Исследование сверхвысоковольтного газонаполненного оборудования для передачи электроэнергии

Для активного реагирования на требования развития энергетической отрасли наша компания усилила исследования неисправностей в строительстве сетей в определенной области и предоставила поддержку по эксплуатации и обслуживанию проектов передачи и преобразования постоянного тока сверхвысокого напряжения (UHV) в высокогорных районах, установив и оптимизировав схемы проектирования оборудования для передачи UHV. Общая площадь строительной площадки составляет 2541,22 м², чистая площадь земли - 2539,22 м². Геологические слои на строительной площадке, начиная сверху, состоят из почвы, похожей на лёсс, лёсса, палеопочвы и суглинка — четыре слоя основного грунта. Геология сложная и подвергается долгосрочному воздействию высокогорья, что может легко привести к отказам линий передачи.

В этом контексте наша компания провела расчеты проекта и определила, что коэффициент застройки проекта составляет 61,48%, а глубина уровня грунтовых вод колеблется от 8,8 до 8,9 м, что оказывает определенную степень коррозии на бетонные конструкции в проекте. Наша компания в основном сосредоточена на проекте передачи и преобразования 110 кВ, масштабы строительства показаны в таблице 1.

Таблица 1: Масштабы строительства проекта передачи сверхвысокого напряжения с газовой изоляцией

Кроме того, нашей компании необходимо усилить внимание к диапазону выдерживаемого давления сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи и рационально применять опорные изоляторы и чашеобразные изоляторы, чтобы обеспечить долгосрочную стабильную работу трансформаторов.

1. Разработка модели контактного сопротивления
Поскольку во время эксплуатации данного проекта часто возникают перегрузочные токи через проводящие проводники, необходимо избегать образования проводящих точек. Это можно достичь, углубляя понимание области точки и овладевая поведением сужения путей тока [1]. Таким образом, усиливая наблюдение на месте, можно понять изменения в окружающих линиях тока, распределении поверхности земли, тока заземления, источника питания и удаленных беспроводных точек на микроскопическом уровне, что позволяет всесторонне понять неравномерные проблемы, возникающие на контактных поверхностях, как показано на рисунке 1.

Создав модель контакта, данная работа, в сочетании с применением сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи, определяет фактическое сопротивление сужения одной контактной точки как:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
где: Re представляет собой сопротивление сужения одной контактной точки; ρ₁ и ρ₂ — удельное сопротивление контактирующих материалов; а α обозначает радиус контактной точки.

Таким образом, величину контактного сопротивления можно точно проанализировать с помощью метода коррекции на основе контура ленточных контактных пальцев. Кроме того, исследуя параметры материала изоляционного оборудования в контактной зоне, можно определить, какой материал следует использовать для соединения, как показано в таблице 2.

Диапазон выдерживаемого давления сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи составляет 1000 кВ, с максимальным выдерживаемым напряжением 1683 кВ, что обеспечивает безопасность передачи электроэнергии. Его пропускная способность может достигать 2,4-5 раз по сравнению с передачей на уровне ЭВН 500 кВ. В качестве изоляционной среды используется чистый газ SF₆, с заполняющим давлением 0,3–0,4 МПа. Во втором поколении ГИЛ (газоизолированные линии) в качестве изоляционной среды используется смесь, состоящая из 20% SF₆ и 80% N₂ по объему, с заполняющим давлением 0,7–0,8 МПа. В качестве альтернативы можно использовать сухой и чистый сжатый воздух, с заполняющим давлением 1–1,5 МПа. Таким образом, выбор изоляционного газа должен определяться в зависимости от местных условий, чтобы обеспечить стабильную работу сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи в проекте. Давление рабочего газа также может быть соответствующим образом увеличено, и могут применяться методы надземной установки, чтобы оборудование было пригодно для текущего уровня сверхвысокого напряжения.

Персоналу также следует внимательно следить за состоянием соединений основных материалов в сверхвысоковольтном газоизолированном оборудовании передачи, чтобы повысить их несущую способность. Также необходимо рассчитать коэффициент стройности основных конструктивных элементов:
λ₀ = kL₀ / r,
где: λ₀ — коэффициент стройности соединенного основного элемента; k — коэффициент коррекции; L₀ — длина основного элемента сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи; r — радиус инерции основного элемента.

