Onderzoek naar ultra-hoge-spanning gasgeïsoleerde transmissieapparatuur

Om actief te reageren op de ontwikkelingsvereisten van de elektriciteitsindustrie, heeft ons bedrijf zijn onderzoek naar fouten in het netwerk in een bepaald gebied versterkt en operationele en onderhoudssteun gegeven voor DC UHV transmissie- en transformatieprojecten in hooggelegen gebieden door het installeren en optimaliseren van UHV transmissieapparatuurontwerpen. De totale grondoppervlakte van de bouwplaats is 2.541,22 m², met een netto grondoppervlakte van 2.539,22 m². De geologische lagen op de bouwplaats, van boven naar beneden, bestaan uit kleiachtige bodem, loess, oude bodem en siltklei - vier lagen funderingsbodem. De geologie is complex en heeft lange tijd last gehad van effecten van hoge hoogte, wat gemakkelijk kan leiden tot storingen in de transmissielijnen.

In dit kader heeft ons bedrijf projectberekeningen uitgevoerd en bepaald dat de bebouwingsgraad van het project 61,48% is, en dat de diepte van het grondwater tussen 8,8 en 8,9 m varieert, wat een zekere mate van corrosiviteit heeft voor de betonconstructies in het project. Ons bedrijf richt zich voornamelijk op een 110 kV transmissie- en transformatieproject, waarvan de bouwschaal wordt weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1: Bouwschaal van het UHV gasgeïsoleerde transmissieproject

Daarnaast moet ons bedrijf ook de overweging van het drukverdruagingsbereik van UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur verder versterken en postisolatoren en schaalvormige isolatoren op een redelijke manier toepassen om de langdurige stabiele werking van transformatoren te waarborgen.

1. Ontwikkeling van een model voor contactweerstand
Aangezien tijdens de exploitatie van dit project overbelastingstroom door stroomdragers gemakkelijk kan voorkomen, is het nodig om de vorming van geleidende punten te voorkomen. Dit kan worden bereikt door de begrip van de plekgebieden te verbeteren en het vernauwgedrag van stroompaden te begrijpen [1]. Zo kan door intensivering van ter plaatse observatie de veranderingen in omliggende stroomlijnen worden begrepen, waardoor de verdeling van de grondoppervlakte, aardingstroom, energiebron en afstandsbediening draadloze punten op microscopisch niveau kunnen worden geanalyseerd, wat een grondig begrip geeft van de oneffenheidsproblemen die zich op contactoppervlakken voordoen, zoals weergegeven in Figuur 1.

Door een contactmodel op te stellen, definieert dit artikel, in combinatie met de toepassing van UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur, de werkelijke vernauwingweerstand van een enkel contactpunt als:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
waarbij: Re de vernauwingweerstand van een enkel contactpunt vertegenwoordigt; ρ₁ en ρ₂ de specifieke weerstanden van de contactmaterialen zijn; en α de straal van het contactpunt aanduidt.

Zodoende kan de grootte van de contactweerstand nauwkeurig worden geanalyseerd via een correctiemethode gebaseerd op het profiel van bandvormige contactvingers. Bovendien, door de materiaalparameters van de isolatie-transmissieapparatuur in het contactgebied te onderzoeken, wordt het mogelijk om vast te stellen welk materiaal voor de verbinding moet worden gebruikt, zoals weergegeven in Tabel 2.

De drukbestendigheidsbereik van UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur is 1.000 kV, met een maximale drukbestendigheid van 1.683 kV, waarmee de veiligheid van de elektriciteitsopwekking wordt gewaarborgd. Het transmissievermogen kan 2,4 tot 5 keer dat van 500 kV EHV-transmissie bereiken. Zuivere SF₆-gas wordt gebruikt als isolatiemiddel, met een vullingsdruk van 0,3–0,4 MPa. Met tweede-generatie GIL (Gas-Insulated Line) wordt een mengsel van 20% SF₆ en 80% N₂ per volumefractie gebruikt als isolatiemiddel, met een vullingsdruk van 0,7–0,8 MPa. Alternatief kan droge en schone gecomprimeerde lucht worden gebruikt als medium, met een vullingsdruk van 1–1,5 MPa. Daarom moet de keuze van het isolatiegas worden bepaald op basis van de ter plaatse aanwezige omstandigheden om stabiele werking van de UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur in het project te garanderen. De werkdruk van het gas kan ook gepast worden verhoogd, en overkopse installatiemethoden kunnen worden toegepast om ervoor te zorgen dat de apparatuur geschikt is voor het huidige UHV-spanningsniveau.

