Raziskave ultra visokonapetostne plinskih izoliranih prenosnih naprav

Z namenom aktivnega odzivanja na razvojne zahteve energetskega sektorja je naša podjetje poglobljeno preiskovalo napake pri gradnji omrežja v določenem območju ter zagotovilo obratovalno in vzdrževalno podporo za projekte toka enosmerne visoke napetosti (DC UHV) v višinskih regijah z namestitvijo in optimizacijo načrtov za opremo za prenos UHV. Skupna površina zemljišča gradbišča znaša 2.541,22 m², neto površina zemljišča pa 2.539,22 m². Geološki sloji na lokaciji gradnje, navedeni od zgoraj navzdol, so sestavljeni iz zemlje podobne lusu, lusa, paleopodlage in prstiaste gline – štirje sloji temeljnega tal. Geologija je kompleksna in je bila dalj časa izpostavljena učinkom na višini, kar lahko povzroči okvare v prenosnih vodih.

V tem kontekstu je naša podjetje izvedlo projektne izračune in ugotovilo, da je koeficient izrabe stavbnega zemljišča projekta 61,48 %, globina podzemne vodne ravni pa se giblje med 8,8 in 8,9 m, kar kaže določeno stopnjo korozivnosti za betonske konstrukcije v projektu. Naše podjetje se predvsem osredotoča na projekt prenosa in transformacije pri 110 kV, velikost gradnje pa je prikazana v tabeli 1.

Tabela 1: Velikost gradnje projekta plinom izoliranega prenosa UHV

Dodatno mora naša podjetja še naprej okrepiti razmislek o obsegu izdržljivosti pritiska UHV plinsko izolirane prenosne opreme in razumno uporabiti stojne izolatorje in izolatorje tipa činija, da se zagotovi dolgoročno stabilno delovanje transformatorjev.

1. Razvoj modela kontaktne upornosti
Ker je med delovanjem tega projekta pogosto možno pojavljanje preobremenjujočega toka skozi vodilne prevodi, je potrebno izogibati nastanku vodilnih točk. To lahko dosežemo z izboljšanjem razumevanja ploščine točke in obvladovanjem suženja tokovnih poti [1]. Tako s poslabšanjem nadzora na mestu za razumevanje sprememb okolišnjih tokov, se lahko na mikroskopski ravni analizira porazdelitev površine tal, zazemljujoči tok, vir energije in oddaljeni brezžični točke, kar omogoča temeljito razumevanje neravnomernosti, ki se pojavijo na kontaktih, kot je prikazano na Sliki 1.

Z ustanovitvijo kontaktnega modela ta članek, v kombinaciji z uporabo UHV plinsko izolirane prenosne opreme, definira dejansko suženjsko upornost ene kontaktne točke kot:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
kjer: Re predstavlja suženjsko upornost ene kontaktne točke; ρ₁ in ρ₂ so upornosti stikajočih materialov; in α označuje polmer kontaktne točke.

Tako se lahko velikost kontaktne upornosti natančno analizira s popravkom na osnovi konture pasovnih stikali. Poleg tega z pregledom materialnih parametrov izolacijske prenosne opreme v kontaktne območju postane mogoče določiti, kateri material bi moral biti uporabljen za povezavo, kot je prikazano v Tabeli 2.

Podnebni tlak UHV plinsko izolirane prenosne opreme je 1.000 kV, z najvišjim podnebnim tlakom 1.683 kV, s čimer se zagotavlja varnost prenosa energije. Njen prenosni kapacitet lahko doseže 2,4 do 5-krat več kot pri 500 kV EHV prenosu. Kao izolacijsko sredstvo se uporablja čist SF₆ plin, z polnilnim tlakom 0,3–0,4 MPa. Pri drugi generaciji GIL (Gas-Insulated Line) se uporablja mešanica 20 % SF₆ in 80 % N₂ po volumenskem odmeru kot izolacijsko sredstvo, z polnilnim tlakom 0,7–0,8 MPa. Alternativno se lahko uporabi suha in čista stisnjeni zrak kot sredstvo, z polnilnim tlakom 1–1,5 MPa. Zato bi izbira izolacijskega plina morala biti določena glede na krajevne pogoje, da se zagotovi stabilna delovanje UHV plinsko izolirane prenosne opreme v projektu. Delovni tlak plina se lahko tudi ustrezno poveča, in je mogoče uporabiti metode za vzpenjanje, da se zagotovi, da je oprema primerna za trenutno UHV napetost.

Osebje bi moralo tudi natančno spremljati stanje povezav glavnih materialnih spojev v UHV plinsko izolirani prenosni opremi, da se poveča njihova nosilnost. Prav tako je potrebno izračunati slankostni koeficient glavnih strukturnih členov:
λ₀ = kL₀ / r,
kjer: λ₀ označuje slankostni koeficient povezanega glavnega člena; k je popravni koeficient; L₀ je dolžina glavnega člena UHV plinsko izolirane prenosne opreme; in r je polmer gibanja glavnega člena.

