การวิจัยเกี่ยวกับอุปกรณ์ส่งผ่านแรงดันไฟฟ้าอัลตราไฮวอลต์ที่ใช้ก๊าซเป็นฉนวน

เพื่อตอบสนองต่อความต้องการในการพัฒนาของวงการพลังงานไฟฟ้า บริษัทของเราได้เพิ่มการสำรวจปัญหาการก่อสร้างระบบสายส่งในพื้นที่บางแห่ง และให้การสนับสนุนด้านการดำเนินงานและการบำรุงรักษาสำหรับโครงการส่งและแปลงกำลังไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง (UHV) ในภูมิภาคที่อยู่บนระดับความสูง โดยการติดตั้งและปรับปรุงแผนการออกแบบอุปกรณ์ส่งกำลังไฟฟ้า UHV การก่อสร้างในพื้นที่มีพื้นที่รวม 2,541.22 ตารางเมตร พร้อมพื้นที่ใช้สอยสุทธิ 2,539.22 ตารางเมตร ชั้นธรณีวิทยาที่ไซต์ก่อสร้างเรียงจากบนลงล่างประกอบด้วยดินคล้ายโลเอส ดินโลเอส ดินเก่าแก่ และดินเหนียวซิลต์—สี่ชั้นของดินฐานราก ธรณีวิทยาที่ซับซ้อนและได้รับผลกระทบจากการอยู่บนระดับความสูงเป็นเวลานาน สามารถทำให้เกิดข้อผิดพลาดของสายส่งได้ง่าย

ในบริบทนี้ บริษัทของเราได้ทำการคำนวณโครงการและกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การก่อสร้างของโครงการไว้ที่ 61.48% และระดับน้ำใต้ดินอยู่ระหว่าง 8.8 ถึง 8.9 เมตร ซึ่งแสดงให้เห็นว่าน้ำใต้ดินมีความกัดกร่อนต่อโครงสร้างคอนกรีตในโครงการอยู่ในระดับหนึ่ง บริษัทของเราเน้นหลักไปที่โครงการส่งและแปลงกำลังไฟฟ้าขนาด 110 kV และขนาดการก่อสร้างแสดงในตาราง 1

ตาราง 1: ขนาดการก่อสร้างของโครงการส่งกำลังไฟฟ้าแรงดันสูงแบบฉนวนก๊าซ

นอกจากนี้ บริษัทยังต้องเพิ่มความพิจารณาในช่วงแรงดันที่ทนทานของอุปกรณ์ส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูงแบบกั้นแก๊ส และใช้หม้อแปลงและฉนวนแบบชามอย่างเหมาะสม เพื่อรับประกันการทำงานที่มั่นคงในระยะยาวของหม้อแปลง

1. การพัฒนาแบบจำลองความต้านทานการสัมผัส
เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเกินที่ผ่านผ่านสายนำไฟฟ้ามักจะเกิดขึ้นระหว่างการดำเนินงานของโครงการนี้ จึงจำเป็นต้องหลีกเลี่ยงการเกิดจุดนำไฟฟ้า ซึ่งสามารถทำได้โดยการเพิ่มความเข้าใจในพื้นที่จุดและการควบคุมพฤติกรรมของทางเดินกระแส [1] ดังนั้น โดยการเพิ่มการสังเกตบนที่ให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของเส้นทางกระแสไฟฟ้ารอบ ๆ สามารถวิเคราะห์การกระจายของพื้นผิวดิน กระแสไฟฟ้าที่เชื่อมต่อแหล่งพลังงาน และจุดไร้สายระยะไกลได้ในระดับไมโครสโคป ทำให้เข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงปัญหาความไม่สม่ำเสมอที่เกิดขึ้นที่พื้นผิวการสัมผัส ดังแสดงในรูปที่ 1

โดยการสร้างแบบจำลองการสัมผัส บทความนี้ร่วมกับการประยุกต์ใช้อุปกรณ์ส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูงแบบกั้นแก๊ส กำหนดความต้านทานการควบคุมจริงของจุดสัมผัสเดียวเป็น:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
เมื่อ: Re แทนความต้านทานการควบคุมของจุดสัมผัสเดียว; ρ₁ และ ρ₂ เป็นความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุที่สัมผัส; และ α หมายถึงรัศมีของจุดสัมผัส