Personeel moet ook nauwlettend opletten op de verbindingstoestand van hoofdmateriaalverbindingen in UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur om hun draagvermogen te versterken. De slankheidsverhouding van de belangrijkste structuurelementen moet eveneens worden berekend:
λ₀ = kL₀ / r,
waarbij: λ₀ de slankheidsverhouding van het verbonden hoofdelement aangeeft; k de correctiefactor is; L₀ de lengte van het hoofdelement van de UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur is; en r de gyreradius van het hoofdelement is.

2.Toepassingsmaatregelen voor UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur

2.1 Controle van busleiding en geleiderstress
Tijdens de toepassing van UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur moet ook de stressconditie van de buisvormige busleiding worden beschouwd. De interne druk bedraagt 0,6 MPa, en de centrale hoogte van de busleiding is 7,7 m. In het bestaande buitenluifelsysteem is de maximale overspanning tussen twee steunpunten 12 m. De externe kracht die op de geleider werkt is ook 0,6 MPa, en de toegestane stress voor beide componenten is 110 MPa. Bovendien wordt het transmissiesysteem vastgezet via drie-wegsteunisolatoren en -geleiders.

Ten eerste is de buitendiameter van de busleiding 500 mm, en de buitendiameter van de geleider is 160 mm. Als er interne druk aanwezig is, moet de buitendiameter onveranderd blijven, en de wanddikte moet gepast worden vergroot – van 5 mm naar 20 mm. Op basis van de spanning-diktevariatiecurve van de primaire spanning wordt de initiële spanning van de busleiding gevonden op 18,45 MPa, wat 16,71% van de toegestane spanning van het materiaal uitmaakt; de initiële spanning van de geleider is 3,45 MPa, wat 3,71% van zijn toegestane spanning vertegenwoordigt. Dit geeft aan dat, wanneer de buitendiameter constant blijft, de wanddikte aanzienlijk de drukreactie beïnvloedt, vooral de eerste principale spanning van de buis. Interne druk verandert de spanningwaarden van de leidingstructuur – vooral voor dunwandige leidingen – en GIL-evaluatiemethoden kunnen worden gebruikt om te bepalen of de druk de busleiding en de geleider beïnvloedt.

Ten tweede beïnvloeden drukdragende leidingen in UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur – zoals drukleidingen en hogespanningsrisers – de operationele prestaties. Spanningsanalyse van dunwandige drukdragende leidingstructuren moet worden uitgevoerd met behulp van de volgende formule om de normaalspanning σₜ op de longitudinale doorsnede van de leiding te berekenen:
σₜ = ρD / (2δ),
waarbij: ρ de interne druk van de leiding is; D de binnendiameter van de leiding is; en δ de wanddikte van de leiding is. Naarmate het spanningniveau verandert, worden grotere diameter bushings voor hogere spanningniveaus verkozen, terwijl kleinere diameter bushings voldoende zijn voor lagere spanningniveaus.

2.2 Verduidelijking van gaselectrische contacteigenschappen
Voor UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur worden voornamelijk SF₆, stikstof-zuurstofmixtures en N₂ gebruikt. Onderzoek naar deze gassen moet worden versterkt om hun verschillen in electrische contacteigenschappen te begrijpen. Voor bandvormige contactvingers kan SF₆ worden gebruikt als isolatiemiddel om optimaal gebruik te maken van zijn uitstekende boogdoof- en isolatieeigenschappen. De totale contactweerstand (Rₜ) wordt gebruikt om het elektrische gedrag van stroomdraagstructuren te beschrijven:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
waarbij: Rₚ de bulkweerstand is; R꜀₁ de contactweerstand van de bovenelectrode is; en R꜀₂ de contactweerstand van de onderelectrode is. Hieruit blijkt dat de diëlektrische sterkte van SF₆ afhankelijk is van de gasdruk – hoe hoger de druk, hoe groter de diëlektrische sterkte.

