di permukaan insulator tidak boleh melebihi 10 kV/mm. Memastikan insulator tertanam dalaman dalam medan elektrik mencegah peningkatan mendadak medan di bawah pengaruh UHV, mengurangkan risiko kegagalan isolasi dan membolehkan aplikasi jangka panjang peralatan transmisi UHV terisolasi gas dalam projek.

2.4.2 Reka Bentuk Insulator Jenis Bekas yang Dioptimumkan
Mengingat topografi kompleks projek dan keperluan simulasi medan elektrik, reka bentuk insulator jenis bekas harus ditingkatkan—terutamanya dengan mengabaikan elektroda pelindung. Struktur ini membolehkan pemerhatian intensiti medan elektrik dekat sisi konduktor tegangan tinggi insulator. Jika kekuatan medan tinggi, nilai maksimum di permukaan cembung didapati 12.7 kV/mm dan 13 kV/mm di permukaan cekung; melampaui ambang ini menunjukkan operasi abnormal. Apabila intensiti medan elektrik dekat insulator tinggi, tegangan operasi frekuensi kuasa maksimum harus dikekalkan di bawah 3.4 kV/mm. Pemasangan elektroda pelindung pada insulator jenis bekas lebih mengoptimumkan dan mensimulasikan medan elektrik.

Mengikut kaedah sambungan elektrik sebelumnya, saiz elektroda pelindung harus dikawal dengan teliti, dan sambungan penyambung elektrik harus ditempatkan pada chamfer insulator jenis bekas untuk menekankan kesan pelindungan elektrodanya, dengan demikian meningkatkan pengedaran medan elektrik peralatan transmisi UHV terisolasi gas.

3. Kesimpulan
Untuk memenuhi keperluan pembangunan menyeluruh perusahaan tenaga, syarikat kami harus lebih menguatkan penyelidikan tentang peralatan transmisi UHV terisolasi gas. Berdasarkan keadaan operasi tertentu, masalah harus dianalisis dan diselesaikan melalui kaedah seperti penubuhan model rintangan kontak, pengesahan tekanan saluran bus dan konduktor, penjelasan ciri-ciri kontak elektrik gas, pengoptimuman reka bentuk jurang medan elektrik, dan reka bentuk insulator yang rasional—dengan demikian memanjangkan usia layanan peralatan.