Hogyan működik a gázszigetelt kapcsolóberendezés (GIS)?

Bevezetés: A fémdoboz, amely több ezer voltot vezérel

Sétáljon be bármely modern alállomásba, szélerőmű-gyűjtő platformba vagy egy városi felhőkarcoló pincéjébe, és egy sor igénytelen fémszekrényt talál, amelyek csendesen végzik az elektromos világ egyik legveszélyesebb munkáját. Ezek azokgázszigetelt kapcsolóberendezéspanelek – illGIS-és úgy tervezték, hogy megfékezzék, szabályozzák és eloltsák az elektromos íveket, amelyek egyébként elpárologtatnák a fémet, és veszélyeztetnék a közelben tartózkodókat.

Egy villamosmérnök számára a GIS működésének megértése nem akadémiai gyakorlat. Meghatározza az alállomás elrendezését, a karbantartás ütemezését, és azt, hogy a berendezés még harminc évvel az üzembe helyezés után is megbízhatóan fog-e működni. Egy beszerzési szakember számára tisztázza, hogy miért kerül többe az egyik panel, mint a másik, és mit jelent ez a többletberuházás a biztonság, a lábnyom és az életciklus-költség szempontjából.

Ez a cikk alkatrészről alkatrészre elmagyarázza, hogyan működik a gázszigetelt kapcsolóberendezés – a nagyfeszültségű vezetékeket egymástól távol tartó tömített gáztartálytól az áramkört megszakító vákuummegszakítón át a mechanikus reteszekig, amelyek megakadályozzák, hogy egy veszélyes hiba halálos kimenetelű legyen.

Mi is pontosan a gázszigetelt kapcsolóberendezés?

A gázszigetelt kapcsolóberendezés egy fémburkolatú kapcsolóberendezés, ahol az elsődlegesközépfeszültségű alkatrészek—a gyűjtősínek, megszakítók, szakaszolókapcsolók, földelőkapcsolók és műszertranszformátorok — zárt, gázzal töltött rekeszben vannak elhelyezve. A gáz szigetelő közegként működik a feszültség alatt álló részek, valamint a feszültség alatt álló részek és a föld között.

A hagyományos légszigetelt kapcsolóberendezések a fizikai távolságra támaszkodnak: a vezetékek elég távol vannak egymástól ahhoz, hogy a környező levegő meghibásodás nélkül ellenálljon a feszültségnek. A gázszigetelésű kapcsolóberendezések ezt a fizikai távolságot olyan nyomás alatti gázzal helyettesítik, amelynek dielektromos szilárdsága sokkal nagyobb, mint a levegő. Ez lehetővé teszi a teljes szerelvény drasztikus zsugorítását – bizonyos esetekben a GIS kevesebb mint egynegyedét foglalja el az egyenértékű légszigetelt berendezés alapterületének.

Maga a gáztartály jellemzően rozsdamentes acélból vagy alumíniumötvözetből készül, hegesztett és tömített, hogy megakadályozza a gázszivárgást a berendezés élettartama alatt. Belül a légkört szabályozzák és felügyelik. A modern kialakítások egyre inkább száraz levegőt vagy nitrogént használnak az SF₆ helyett, válaszul az ipart átalakító szabályozásokra.

Hogyan épül fel egy térinformatikai panel: A belső architektúra

Bár a GIS kívülről egyetlen fémszekrénynek tűnik, belül több funkcionális rekeszre van felosztva, amelyek mindegyikét gáztömör korlátok vagy perselyek választják el a többitől. Ezeknek a rekeszeknek a megértése megmagyarázza, hogy a berendezés hogyan éri el mind a működési rugalmasságot, mind a biztonságot.

1. A gyűjtősín-rekesz

A gyűjtősín minden kapcsolóberendezés-szerelvény gerince. A GIS-ben a gyűjtősínek vízszintesen futnak át a panel tetején vagy hátulján található gázkamrában. Mivel a gyűjtősín a szomszédos paneleket köti össze, a több panel gyűjtősínrekeszeit gyakran gáztömör perselyeken keresztül kötik össze, így egy folyamatos gázzónát alkotnak az egész kapcsolótáblán.