2.3 Optimalisatie van elektrisch veldgatontwerp
In dit project is het interne elektrisch veld enigszins niet-uniform, met een non-uniformiteitscoëfficiënt van ongeveer 1,7. Als in het gebied bliksemimpulsdrukbestendigheidvoorwaarden bestaan, zullen deze de spanning op de transmissielijnen verhogen, met een impulscoëfficiënt van 1,25. Ten eerste moet, op basis van de netfrequentie en bliksemimpulsdrukbestendigheidvoorwaarden in de regio, de piekwaarde binnen het bereik van 1,6–1,7 worden bevestigd om probleemloze werking van de UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur te waarborgen.

Begrijpend de coaxiale cilindrische structuur, kan de elektrisch veldsterkte E(x) in het gebied worden berekend om scenario's te identificeren die optimalisatie vereisen:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
waarbij: x de afstand tussen de geleider en de behuizing is; U de spanning die op de elektrode wordt aangebracht is; R de binnensradius van de behuizing is; en r de buitensradius van de centrale geleider is. Dit stelt in staat te beoordelen of het oppervlak van de centrale geleider onder maximale veldsterkte kan worden beschadigd. Elektrisch veldveiligheid moet worden gecontroleerd, en mechanische prestaties moeten worden verbeterd.

Tijdens de inrichting van elektrisch veldinfrastructuur moet het daadwerkelijke draagvermogen van de UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur op grondslag niveau worden geverifieerd, en de spanningberekeningen worden voltooid:
P = A × F,
waarbij: P het draagvermogen van de apparatuur is; A het doorsnijdsoppervlak van de transmissietoren is; en F de materiaalkracht is. Bovendien, als de fundering bestaat uit siltklei, moet de ondergrond worden aangestampt voordat de overkopse lijninstallatie doorgaat.

Door geoptimaliseerd ontwerp rekening houdend met productstructuur en productiecapaciteit kan hoge isolatieprestatie onder bliksemimpulsomstandigheden worden gewaarborgd. Ten tweede, als de gascompartiment lang is, wordt de installatie van UHV-gasgeïsoleerde transmissieapparatuur uitdagend. In dergelijke gevallen kan de lokale werkdruk van het gas worden ingesteld op 0,4–0,5 MPa door veldsterkteontwerp, waardoor geleidende deeltjes normaal kunnen functioneren onder invloed van het elektrisch veld zonder partiële ontlading of gasgatbreuk te veroorzaken.

Ten slotte, op basis van de specifieke omstandigheden van UHV gasgeïsoleerde apparatuur, moet de buitenste diameter van de geleider staaf worden ontworpen als 130 mm, en de binnenste diameter van de behuizing als 480 mm. Ook moet er aandacht besteed worden aan het insteekgedeelte: de wanddikte moet ingesteld worden op 30–40 mm, en de spekruimte moet <1 mm zijn. Als de buitenslagingsstraal van het insteekgedeelte wordt ingesteld op 5 mm, kan de variatie in elektrisch veldsterkte beter worden begrepen—een hogere veldsterkte in de buurt van de slagingsrand correspondeert met een grotere straal, terwijl een lagere veldsterkte overeenkomt met een kleinere straal. Onder de voorwaarde van het beheersen van lokale concentraties van elektrisch veld, moet te sterke veldsterkte in de spleet worden voorkomen, waardoor een voorlopige elektrische verbindingontwerp voor UHV gasgeïsoleerde apparatuur mogelijk wordt en de eisen voor de verdeling van elektrisch veldsignalen kunnen worden voldaan.

