Istraživanje opreme za prenos na ultra visokim napona s plinom kao izolatorom

U cilju aktivnog odgovora na zahteve razvoja elektrane industrije, naša kompanija je intenzifikovala istraživanje grešaka u izgradnji mreže u određenoj zoni i pružila operativnu i održavanjsku podršku DC UHV projektnim prenosnim i transformacionim projektima u visokoplaninskim regijama kroz instalaciju i optimizaciju dizajna UHV prenosnih opreme. Ukupna površina gradilišta iznosi 2.541,22 m², sa čistom površinom zemljišta od 2.539,22 m². Geološki slojevi na gradilištu, navedeni s vrha prema dnu, sastoje se od loše podobne zemlje, loše, paleosoil-a i gliničanog gruntu - četiri sloja temeljnog tla. Geologija je kompleksna i bila je podvrgnuta dugotrajnim visokoplaninskim efektima, što lako može dovesti do grešaka u prenosnoj liniji.

U ovom kontekstu, naša kompanija je izvršila projektna izračunavanja i utvrdila da je koeficijent građevine projekta 61,48%, a dubina vodene površine se kreće od 8,8 do 8,9 m, što pokazuje određenu stepen korozivnosti na betonske strukture u projektu. Naša kompanija se uglavnom fokusira na 110 kV prenosni i transformacioni projekat, a obim izgradnje prikazan je u Tabeli 1.

Tabela 1: Obim izgradnje UHV gas-insuliranih prenosnih projekata

U tom smislu, naša kompanija takođe treba da još više unapredi razmatranje opsega otpornosti na pritisak UHV gasno-izolovane prenosne opreme i da racionalno primeni post insulatori i čašasti insulatori kako bi se osigurala dugoročna stabilna operacija transformatora.

1. Razvoj modela kontaktnog otpora
Budući da tokove preopterećenja kroz vodilje mogu lako nastati tokom rada ovog projekta, potrebno je izbegavati formiranje provodljivih tačaka. To se može postići unapređujući razumevanje površine tačke i shvatanjem ponašanja suženja putanje struje [1]. Tako, intenzivirajući terenska posmatranja radi razumevanja promena u okružujućim linijama struje, raspodela površine zemljišta, zemljanih struja, izvora energije i udaljenih bezžičnih tačaka može biti analizirana na mikroskopskom nivou, omogućavajući temeljito razumevanje nejednakosti koje se javljaju na kontakt površinama, kao što je prikazano na Slici 1.

Formulacijom kontaktnog modela, ovaj rad, u kombinaciji sa primenom UHV gasno-izolovane prenosne opreme, definiše stvarni otpor suženja jedne kontaktne tačke kao:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
gde: Re predstavlja otpor suženja jedne kontaktne tačke; ρ₁ i ρ₂ su specifični električni otpori kontaktirajućih materijala; a α označava poluprečnik kontaktne tačke.

Tako se veličina kontaktnog otpora može precizno analizirati kroz metod korekcije baziran na konturi trake tipa kontaktne šipke. Takođe, ispitivanjem parametara materijala izolacione prenosne opreme u kontakt području, postaje moguće odrediti koji materijal treba koristiti za vezu, kao što je prikazano u Tabeli 2.

Područje otpornosti na pritisak UHV gas-insulated opreme za prenos je 1.000 kV, sa maksimalnim otpornošću na napon od 1.683 kV, što osigurava sigurnost prenosa struje. Njegova kapacitet prenosa može dostići 2,4 do 5 puta veći od 500 kV EHV prenosa. Kao izolativni sredstvo se koristi čist SF₆ gas, sa puniranjem pod pritiskom od 0,3–0,4 MPa. Sa drugogeneracijskim GIL (Gas-Insulated Line), kao izolativno sredstvo se koristi mješavina od 20% SF₆ i 80% N₂ po volumenskom udjelu, sa puniranjem pod pritiskom od 0,7–0,8 MPa. Alternativno, kao sredstvo se može koristiti suha i čista komprimirana zrak, sa puniranjem pod pritiskom od 1–1,5 MPa. Stoga, izbor izolativnog gasa treba da se odredi prema uslovima na terenu kako bi se osigurala stabilna operacija UHV gas-insulated opreme za prenos u projektu. Pritisak radnog gasa takođe se može podesiti, a mogu se koristiti metode instalacije nadzemne montaže kako bi se osiguralo da oprema bude prikladna za trenutni nivo UHV napona.

Osoblje takođe treba da posebno pažnju posveti stanju spajanja glavnih materijalnih spojeva UHV gas-insulated opreme za prenos kako bi se unaprijedila njihova nosivost. Moraju se takođe izračunati slenderness ratio glavnih strukturnih elemenata:
λ₀ = kL₀ / r,
gdje: λ₀ označava slenderness ratio spojenog glavnog elementa; k je korekcijski koeficijent; L₀ je dužina glavnog elementa UHV gas-insulated opreme za prenos; a r je poluprečnik inercije glavnog elementa.