ดังนั้น ขนาดของความต้านทานการสัมผัสสามารถวิเคราะห์ได้อย่างแม่นยำผ่านวิธีการปรับปรุงตามรูปร่างของปลายนิ้วสัมผัสแบบแถบ นอกจากนี้ โดยการตรวจสอบพารามิเตอร์ของวัสดุของอุปกรณ์ส่งกำลังไฟฟ้าแบบกั้นในพื้นที่สัมผัส จะสามารถระบุได้ว่าวัสดุใดควรใช้สำหรับการเชื่อมต่อ ดังแสดงในตารางที่ 2

ช่วงแรงดันที่อุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวีสามารถทนได้คือ 1,000 กิโลโวลต์ โดยมีแรงดันทนสูงสุดที่ 1,683 กิโลโวลต์ เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยของการส่งไฟฟ้า ความสามารถในการส่งไฟของอุปกรณ์นี้สามารถสูงถึง 2.4 ถึง 5 เท่าของระบบส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะแรงดันพิเศษ (EHV) ระดับ 500 กิโลโวลต์ โดยใช้ก๊าซ SF₆ บริสุทธิ์เป็นตัวกลางฉนวน พร้อมความดันเติมก๊าซที่ 0.3–0.4 เมกะพาสกาล สำหรับสายส่งฉนวนก๊าซเจเนอเรชันที่สอง (GIL) จะใช้ส่วนผสมของก๊าซ SF₆ 20% และ N₂ 80% ตามสัดส่วนปริมาตรเป็นตัวกลางฉนวน พร้อมความดันเติมก๊าซที่ 0.7–0.8 เมกะพาสกาล อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้อากาศอัดแห้งและสะอาดเป็นตัวกลาง พร้อมความดันเติมก๊าซที่ 1–1.5 เมกะพาสกาล ดังนั้น การเลือกก๊าซฉนวนควรพิจารณาตามสภาพสถานที่จริง เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวีจะทำงานอย่างมั่นคงในโครงการ ความดันก๊าซในการทำงานอาจเพิ่มขึ้นอย่างเหมาะสม และสามารถใช้วิธีติดตั้งแบบเหนือศีรษะเพื่อให้อุปกรณ์เหมาะสมกับระดับแรงดันยูเอชวีในปัจจุบัน

บุคลากรควรให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดกับสถานะการเชื่อมต่อของข้อต่อวัสดุหลักในอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวี เพื่อเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนัก นอกจากนี้ ยังต้องคำนวณอัตราส่วนความยาวต่อรัศมีหมุนของชิ้นส่วนโครงสร้างหลัก:
λ₀ = kL₀ / r,
โดยที่: λ₀ หมายถึง อัตราส่วนความยาวต่อรัศมีหมุนของชิ้นส่วนหลักที่เชื่อมต่อ; k คือ สัมประสิทธิ์แก้ไข; L₀ คือ ความยาวของชิ้นส่วนหลักของอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวี; และ r คือ รัศมีหมุนของชิ้นส่วนหลัก

2. มาตรการการประยุกต์ใช้อุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวี

2.1 การตรวจสอบแรงเครียดของท่อเดินสายและตัวนำไฟฟ้า
เมื่อนำอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวีมาใช้งาน จำเป็นต้องพิจารณาเงื่อนไขแรงเครียดของท่อเดินสายชนิดท่อ ความดันภายในคือ 0.6 เมกะพาสกาล และระดับความสูงของศูนย์กลางท่อเดินสายคือ 7.7 เมตร ในระบบส่งไฟฟ้าภายนอกที่มีอยู่ ระยะห่างสูงสุดระหว่างเสาสนับสนุนสองต้นคือ 12 เมตร แรงภายนอกที่กระทำต่อตัวนำไฟฟ้าคือ 0.6 เมกะพาสกาล และแรงเครียดที่ยอมให้เกิดขึ้นได้สำหรับทั้งสององค์ประกอบคือ 110 เมกะพาสกาล นอกจากนี้ ระบบส่งไฟฟ้ายังถูกยึดแน่นผ่านฉนวนรองรับสามทิศทางและตัวนำไฟฟ้า