2.Меры применения сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи

2.1 Проверка напряжений шинопровода и проводника
При применении сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи необходимо учитывать состояние напряжений трубчатого шинопровода. Внутреннее давление составляет 0,6 МПа, центральная высота шинопровода — 7,7 м. В существующей наружной системе передачи максимальное расстояние между двумя опорами составляет 12 м. Внешняя сила, действующая на проводник, также составляет 0,6 МПа, допустимое напряжение для обоих компонентов — 110 МПа. Кроме того, система передачи фиксируется с помощью трехходовых опорных изоляторов и проводников.

Во-первых, внешний диаметр шинопровода составляет 500 мм, а внешний диаметр проводника — 160 мм. Если присутствует внутреннее давление, внешний диаметр должен оставаться неизменным, а толщина стенки должна быть соответственно увеличена — с 5 мм до 20 мм. На основе кривой изменения напряжения-толщины основного напряжения начальное напряжение шинопровода составляет 18,45 МПа, что составляет 16,71% допустимого напряжения материала; начальное напряжение проводника составляет 3,45 МПа, что составляет 3,71% его допустимого напряжения. Это указывает на то, что при постоянном внешнем диаметре толщина стенки значительно влияет на реакцию на давление, особенно влияя на первое главное напряжение трубы. Внутреннее давление изменяет значения напряжений в структуре трубопровода — особенно для тонкостенных труб, и методы оценки ГИЛ могут использоваться для определения, влияет ли давление на шинопровод и проводник.

Во-вторых, трубопроводы, выдерживающие давление, в сверхвысоковольтном газоизолированном оборудовании передачи, такие как трубопроводы под давлением и высоковольтные подъемники, влияют на эксплуатационные характеристики. Анализ напряжений тонкостенных трубопроводов, выдерживающих давление, следует проводить с использованием следующей формулы для расчета нормального окружного напряжения σₜ на продольном сечении трубы:
σₜ = ρD / (2δ),
где: ρ — внутреннее давление трубы; D — внутренний диаметр трубы; δ — толщина стенки трубы. По мере изменения уровня напряжения для более высоких уровней напряжения предпочтительны большие диаметры втулок, тогда как для более низких уровней напряжения достаточно меньших диаметров втулок.

2.2 Уточнение характеристик электрического контакта газа
Для сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи в качестве основных газов используются SF₆, смеси азота и кислорода, а также N₂. Исследования этих газов следует усилить, чтобы понять их различия в характеристиках электрического контакта. Для контактных пальцев типа ремня в качестве изоляционной среды можно использовать SF₆, чтобы в полной мере использовать его отличные свойства гашения дуги и изоляции. Полное контактное сопротивление (Rₜ) используется для описания электрического поведения токопроводящих конструкций:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
где: Rₚ — объемное сопротивление; R꜀₁ — контактное сопротивление верхнего электрода; R꜀₂ — контактное сопротивление нижнего электрода. Таким образом, становится понятно, что диэлектрическая прочность SF₆ зависит от давления газа — чем выше давление, тем больше диэлектрическая прочность.

2.3 Оптимизация проектирования воздушного зазора электрического поля
В данном проекте внутреннее электрическое поле слегка неоднородно, с коэффициентом неоднородности около 1,7. Если в регионе существуют условия выдерживания напряжения молниевого импульса, они увеличат напряжение на линиях передачи, с коэффициентом импульса 1,25. Во-первых, на основе условий выдерживания сетевого и молниевого импульсных напряжений в регионе, значение пика должно быть подтверждено в диапазоне 1,6–1,7, чтобы обеспечить бесперебойную работу сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи.

Понимание коаксиальной цилиндрической структуры позволяет рассчитать напряженность электрического поля E(x) в области, чтобы определить ситуации, требующие оптимизации:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
где: x — расстояние между проводником и оболочкой; U — напряжение, приложенное к электроду; R — внутренний радиус оболочки; r — внешний радиус центрального проводника. Это позволяет оценить, может ли поверхность центрального проводника быть повреждена при максимальной напряженности поля. Безопасность электрического поля должна контролироваться, а механические характеристики улучшаться.

При установке инфраструктуры электрического поля фактическая несущая способность сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи должна быть проверена на уровне основания, и должны быть выполнены расчеты напряжений:
P = A × F,
где: P — несущая способность оборудования; A — площадь поперечного сечения опоры передачи; F — прочность материала. Кроме того, если основание состоит из супеси, подоснова должна быть уплотнена перед установкой воздушной линии.

Благодаря оптимизированному проектированию, учитывающему конструкцию продукта и производственные возможности, можно обеспечить высокую изоляционную производительность в условиях молниевого импульса. Во-вторых, если газовая камера длинная, установка сверхвысоковольтного газоизолированного оборудования передачи становится сложной. В таких случаях местное рабочее давление газа может быть установлено на уровне 0,4–0,5 МПа через проектирование напряженности поля, что позволяет проводящим частицам нормально функционировать под воздействием электрического поля без вызова частичного разряда или пробоя газового зазора.