2.Mere primene za UHV gas-insulated opremu za prenos

2.1 Verifikacija naprezanja bus ducta i vodilja
Takođe se mora uzeti u obzir stanje naprezanja pipe-type bus ducta tijekom primene UHV gas-insulated opreme za prenos. Unutarnji pritisak iznosi 0,6 MPa, a središnja visina bus ducta je 7,7 m. U postojećem vanjskom sistemu prenosa, maksimalni raspon između dve podstave iznosi 12 m. Vanjska sila koja djeluje na vodilj takođe iznosi 0,6 MPa, a dopušteno naprezanje za obe komponente je 110 MPa. Takođe, sistem prenosa fiksira se putem tri-naponskih nosača izolatora i vodilja.

Prvo, spoljnji prečnik bus ducta iznosi 500 mm, a spoljnji prečnik vodilja 160 mm. Ako postoji unutarnji pritisak, spoljni prečnik mora ostati nepromijenjen, a debljina zida treba se povećati - od 5 mm do 20 mm. Na osnovu krive promjene naprezanja-debljine prvog glavnog naprezanja, inicijalno naprezanje bus ducta iznosi 18,45 MPa, što čini 16,71% dopuštenog naprezanja materijala; inicijalno naprezanje vodilja iznosi 3,45 MPa, što predstavlja 3,71% dopuštenog naprezanja. To pokazuje da, kada spoljni prečnik ostane nepromijenjen, debljina zida značajno utiče na odgovor na pritisak, posebno utiče na prvo glavno naprezanje cijevi. Unutarnji pritisak mijenja vrijednosti naprezanja strukture cijevi - posebno za tankozidne cijevi - i metode procjene GIL-a mogu se koristiti da se utvrdi da li pritisak utiče na bus duct i vodilj.

Drugo, cijevi pod pritiskom u UHV gas-insulated opremi za prenos, poput cijevi pod pritiskom i visokonaponskih risera, utiču na operativnu performansu. Analiza naprezanja tankozidnih struktura cijevi pod pritiskom treba da se sprovede koristeći sledeću formulu za izračunavanje normalnog opsežnog naprezanja σₜ na dugoj presečnoj površini cijevi:
σₜ = ρD / (2δ),
gdje: ρ je unutarnji pritisak cijevi; D je unutrašnji prečnik cijevi; a δ je debljina zida cijevi. S promenama nivoa napona, preferiraju se veće prečnike bushinga za više nivoe napona, dok su manji prečnici bushinga dovoljni za niže nivoe napona.

2.2 Razjašnjavanje karakteristika električnog kontakta gasa
Za UHV gas-insulated opremu za prenos, primarni gasovi uključuju SF₆, mješavine azota i kiseonika, te N₂. Istraživanje ovih gasova treba da se jače radi boljeg razumijevanja njihovih razlika u karakteristikama električnog kontakta. Za kontaktne prste tipa strap, SF₆ se može koristiti kao izolativno sredstvo kako bi se iskoristile njegove odlične osobine ugašenja lukova i izolacije. Ukupno kontakt nožiće (Rₜ) koriste se za opisivanje električnog ponašanja struktura nosilaca struje:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
gdje: Rₚ je masno otpor; R꜀₁ je kontakt otpor gornjeg elektroda; a R꜀₂ je kontakt otpor donjeg elektroda. Time se razumije da dielektrička čvrstoća SF₆ ovisi o pritisku gasa - što je pritisak veći, to je dielektrička čvrstoća veća.

2.3 Optimalizacija dizajna električnog polja razmaka
U ovom projektu, unutarnje električno polje je blago neuniformno, sa koeficijentom neuniformnosti oko 1,7. Ako u području postoje uvjeti otpornosti na naglu snagu udara, oni će povećati stres na linijama prenosa, sa koeficijentom udara od 1,25. Prvo, na osnovu uvjeta otpornosti na snagu strujnog talasa i naglu snagu udara u regiji, vrhovna vrijednost treba da se potvrdi u opsegu od 1,6–1,7 kako bi se osigurala bezprekidna operacija UHV gas-insulated opreme za prenos.

Razumevanjem koaksijalne cilindrične strukture, može se izračunati jakost električnog polja E(x) u području kako bi se identifikovali scenariji koji zahtevaju optimalizaciju:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
gdje: x je rastojanje između vodilja i oklopne kutije; U je napon koji se primjenjuje na elektrod; R je unutrašnji poluprečnik oklopne kutije; a r je spoljni poluprečnik centralnog vodilja. To omogućuje ocenu da li se površina centralnog vodilja može oštetiti pod maksimalnom jakošću polja. Sigurnost električnog polja mora biti kontrolisana, a mehanička performansa poboljšana.

Tijekom postavljanja infrastrukture električnog polja, treba verificirati stvarnu nosivost UHV gas-insulated opreme za prenos na temeljnom nivou, i dovršiti izračune naprezanja:
P = A × F,
gdje: P je nosivost opreme; A je presječna površina toranja prenosa; a F je čvrstoća materijala. Takođe, ako se temelj sastoji od grmljavice, temelj mora biti utrčan prije nastavka instalacije nadzemne linije.