ขั้นแรก เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อเดินสายคือ 500 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของตัวนำไฟฟ้าคือ 160 มม. หากมีความดันภายใน เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกต้องคงที่ และควรเพิ่มความหนาของผนังอย่างเหมาะสม จาก 5 มม. เป็น 20 มม. จากรูปกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงเครียดกับความหนาของผนัง แรงเครียดเริ่มต้นของท่อเดินสายพบว่าอยู่ที่ 18.45 เมกะพาสกาล คิดเป็น 16.71% ของแรงเครียดที่ยอมให้เกิดขึ้นได้ของวัสดุ; แรงเครียดเริ่มต้นของตัวนำไฟฟ้าคือ 3.45 เมกะพาสกาล คิดเป็น 3.71% ของแรงเครียดที่ยอมให้เกิดขึ้นได้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางคงที่ ความหนาของผนังมีผลอย่างมากต่อการตอบสนองต่อความดัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีผลต่อแรงเครียดหลักครั้งแรกของท่อ ความดันภายในจะเปลี่ยนแปลงค่าแรงเครียดของโครงสร้างท่อ โดยเฉพาะในท่อผนังบาง และสามารถใช้วิธีการประเมิน GIL เพื่อกำหนดว่าความดันมีผลกระทบต่อท่อเดินสายและตัวนำไฟฟ้าหรือไม่

ขั้นที่สอง ท่อที่รับแรงดันในอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวี เช่น ท่อรับแรงดันและเสาส่งแรงดันสูง มีผลต่อสมรรถนะการดำเนินงาน ควรทำการวิเคราะห์แรงเครียดของโครงสร้างท่อรับแรงดันผนังบางโดยใช้สูตรต่อไปนี้ในการคำนวณแรงเครียดแนวรอบวง σₜ บนหน้าตัดตามยาวของท่อ:
σₜ = ρD / (2δ),
โดยที่: ρ คือ ความดันภายในท่อ; D คือ เส้นผ่านศูนย์กลางภายในท่อ; และ δ คือ ความหนาของผนังท่อ เมื่อระดับแรงดันเปลี่ยนแปลง ควรเลือกใช้ bushing ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่สำหรับระดับแรงดันสูง ในขณะที่ระดับแรงดันต่ำสามารถใช้ bushing ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กได้

2.2 การทำความเข้าใจลักษณะการสัมผัสไฟฟ้าของก๊าซ
สำหรับอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวี ก๊าซหลักที่ใช้ ได้แก่ SF₆ สารผสมไนโตรเจน-ออกซิเจน และ N₂ ควรเสริมการวิจัยเกี่ยวกับก๊าซเหล่านี้เพื่อทำความเข้าใจความแตกต่างในลักษณะการสัมผัสไฟฟ้า สำหรับนิ้วสัมผัสชนิดแถบสามารถใช้ SF₆ เป็นตัวกลางฉนวน เพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติการดับอาร์กและการเป็นฉนวนที่ยอดเยี่ยมอย่างเต็มที่ ความต้านทานสัมผัสรวม (Rₜ) ใช้เพื่ออธิบายพฤติกรรมไฟฟ้าของโครงสร้างที่นำกระแส:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
โดยที่: Rₚ คือ ความต้านทานวัสดุ; R꜀₁ คือ ความต้านทานการสัมผัสของขั้วไฟฟ้าด้านบน; และ R꜀₂ คือ ความต้านทานการสัมผัสของขั้วไฟฟ้าด้านล่าง ดังนั้น จึงทราบว่าความแข็งแรงของฉนวนของ SF₆ ขึ้นอยู่กับความดันก๊าซ—ยิ่งความดันสูง ความแข็งแรงของฉนวนยิ่งมาก

2.3 การปรับปรุงการออกแบบช่องว่างสนามไฟฟ้า
ในโครงการนี้ สนามไฟฟ้าภายในมีลักษณะไม่สม่ำเสมอบางส่วน โดยมีสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอประมาณ 1.7 หากในพื้นที่มีเงื่อนไขแรงดันไฟกระชากจากฟ้าผ่า จะทำให้เกิดแรงเครียดเพิ่มขึ้นกับสายส่ง โดยมีสัมประสิทธิ์กระชากที่ 1.25 ขั้นแรก ควรยืนยันค่าสูงสุดภายในช่วง 1.6–1.7 ตามเงื่อนไขแรงดันทนต่อความถี่พลังงานและแรงดันทนต่อไฟกระชากจากฟ้าผ่าในพื้นที่ เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวีจะทำงานได้อย่างไม่มีปัญหา

เมื่อเข้าใจโครงสร้างทรงกระบอกแบบร่วมศูนย์กลางแล้ว สามารถคำนวณความเข้มสนามไฟฟ้า E(x) ในพื้นที่เพื่อระบุสถานการณ์ที่ต้องการการปรับปรุง:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
โดยที่: x คือ ระยะห่างระหว่างตัวนำไฟฟ้ากับเปลือกหุ้ม; U คือ แรงดันที่ประยุกต์ใช้กับขั้วไฟฟ้า; R คือ รัศมีภายในของเปลือกหุ้ม; และ r คือ รัศมีภายนอกของตัวนำไฟฟ้าตรงกลาง ซึ่งจะช่วยประเมินว่าพื้นผิวของตัวนำไฟฟ้าตรงกลางอาจเสียหายภายใต้ความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดหรือไม่ ต้องควบคุมความปลอดภัยของสนามไฟฟ้าและเสริมสมรรถนะทางกล

