Глубокий сравнительный анализ: режимы отказа изоляции и пределы безопасности выключателей с мертвым и живым баком

Цель данной работы - исследовать механизмы отказа изоляции и пределы безопасности выключателей с неподвижным (DT) и подвижным (LT) танками с точки зрения диэлектрической физики и электрического напряжения.

1. Зависимость от диэлектрических сред: эндогенные переменные герметичных систем против экзогенных переменных открытых систем

Основное различие между конструкциями DT и LT заключается в степени зависимости их основных изоляционных сред от внешних условий.

1.1 Выключатель с неподвижным танком (DT): изоляция, зависящая от состояния на основе плотности SF6 

Основной изоляционной средой выключателя с неподвижным танком является газ SF6. Его диэлектрическая прочность не является постоянной величиной, а сильно и положительно коррелирует с плотностью газа (давление × чистота). Это означает, что уровень изоляции выключателя с неподвижным танком является динамической переменной:

• Чувствительность к давлению: При снижении давления газа прочность пробоя поля уменьшается нелинейно. При падении давления ниже критического порога изоляционный запас быстро исчезает.
• Химическая стабильность: Увеличение содержания влаги приводит к гидролизу, образованию коррозионных веществ, таких как HF (фтористый водород), и одновременному снижению напряжения поверхностного пробоя.
• Влияние частиц: Движение внутренних металлических частиц под воздействием электрического поля является основным фактором, вызывающим локальное искажение поля, что в конечном итоге приводит к пробою. Таким образом, безопасность изоляции выключателя с неподвижным танком зависит от жесткого требования "герметичности системы", представляющего собой эндогенный риск.

Фотография RHD-230 Выключатель с неподвижным танком SF6

1.2 Выключатель с подвижным танком (LT): изоляция, зависящая от окружающей среды на основе воздуха и твердых материалов

Выключатели с подвижным танком полагаются на воздушные зазоры и фарфоровые/композитные изоляторы (твердые изоляторы) для обеспечения диэлектрической прочности. Их базовый уровень диэлектрической прочности определяется атмосферными условиями окружающей среды:

• Постоянный базовый уровень: Воздушная изоляция не зависит от герметичной среды, поэтому нет риска отказа изоляции из-за утечки среды.
• Поверхностные характеристики: Уровень изоляции в основном ограничен расстоянием по поверхности и атмосферными условиями (влажность, загрязнение). Хотя загрязнение является основным риском, это экзогенный риск, который развивается медленно и обычно заметен (например, следы, слышимые разряды).

Фотография RHB-40.5 Выключатель с подвижным танком SF6

2. Электрическая сущность путей пробоя: естественные различия во внешнем изоляционном расстоянии

Упрощенное допущение об "идентичности точек пробоя" (что оба в конечном итоге заземляются) требует точной физической корректировки. Хотя конечная электрическая точка отсчета для обоих - потенциал земли, расстояние изоляции от высоковольтных компонентов до земли (и областей активности персонала) принципиально различается.

2.1 Геометрическое преимущество LT: высокое расположение и длинные пути по поверхности

Конструкция выключателя с подвижным танком предполагает, что его высоковольтные компоненты (разъединители и проводники) расположены на значительной высоте, изолированные от земли длинными опорными изоляторами. Такая конструкция обеспечивает объективный изоляционный запас:

• Преимущество воздушного зазора: Зазор между высоковольтными выводами и землей в LT значительно больше, чем в DT. Даже если происходит внешний пробой, канал дуги начинается на большой высоте, и риск прямого электрического удара для персонала (прикосновение/шаговое напряжение) значительно уменьшается по закону обратных квадратов расстояния.
• Преобладание внешней изоляции: Сбой изоляции в LT обычно проявляется как пробой воздушного зазора или поверхностный пробой. Поскольку диэлектрик (воздух) открыт и самовосстанавливающийся, а путь неисправности находится далеко от земли, эффект индукции потенциала земли (GPR) относительно слаб. Опасность в основном связана с тепловым излучением и ударной волной от дуги, а не с прямым ударом через систему заземления.