A gyűjtősínek a rendszer teljes névleges áramát – gyakran 1250 A, 2000 A vagy nagyobb – továbbítják, és ezt a hőmérsékleti határértékek túllépése nélkül kell megtenniük, ami rontaná a szigetelést vagy felgyorsítaná az érintkező oxidációját. A térinformatikai rendszerben a környező gáz segít elvezetni a hőt a gyűjtősín-vezetőktől, ami nagyobb névleges áramerősséget tesz lehetővé kisebb keresztmetszetben, mint amennyit a légszigetelés lehetővé tenne.

2. A megszakító rekesz

Ha a gyűjtősín a gerinc, a megszakító az izom. Ennek az eszköznek kell megszakítania az áramkört, ha hiba lép fel – és a vele szemben támasztott követelmények rendkívüliek. Egy középfeszültségű megszakítóra lehet szükség a 25 000 amper vagy nagyobb áram megszakításához, és eloltja a napfelszínhez hasonló hőmérsékletű ívet, mindezt néhány ezredmásodperc alatt.

A modern térinformatikai kialakításokban a megszakító funkciót szinte általánosan vákuum-megszakító látja el. A vákuummegszakító egy lezárt kerámiapalack, benne egy pár érintkezővel – egy rögzített, egy mozgatható. Amikor az érintkezők szétválnak, a kialakuló ív szinte tökéletes vákuumban rajzolódik ki. Mivel gyakorlatilag nincs ionizálható gáz, az ív az áram első nulla-átlépésénél kialszik. A GIS tartályban a környező gáz biztosítja a dielektromos szigetelést a megszakító és a tartály fala között, de az ívoltásban nem játszik szerepet.

A COTENELE térinformatikai paneljei 25 kA vagy 31,5 kA névleges teljesítményű vákuum-megszakítókat használnak, amelyek mechanikai tartóssága 10 000 műveletig terjed. A vákuum-megszakító egy életen át karbantartást nem igényel – nincs olaj, nincs gáz, nincs mit pótolni.

3. A szakaszoló és a földelő kapcsoló rekesz

A megszakító megszakíthatja az áramot, de nem biztosíthat látható szigetelési rést, amelyre a karbantartó személyzet rábízhatja az életét. Ez a funkció aszakaszoló(leválasztónak is nevezik). A szakaszolónak nincs ívoltó képessége – csak akkor üzemeltethető, ha a megszakító már megszakította az áramot. Feladata egy láthatóan, mechanikailag és elektromosan biztos fizikai lég- vagy gázrés kialakítása.

A földelő kapcsolók ezzel ellentétes funkciót látnak el: szándékosan csatlakoztatják a leválasztott vezetékeket a földhöz, kisütve az esetleges maradék kapacitív vagy indukált feszültséget. Ez az a lépés, amely biztonságossá teszi a berendezés érintését.

A térinformatikai rendszerben a szakaszoló és a földelő kapcsoló egyetlen háromállású kapcsolóba van integrálva számos kivitelben. Az egyik pozíció „zárt” (csatlakozik a gyűjtősínhez), egy „nyitott” (szigetelt), a másik pedig „földelve”. Ez a háromállású kialakítás leegyszerűsíti a mechanikus reteszeléseket és csökkenti a szükséges gáztömítések számát.

4. Műszertranszformátorok és kábelrekesz

NemGISmérés nélkül teljes. Áramtranszformátorok (CT-k) és feszültségtranszformátorok (VT-k) biztosítják azokat a jeleket, amelyekre a védelmi reléknek, mérőóráknak és SCADA-rendszereknek szükségük van az energiarendszer felügyeletéhez és vezérléséhez. A GIS-ben a CT-k gyakran toroid magok, amelyek a persely köré vannak szerelve, ahol a megszakító csatlakozik a kábelrekeszhez. A VT-k lehetnek induktívak vagy kapacitívak, a gyűjtősínre vagy a betápláló oldalra csatlakoztatva, a védelmi és mérési sémától függően.