2.Uporabni ukrepi za UHV plinsko izolirano prenosno opremo

2.1 Preverjanje napetosti materničnih cevovodov in vodnikov
Pri uporabi UHV plinsko izolirane prenosne opreme je treba upoštevati tudi stanje napetosti cevovodov tipa maternični cevovod. Notranji tlak je 0,6 MPa, in središčna višina materničnega cevovoda je 7,7 m. V obstoječem zunanjem prenosnem sistemu je največja razpona med dvema podpornima točkama 12 m. Zunanja sila, ki deluje na vodnik, je tudi 0,6 MPa, in dopustna napetost za oba komponenta je 110 MPa. Poleg tega je prenosni sistem fiksiran preko trije podporni izolatori in vodniki.

Prvič, zunanji premer materničnega cevovoda je 500 mm, in zunanji premer vodnika je 160 mm. Če je prisoten notranji tlak, mora ostati nespremenjen zunanji premer, in debelina stene bi morala biti ustrezno povečana - od 5 mm do 20 mm. Na podlagi krivulje sprememb napetosti-goslosti prvega glavnega stresa, je bilo ugotovljeno, da je začetni stres materničnega cevovoda 18,45 MPa, kar predstavlja 16,71 % dopustnega stresa materiala; začetni stres vodnika je 3,45 MPa, kar predstavlja 3,71 % njegovega dopustnega stresa. To kaže, da, ko ostane zunanji premer nespremenjen, goslost zelo vpliva na odziv na tlak, zlasti na prvi glavni stres cevovoda. Notranji tlak spremeni vrednosti stresa strukture cevovoda - zlasti za tanke stene - in ocenitvene metode GIL se lahko uporabijo za določitev, ali tlak vpliva na maternični cevovod in vodnik.

Drugič, tlakonoseči cevovodi v UHV plinsko izolirani prenosni opremi, kot so tlakonoseči cevovodi in visokonapetostni vodniki, vplivajo na operativno delovanje. Analiza stresa tlakonosečih struktur s tankimi stenami bi morala biti izvedena z naslednjo enačbo za izračun normalnega okoliškega stresa σₜ na longitudinalnem prerezu cevovoda:
σₜ = ρD / (2δ),
kjer: ρ je notranji tlak cevovoda; D je notranji premer cevovoda; in δ je debelina stene cevovoda. S spremembo ravni napetosti se za višje napetosti preferirajo večji premeri vstopnih cevovodov, medtem ko za nižje napetosti zadostujejo manjši premeri vstopnih cevovodov.

2.2 Pojasnitev električnih stikov plinov
Za UHV plinsko izolirano prenosno opremo se kot osnovni plini uporabljajo SF₆, mešanice dušika in kisika ter N₂. Raziskave teh plinov bi morale biti poslabšane, da bi se razumeli njihovi razliki v značilnostih električnih stikov. Za stikove tipa traka se lahko SF₆ uporablja kot izolacijsko sredstvo, da se v celoti izkoristi njegov odličen uglaševalni in izolacijski lastnosti. Skupna stikova upornost (Rₜ) se uporablja za opis električnega vedenja struktur, ki prenašajo tok:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
kjer: Rₚ je prostorska upornost; R꜀₁ je stikova upornost zgornje elektrode; in R꜀₂ je stikova upornost spodnje elektrode. Tako se razume, da dielektrična moč SF₆ odvisna je od tlaka plina - večji tlak, večja dielektrična moč.

2.3 Optimizacija dizajna elektrostatskega presledka
V tem projektu je notranje električno polje malo neenakomerno, z koeficientom neenakomerne 1,7. Če v regiji obstajajo pogoji za utrjevanje napetosti impulznega udara, bodo povečali stres na prenosnih linijah, z impulznim koeficientom 1,25. Prvič, glede na pogoje za utrjevanje napetosti na frekvenci in impulzni udar v regiji, bi se morala potrditi vrhovna vrednost v območju 1,6-1,7, da se zagotovi brezpotešno delovanje UHV plinsko izolirane prenosne opreme.

Z razumevanjem koaksialne valjkaste strukture, se lahko izračuna jakost električnega polja E(x) v regiji, da se identificirajo situacije, ki zahtevajo optimizacijo:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
kjer: x je razdalja med vodnikom in ohišjem; U je napetost, ki jo uporabimo na elektrod; R je notranji polmer ohišja; in r je zunanji polmer centralnega vodnika. To omogoča oceno, ali se površina centralnega vodnika lahko poškoduje pri največji jakosti polja. Varstvo električnega polja mora biti pod nadzorom, in mehanske lastnosti izboljšane.

Med namestitvijo infrastrukture električnega polja, bi se morala preveriti dejanska nosilnost UHV plinsko izolirane prenosne opreme na osnovi, in dokončati izračune stresa:
P = A × F,
kjer: P je nosilnost opreme; A je presek prenosne stolpa; in F je moč materiala. Dodatno, če je osnova sestavljena iz glinitih glini, mora biti podlaga utrjena, preden se nadaljuje s namestitvijo površinskih linij.