ระหว่างการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานสนามไฟฟ้า ควรตรวจสอบความสามารถในการรับน้ำหนักจริงของอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวีในระดับฐานราก และต้องดำเนินการคำนวณแรงเครียดให้เสร็จสิ้น:
P = A × F,
โดยที่: P คือ ความสามารถในการรับน้ำหนักของอุปกรณ์; A คือ พื้นที่หน้าตัดของหอส่งไฟฟ้า; และ F คือ ความแข็งแรงของวัสดุ นอกจากนี้ หากฐานรากเป็นดินเหนียวปนทราย ต้องอัดแน่นฐานรากก่อนดำเนินการติดตั้งสายไฟเหนือศีรษะ

ด้วยการออกแบบที่ปรับปรุงโดยพิจารณาโครงสร้างผลิตภัณฑ์และความสามารถในการผลิต สามารถรับประกันสมรรถนะฉนวนสูงภายใต้เงื่อนไขแรงดันไฟกระชากจากฟ้าผ่าได้ ประการที่สอง หากช่องก๊าซมีความยาวมาก การติดตั้งอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าฉนวนก๊าซระดับยูเอชวีจะเป็นเรื่องยาก ในกรณีเช่นนี้ สามารถตั้งความดันก๊าซการทำงานในพื้นที่ไว้ที่ 0.4–0.5 เมกะพาสกาลผ่านการออกแบบความเข้มสนามไฟฟ้า เพื่อให้อนุภาคตัวนำสามารถทำงานได้ตามปกติภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า โดยไม่ก่อให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วนหรือการแตกตัวของช่องว่างก๊าซ

สุดท้ายแล้ว ตามสภาพเฉพาะของอุปกรณ์ฉนวนแก๊สแรงดันสูง (UHV) ควรออกแบบเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของแท่งนำให้เป็น 130 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของโครงสร้างให้เป็น 480 มม. ต้องระมัดระวังในส่วนของการเชื่อมต่อ: ความหนาของผนังควรถูกตั้งค่าระหว่าง 30-40 มม. และช่องว่างต้อง <1 มม. ถ้ารัศมีขอบโค้งนอกของพื้นที่การเชื่อมต่อถูกตั้งค่าเป็น 5 มม. จะสามารถเข้าใจการเปลี่ยนแปลงของความเข้มสนามไฟฟ้าได้ดีขึ้น—ความเข้มสนามไฟฟ้าสูงใกล้กับขอบโค้งจะสอดคล้องกับรัศมีที่ใหญ่ขึ้น ในขณะที่ความเข้มสนามไฟฟ้าต่ำจะสอดคล้องกับรัศมีที่เล็กลง ภายใต้เงื่อนไขของการควบคุมความเข้มสนามไฟฟ้าท้องถิ่น การเกินความเข้มสนามไฟฟ้าในช่องว่างต้องถูกป้องกัน เพื่อให้สามารถออกแบบการเชื่อมต่อไฟฟ้าเบื้องต้นสำหรับอุปกรณ์ฉนวนแก๊สแรงดันสูงและตอบสนองความต้องการในการกระจายสัญญาณสนามไฟฟ้า

2.4 การออกแบบฉนวนอย่างสมเหตุสมผล
เนื่องจากฉนวนในอุปกรณ์ฉนวนแก๊สแรงดันสูงทำงานตามพื้นผิวโลก แรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรของฉนวนจะต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกของช่องว่าง ทำให้ฉนวนเป็นจุดอ่อนในการฉนวนไฟฟ้า ดังนั้น ต้องเพิ่มความสนใจในช่องว่างและเข้าใจความเข้มสนามไฟฟ้าภายใต้สภาวะการกระทำด้วยแรงดันไฟฟ้าจากฟ้าผ่า เพื่อทำการออกแบบส่วนประกอบฉนวนอย่างเหมาะสม