Kroz optimalizovan dizajn uzimajući u obzir strukturu proizvoda i mogućnosti proizvodnje, može se osigurati visoka izolativna performansa pod uvjetima naglog udara. Drugo, ako je gasna komora duga, instalacija UHV gas-insulated opreme za prenos postaje izazov. U takvim slučajevima, lokalni radni pritisak gasa može se postaviti na 0,4–0,5 MPa putem dizajna jakosti polja, omogućujući konduktivnim česticama da normalno funkcioniraju pod uticajem električnog polja bez indukcije parcijalnog ispuštanja ili propadanja gasne razmake.

Konačno, na osnovu specifičnih uslova za UHV gas-insulated opremu, vanjski prečnik vodilnog štapa treba da bude dizajniran kao 130 mm, a unutrašnji prečnik oklopne kutije kao 480 mm. Potrebno je takođe obratiti pažnju na sekciju za uključivanje: debljina zida treba da bude postavljena na 30–40 mm, a razmak mora biti <1 mm. Ako se vanjsi radijus zaobljenja u području za uključivanje postavi na 5 mm, varijacije jačine električnog polja mogu bolje biti razumijevane—veća jačina polja blizu zaobljenja odgovara većem radijusu, dok manja jačina polja odgovara manjem radijusu. Pod pretpostavkom kontrole lokalne koncentracije električnog polja, potrebno je sprečiti prekomjernu jačinu polja u raskršcu, omogućujući inicijalni dizajn električnog spoja za UHV gas-insulated opremu i zadovoljavajući zahtjeve za distribucijom signala električnog polja.

2.4 Racionalni dizajn izolatora
Budući da izolatori u UHV gas-insulated opremi rade uz tlo, njihova naponska razina pri iskretanju je niža od naponske razine raspada raskršca, čime postaju slabiji deo električne izolacije. Stoga je potrebno jačati razmatranje raskršca i razumjeti jačinu polja pod uslovima impulsnog udara gremlina kako bi se pravilno dizajnirale izolacijske komponente.

2.4.1 Jačanje kontrole jačine polja izolatora
Na osnovu uslova izgradnje projekta, naša kompanija je istraživala fenomene iskretanja duž površine izolatora, uključujući uticaje materijala izolatora, strukture i površinskog naboja. Takođe je potrebno izbegavati kontaminaciju metalnim česticama. Racionalna struktura za UHV gas-insulated opremu osigurana je kombinacijom SF₆ gasa, izolacijskih materijala i uloženih komponenti. Koristeći prethodne iskustva u dizajnu izolatora, jačina polja tokom rada može biti ograničena na polovinu normalne operativne jačine polja raskršca. Za opremu isključivo izolovanu SF₆ gasom, radni tlak gasa može se održavati na 0.4–0.5 MPa.

Vertikalna jačina električnog polja (Eₛ) može se izračunati koristeći:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
gdje je p tlak gasa. Dakle, ovisno o otpornosti opreme na napetost, dizajnska jačina polja na površini centralnog vodilnog štapa može biti kontrolirana unutar 19.9–24.5 kV/mm, dok jačina polja na površini izolatora ne smije premašiti 10 kV/mm. Obrana izolatora unutar električnog polja sprečava iznenadne poraske jačine polja pod uticajem UHV, smanjujući rizik od propadanja izolacije i omogućavajući dugoročnu primenu UHV gas-insulated transmisione opreme u projektu.

2.4.2 Optimizovan dizajn izolatora tipa posudica
Zbog složenog terena projekta i potrebe za simulacijom električnog polja, dizajn izolatora tipa posudica mora biti poboljšan—posebno izostavljanjem ekranirajućih elektroda. Ova struktura dozvoljava promatranje intenziteta električnog polja blizu visokonaponske strane vodilnog štapa izolatora. Ako je jačina polja visoka, maksimalna vrijednost na izbočenoj površini iznosi 12.7 kV/mm, a na upučenoj površini 13 kV/mm; prelazak ovih pragova ukazuje na anormalnu operaciju. Kada je intenzitet električnog polja blizu izolatora visok, maksimalna radna napetost mrežnog struja treba da bude održana ispod 3.4 kV/mm. Instalacija ekranirajućih elektroda na izolatorima tipa posudica dalje optimizira i simulira električno polje.

Slijedeći prethodne metode električnog spoja, veličina ekranirajućeg elektroda treba da bude pažljivo kontrolirana, a električni konektor za uključivanje treba da bude pozicioniran na zaobljenju izolatora tipa posudica kako bi se naglasio njegov efekat ekraniranja, time poboljšavajući distribuciju električnog polja UHV gas-insulated transmisione opreme.

3. Zaključak
Da bi se ispunili kompleksni zahtjevi za razvojem energetskih preduzeća, naša kompanija mora dalje jačati istraživanja UHV gas-insulated transmisione opreme. Na osnovu specifičnih uslova rada, probleme treba analizirati i rešavati putem metoda poput stvaranja modela kontaktne otpornosti, verifikacije naprezanja bus dukta i vodilnog štapa, razjašnjavanja karakteristika električnog kontakta gasa, optimizacije dizajna raskršca električnog polja i racionalnog dizajna izolatora—time proširujući vreme života opreme.