2.4 Rationeel isolatorontwerp
Aangezien isolatoren in UHV gasgeïsoleerde apparatuur langs de grond werken, is hun bliksemslaande spanning lager dan de scheidingspanning, waardoor ze een zwak punt in de elektrische isolatie vormen. Daarom moeten scheidingsaspecten worden versterkt, en de veldsterkte onder bliksemimpulsvoorwaarden begrepen worden om de isolerende componenten goed te kunnen ontwerpen.

2.4.1 Versterkte controle van de veldsterkte van de isolator
Op basis van de projectbouwomstandigheden heeft ons bedrijf de flitsverschijnselen langs isolatoroppervlakken bestudeerd, inclusief de effecten van isolatiemateriaal, structuur en oppervlaktebelading. Metaaldesintegratie moet ook worden vermeden. Een rationele structuur voor UHV gasgeïsoleerde apparatuur wordt gegarandeerd door SF₆-gas, isolatiematerialen en ingebedde componenten te combineren. Op basis van eerdere ervaringen met isolatorontwerp, kan de veldsterkte tijdens bedrijf beperkt worden tot de helft van de normale bedrijfsveldspleet. Voor zuiver SF₆-geïsoleerde apparatuur kan de werkingsgasdruk op 0,4–0,5 MPa worden gehouden.

De verticale elektrische veldsterkte (Eₛ) kan worden berekend met:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
waarbij p de gasdruk is. Afhankelijk van de weerstandsvermogen van de apparatuur, kan de ontwerpsterkte op het oppervlak van de centrale geleider worden beheerst binnen 19,9–24,5 kV/mm, terwijl de veldsterkte op het oppervlak van de isolator niet mag overschrijden 10 kV/mm. Het zorgen ervoor dat de isolatoren intern zijn ingebed in het elektrisch veld voorkomt abrupte stijgingen van het veld onder invloed van UHV, waardoor het risico op isolatiefouten wordt verminderd en de langdurige toepassing van UHV gasgeïsoleerde transmissieapparatuur in het project mogelijk wordt.

2.4.2 Geoptimaliseerd komvormig isolatorontwerp
Gezien het complexe terrein van het project en de behoefte aan elektrisch veldsimulatie, moet het komvormig isolatorontwerp worden versterkt—specifiek door afschermende elektroden weg te laten. Deze structuur stelt waarneming van de elektrische veldintensiteit in de buurt van de hoogspanningsgeleiders zijde van de isolator mogelijk. Als de veldsterkte hoog is, wordt de maximale waarde op het convexe oppervlak gevonden op 12,7 kV/mm en 13 kV/mm op het concave oppervlak; deze drempels te overschrijden wijst op abnormaal functioneren. Wanneer de elektrische veldintensiteit in de buurt van de isolator hoog is, moet de maximale netfrequentieoperatie-spanning onder 3,4 kV/mm worden gehouden. De installatie van afschermende elektroden op komvormige isolatoren optimaliseert en simuleert het elektrisch veld verder.

Volgens eerdere elektrische aansluitmethoden moet de grootte van de afschermende elektrode zorgvuldig worden gecontroleerd, en de elektrische insteekverbinding moet worden geplaatst bij de slagingsrand van de komvormige isolator om de afschermeffecten van de elektrode te benadrukken, waardoor de elektrische veldverdeling van UHV gasgeïsoleerde transmissieapparatuur wordt verbeterd.

3. Conclusie
Om aan de algemene ontwikkelingsvereisten van energiebedrijven te voldoen, moet ons bedrijf de onderzoekingen naar UHV gasgeïsoleerde transmissieapparatuur verder versterken. Op basis van specifieke bedrijfsomstandigheden moeten problemen worden geanalyseerd en aangepakt door middel van methoden zoals het opzetten van een contactweerstandmodel, het verifiëren van busleiding- en geleiderstress, het verduidelijken van gas-elektrische contactkenmerken, het optimaliseren van elektrisch veldspleetontwerp en het rationeel ontwerpen van isolatoren, waardoor de levensduur van de apparatuur wordt verlengd.