2.4.1 การควบคุมความเข้มสนามไฟฟ้าของฉนวนอย่างเข้มข้น
บนพื้นฐานของสภาพการก่อสร้างโครงการ บริษัทของเราได้ทำการศึกษาปรากฏการณ์การลัดวงจรบนพื้นผิวฉนวน รวมถึงผลกระทบของวัสดุฉนวน โครงสร้าง และประจุบนพื้นผิว ต้องหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของอนุภาคโลหะ การรับประกันโครงสร้างที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์ฉนวนแก๊สแรงดันสูงโดยการผสมผสานแก๊ส SF₆ วัสดุฉนวน และส่วนประกอบที่ฝังไว้ โดยอาศัยประสบการณ์การออกแบบฉนวนในอดีต ความเข้มสนามไฟฟ้าระหว่างการทำงานสามารถจำกัดให้อยู่ที่ครึ่งหนึ่งของช่องว่างสนามไฟฟ้าปกติ สำหรับอุปกรณ์ฉนวนด้วยแก๊ส SF₆ ความดันแก๊สระหว่างการทำงานสามารถรักษาไว้ที่ 0.4–0.5 MPa

ความเข้มสนามไฟฟ้าแนวตั้ง (Eₛ) สามารถคำนวณได้ด้วย:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
เมื่อ p คือความดันแก๊ส ดังนั้น ขึ้นอยู่กับแรงดันที่ทนทานของอุปกรณ์ ความเข้มสนามไฟฟ้าที่ออกแบบที่ผิวของสายนำกลางสามารถควบคุมให้อยู่ในช่วง 19.9–24.5 kV/mm ในขณะที่ความเข้มสนามไฟฟ้าที่ผิวฉนวนไม่ควรเกิน 10 kV/mm การรับรองว่าฉนวนถูกฝังอยู่ภายในสนามไฟฟ้าจะป้องกันการเพิ่มขึ้นอย่างเฉียบพลันของสนามภายใต้อิทธิพลของ UHV ลดความเสี่ยงของการล้มเหลวของฉนวนและการใช้งานระยะยาวของอุปกรณ์ส่งกำลังฉนวนแก๊สแรงดันสูงในโครงการ

2.4.2 การออกแบบฉนวนแบบชามที่ได้รับการปรับปรุง
เนื่องจากสภาพภูมิประเทศที่ซับซ้อนของโครงการและการจำเป็นในการจำลองสนามไฟฟ้า การออกแบบฉนวนแบบชามต้องได้รับการปรับปรุง—โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยการละเว้นขั้วลบ โครงสร้างนี้อนุญาตให้สังเกตความเข้มสนามไฟฟ้าใกล้กับด้านสายนำแรงดันสูงของฉนวน ถ้าความเข้มสนามไฟฟ้าสูง ค่าสูงสุดบนผิวโค้งนูนจะพบว่าเป็น 12.7 kV/mm และ 13 kV/mm บนผิวโค้งเว้า; หากเกินขีดจำกัดนี้แสดงว่าการทำงานผิดปกติ เมื่อความเข้มสนามไฟฟ้าใกล้กับฉนวนสูง แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานสูงสุดควรรักษาไว้ต่ำกว่า 3.4 kV/mm การติดตั้งขั้วลบบนฉนวนแบบชามจะช่วยในการปรับปรุงและจำลองสนามไฟฟ้า

ตามวิธีการเชื่อมต่อไฟฟ้าที่เคยใช้มา ขนาดของขั้วลบควรควบคุมอย่างระมัดระวัง และตัวเชื่อมต่อแบบปลั๊กไฟฟ้าควรวางไว้ที่ขอบโค้งของฉนวนแบบชาม เพื่อเน้นประสิทธิภาพการป้องกันของขั้วลบ ทำให้การกระจายสนามไฟฟ้าของอุปกรณ์ส่งกำลังฉนวนแก๊สแรงดันสูงดีขึ้น

3. สรุป
เพื่อตอบสนองความต้องการในการพัฒนาอย่างครอบคลุมของบริษัทพลังงาน บริษัทของเราต้องเสริมสร้างการวิจัยเกี่ยวกับอุปกรณ์ส่งกำลังฉนวนแก๊สแรงดันสูง บนพื้นฐานของสภาพการดำเนินงานที่เฉพาะเจาะจง ปัญหาควรได้รับการวิเคราะห์และแก้ไขผ่านวิธีการเช่น การสร้างโมเดลความต้านทานการสัมผัส การตรวจสอบความเครียดของบัสดักและสายนำ การระบุลักษณะการสัมผัสไฟฟ้าของแก๊ส การปรับปรุงการออกแบบช่องว่างสนามไฟฟ้า และการออกแบบฉนวนอย่างเหมาะสม—ทำให้ยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์