2.2 Геометрические ограничения DT: низкое расположение и короткие зазоры

В конструкции DT высоковольтный проводник заключен в заземленный металлический резервуар, расположенный очень близко к земле.

• Расстояние замены среды: Выключатели DT жертвуют физическим воздушным зазором в обмен на высокую диэлектрическую прочность SF6. Однако, если давление газа недостаточно или внутренняя изоляция выходит из строя, короткое расстояние между высоковольтным проводником и корпусом резервуара (землей) означает, что риск пробоя действует непосредственно на оборудование, расположенное на уровне земли.
• Риск, доминируемый GPR: Любой сбой изоляции в выключателе DT (будь то внутренний проводник-корпус или изолятор-фланец) проявляется как прямое короткое замыкание на заземленный металлический корпус. Ток неисправности, без затухания, которое обеспечивается длинным воздушным путем, непосредственно вводится в заземляющую решетку, вызывая быстрый и мгновенный подъем потенциала резервуара и окружающей поверхности (GPR). Этот низкоомный, основанный на близости GPR является наиболее прямой и смертельной угрозой для персонала.

3. Определение границ безопасности

3.1 Граница безопасности DT: состояние среды и механическая прочность

Граница безопасности выключателя DT определяется двумя факторами:

• Диэлектрическая граница: Кривая плотности-температуры SF6. Как только точка работы падает ниже минимального рабочего давления, граница безопасности изоляции нарушается.
• Структурная граница: Механическая прочность резервуара и его каналов для сброса давления. Внутренний дуговой дефект (IAC) является самым серьезным режимом отказа изоляции для DT; энергия, освобожденная при этом, ограничивается металлическим сосудом и должна быть направлена через заранее установленные вентили для сброса, чтобы предотвратить разрушение конструкции.

3.2 Граница безопасности LT: уровень внешней изоляции и напряженность поля на поверхности

Граница безопасности выключателя LT зависит в основном от следующего:

• Воздушный зазор: Соответствие стандартным уровням базовой изоляции (BIL) и уровням коммутационной изоляции (SIL). Благодаря высокому расположению, его запас безопасности, как правило, выше, чем у выключателя DT того же класса напряжения, расположенного ближе к земле.
• Ползучий зазор: Длина поверхности изолятора, предназначенная для определенных уровней загрязнения.
• Напряжение пробоя при сухих/влажных условиях: В неблагоприятных погодных условиях напряженность поля воздуха снижается, образуя слабое звено в границе безопасности.

4. Заключение

С точки зрения чистого дизайна изоляции, выключатели DT и LT представляют две различные философии управления рисками, с объективными различиями в запасах изоляции на уровне земли:

• Выключатели LT имеют естественное преимущество внешней изоляции: Размещая высоковольтные компоненты на большой высоте, они используют воздушный зазор как основной защитный барьер для персонала на земле. Сбои изоляции в основном проявляются как видимые внешние пробои, а угроза GPR уменьшается с расстоянием.
• Выключатели DT полагаются на искусственную компенсацию среды: Для компенсации недостатка изоляционного зазора, вызванного размещением на уровне земли, необходимо использовать газ SF6 высокой прочности. Это делает безопасность изоляции сильно зависимой от состояния среды (давление, чистота). Если происходит пробой, энергия действует непосредственно на систему заземления, создавая значительно больший риск поражения электрическим током для персонала на земле по сравнению с выключателями LT.

Изящный вывод: Аргумент о том, что "риск одинаков, так как точка отказа одинакова", является ошибочным. ВТ выключатели, благодаря своей высотной конфигурации, обладают естественным запасом внешней изоляции, который ДТ выключатели не могут воспроизвести. Врожденный риск ДТ заключается в том, что при отказе внутренней изоляции (системы SF6) энергия аварии воздействует на границу безопасности на уровне земли без какого-либо буфера.
Отредактировано:ChengMing Chen