Z optimalnim dizajnom, ki upošteva strukturo izdelka in proizvodne zmogljivosti, se lahko zagotovi visoka izolacijska zmogljivost pod pogoji impulzne napetosti. Drugič, če je plinska komora dolga, postane namestitev UHV plinsko izolirane prenosne opreme težka. V takšnih primerih se lokalni delovni tlak plina lahko nastavi na 0,4-0,5 MPa skozi dizajn jakosti polja, kar omogoča, da se vodilne častice normalno gibljejo pod vplivom električnega polja, brez povzročanja delne razpršitve ali razbitja plinskog presledka.

Na koncu, glede na specifične pogoje za UHV plinsko izolirano opremo, naj bo zunani premer vodilnega traku oblikovan na 130 mm, notranji premer omara pa 480 mm. Posvetiti se mora tudi priključnemu delu: debelina stene naj bo postavljena na 30–40 mm, prostor pa mora biti <1 mm. Če je polmer zunanje skriviščnice priključnega področja nastavljen na 5 mm, je možno bolje razumeti spremembe električnega polja—višja jakost polja blizu skriviščnice ustreza večjemu polmeru, medtem ko nižja jakost polja ustreza manjšemu polmeru. Pod pogoji kontrole lokalne koncentracije električnega polja je treba preprečiti prekomerno jakost polja v prostoru, kar omogoča začetno oblikovanje električnega priključka za UHV plinsko izolirano opremo in zadovoljuje zahteve za porazdelitvijo signala električnega polja.

2.4 Racionalno oblikovanje izolatorjev
Ker izolatorji v UHV plinsko izolirani opremi delujejo ob tleh, je njihova napajna napetost nižja od napetosti za preboj v prostoru, kar jih čini šibkim mestom električne izolacije. Zato je treba okrepiti posvetovanje o prostorih in razumeti jakost polja pod pogoji bleskovih impulzov, da bi pravilno oblikovali izolirne komponente.

2.4.1 Okrepitvena kontrola jakosti polja izolatorjev
Glede na pogoje gradnje projekta je naša družba raziskovala pojav napajanja po površini izolatorjev, vključno z vplivom materiala izolatorja, strukture in površinskega naboja. Nujno je tudi izogibanje kontaminaciji s kovinskimi delci. Racionalna struktura za UHV plinsko izolirano opremo je zagotovljena z združevanjem SF₆ plina, izolirnih materialov in vdelanih komponent. S pomočjo preteklih izkušenj v oblikovanju izolatorjev lahko operacijska jakost polja omeji na polovico normalne operacijske napetosti v prostoru. Za čisto SF₆-izolirano opremo se lahko operacijski tlak plina vzdržuje na 0,4–0,5 MPa.

Vertikalna jakost polja (Eₛ) se lahko izračuna z uporabo enačbe:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
kjer je p tlak plina. Tako, glede na prevzemno napetost opreme, se lahko oblikovalna jakost polja na površini centralnega vodiča omeji na 19,9–24,5 kV/mm, medtem ko ne sme presegati 10 kV/mm na površini izolatorja. Z zagotavljanjem, da so izolatorji notranje vdelani v električno polje, se prepreči nenadni povečanji polja pod vplivom UHV, kar zmanjša tveganje za odpoved izolacije in omogoča dolgoročno uporabo UHV plinsko izolirane prenosne opreme v projektu.

2.4.2 Optimiziran dizajn izolatorjev v obliki kadi
Ob upoštevanju kompleksnega terena projekta in potrebe po simulaciji električnega polja, je treba okrepiti oblikovanje izolatorjev v obliki kadi, posebno z izpuščanjem ščitnih elektrod. Ta struktura omogoča opazovanje intenzitete električnega polja blizu visokonapetostnega vodiča izolatorja. Če je jakost polja visoka, se največja vrednost na izbočeni površini najde na 12,7 kV/mm in 13 kV/mm na vduti površini; presekanje teh pragov kaže na nepravilno delovanje. Ko je intenziteta električnega polja blizu izolatorja visoka, naj bi največja operacijska napetost pri redni frekvenci ostala pod 3,4 kV/mm. Namestitev ščitnih elektrod na izolatorjih v obliki kadi nadalje optimizira in simulira električno polje.

Sledenjem prejšnjim metodam električnega priključka, mora biti velikost ščitne elektrode natančno kontrolirana, električni priključni konektor pa mora biti nameščen na skriviščnico izolatorja v obliki kadi, da bi poudaril učinek ščitne elektrode, s tem izboljša porazdelitev električnega polja UHV plinsko izolirane prenosne opreme.

3. Zaključek
Za izpolnitev celostnih razvojnih zahtev energetskih podjetij mora naša družba nadalje okrepiti raziskave UHV plinsko izolirane prenosne opreme. Glede na specifične pogoje delovanja je treba analizirati in reševati probleme z metodo, kot je vzpostavitev modela kontaktne upornosti, preverjanje stresa matičnega vodiča in vodiča, razjasnjevanje karakteristik električnega stika z plinom, optimizacija oblikovanja prostora električnega polja in racionalno oblikovanje izolatorjev, s tem podaljša življenjsko dobo opreme.