Наконец, исходя из конкретных условий сверхвысоковольтного (СВВ) газоизолированного оборудования, наружный диаметр проводника должен быть спроектирован как 130 мм, а внутренний диаметр оболочки — как 480 мм. Необходимо также обратить внимание на вставной участок: толщина стенки должна быть установлена в пределах 30–40 мм, а зазор должен быть <1 мм. Если радиус скругления наружной части вставного участка установлен на 5 мм, можно лучше понять изменение напряженности электрического поля — более высокая напряженность электрического поля рядом со скруглением соответствует большему радиусу, а меньшая напряженность — меньшему радиусу. При контроле локальной концентрации электрического поля необходимо предотвратить чрезмерную напряженность поля в зазоре, что позволяет выполнить предварительный дизайн электрического соединения для СВВ газоизолированного оборудования и удовлетворить требованиям распределения сигналов электрического поля.

2.4 Рациональный дизайн изолятора
Поскольку изоляторы в СВВ газоизолированном оборудовании работают вдоль земли, их напряжение пробоя ниже, чем напряжение пробоя зазора, что делает их слабым местом в электрической изоляции. Поэтому необходимо усилить учет зазоров и понимание напряженности поля при ударе молнии, чтобы правильно спроектировать изоляционные компоненты.

2.4.1 Усиленный контроль напряженности поля изолятора
На основе условий строительства проекта наша компания исследовала явления пробоя по поверхности изоляторов, включая влияние материала, структуры и заряда поверхности изолятора. Также необходимо избегать загрязнения металлическими частицами. Рациональная структура СВВ газоизолированного оборудования обеспечивается сочетанием газа SF₆, изоляционных материалов и встроенных компонентов. Опираясь на предыдущий опыт проектирования изоляторов, напряженность поля во время эксплуатации может быть ограничена до половины нормальной рабочей напряженности электрического поля зазора. Для оборудования, полностью изолированного SF₆, рабочее давление газа может поддерживаться на уровне 0,4–0,5 МПа.

Вертикальная напряженность электрического поля (Eₛ) может быть рассчитана по формуле:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
где p — давление газа. Таким образом, в зависимости от выносливости оборудования, проектная напряженность поля на поверхности центрального проводника может быть контролируема в пределах 19,9–24,5 кВ/мм, а напряженность поля на поверхности изолятора не должна превышать 10 кВ/мм. Обеспечение того, что изоляторы находятся внутри электрического поля, предотвращает резкие увеличения поля под воздействием СВВ, снижая риск отказа изоляции и позволяя долгосрочное применение СВВ газоизолированного оборудования передачи в проекте.

2.4.2 Оптимизированный дизайн изолятора типа «чаша»
Учитывая сложный рельеф проекта и необходимость моделирования электрического поля, дизайн изолятора типа «чаша» должен быть улучшен, особенно за счет исключения экранирующих электродов. Эта структура позволяет наблюдать за интенсивностью электрического поля близко к стороне высоковольтного проводника изолятора. Если напряженность поля высока, максимальное значение на выпуклой поверхности составляет 12,7 кВ/мм, а на вогнутой — 13 кВ/мм; превышение этих порогов указывает на ненормальное функционирование. Когда интенсивность электрического поля близко к изолятору высока, максимальное рабочее напряжение сети должно быть ниже 3,4 кВ/мм. Установка экранирующих электродов на изоляторах типа «чаша» дополнительно оптимизирует и моделирует электрическое поле.

Следуя предыдущим методам электрического соединения, размер экранирующего электрода следует тщательно контролировать, а электрический разъем-коннектор должен быть расположен на скруглении изолятора типа «чаша», чтобы подчеркнуть его эффект экранирования, тем самым улучшая распределение электрического поля СВВ газоизолированного оборудования передачи.

3. Заключение
Для удовлетворения комплексных требований развития энергетических предприятий наша компания должна усилить исследования СВВ газоизолированного оборудования передачи. На основе конкретных условий эксплуатации проблемы должны анализироваться и решаться с помощью таких методов, как создание модели контактного сопротивления, проверка напряжений шинопровода и проводника, уточнение характеристик газового электрического контакта, оптимизация дизайна зазора электрического поля и рациональное проектирование изоляторов, что позволит продлить срок службы оборудования.