A kábelrekesz az a hely, ahol a külső nagyfeszültségű kábelek belépnek a panelbe és csatlakoznak a belső vezetékekhez. Száraz levegőt használó SF₆-mentes GIS-ben a kábeltér a kapcsolóberendezéssel azonos tömített gáztérfogat része, vagy a kialakítástól függően gáztömör persely választja el. A kábelvégződések általában dugaszolható típusúak, elasztomer csatlakozókat használnak, amelyek teljesen szigetelt, teljesen árnyékolt interfészt biztosítanak a kábel és a kapcsolóberendezés között.

5. Az alacsony feszültségű vezérlőrekesz

Az előlap ajtaja mögött a GIS intelligenciája található: védelmi relék, vezérlőkapcsolók, sorkapcsok, segédkontaktorok és kommunikációs átjárók. Ez a rekesz földpotenciálon van, és tömített perselyekkel van elválasztva a nagyfeszültségű gázterektől. Minden másodlagos vezeték – a kioldáshoz, záráshoz, jelzéshez és kommunikációhoz – itt van elvezetve.

A kisfeszültségű térben a kivitelezés minősége megbízható mutatója a gyártó általános minőségének. A gondosan elvezetett vezetékek, az egyértelműen felcímkézett kapcsok és a megfelelően konfigurált védelmi relék arra utalnak, hogy hasonló gondossággal jártak el a panel azon részein, amelyeket az ügyfél nem könnyen ellenőrizhet.

A gázszigetelés fizikája Miért használjunk egyáltalán gázt?

 A válasz az anyag alapvető tulajdonságában rejlik: a dielektromos szilárdságban.

Minden szigetelőanyagnak – levegőnek, olajnak, szilárd epoxinak vagy gáznak – van határa az elektromos térnek, amelyet el tud ellenállni, mielőtt lebomolna és vezetne. Légköri nyomású levegő esetében ez a határ körülbelül 3 kV milliméterenként. Az SF₆ esetében szerény nyomáson ez nagyjából háromszor nagyobb. Ez azt jelenti, hogy az SF₆-vel töltött tartályban lévő vezetékek sokkal közelebb helyezhetők el egymáshoz, mint a levegőben, anélkül, hogy felvillanhatnának. Ennek eredményeként a teljes kapcsolókészülék panel összezsugorodik.

A mechanizmus molekuláris. Az SF₆ egy elektronegatív gáz: molekulái könnyen befogják a szabad elektronokat, nehéz negatív ionokat képezve, amelyek lassan mozognak elektromos térben, és nem képesek fenntartani az elektronlavinát. Ez a tulajdonság biztosítja az SF₆ nagy dielektromos szilárdságát és kiváló ívoltó képességét.

A száraz levegő és a nitrogén egyszerűbb elven működik. Dielektromos szilárdságuk kisebb, mint az SF₆ azonos nyomáson, de középfeszültségű alkalmazásokhoz elegendő, ha a tartály geometriája megfelelő hézagokkal van kialakítva. A kompromisszum egy valamivel nagyobb tartálytérfogat ugyanazon a névleges feszültség mellett, egy olyan mérnöki kompromisszum, amelyet a legtöbb gyártó és felhasználó ma már elfogad az SF₆ globális felmelegedési potenciáljának a CO₂ 23 500-szorosának kiküszöbölésének áraként.

Hogyan működnek a reteszek

A térinformatikai rendszerek egyik meghatározó jellemzője a mechanikus reteszelő rendszer, amelyet gyakran „ötprevenciós” reteszelésnek is neveznek. Ezek a reteszek tisztán mechanikusak – nem függenek az elektromos áramtól, a szoftvertől vagy az emberi memóriától.

A logika egyszerű, de megbocsáthatatlan:

1.A megszakító csak akkor zárható le, ha a szakaszoló teljesen nyitott vagy teljesen zárt.

2. A szakaszoló nem üzemeltethető, amíg a megszakító zárva van.

3. A földelőkapcsolót nem lehet lezárni, amíg az áramkör feszültség alatt van.

4.A megszakító nem zárható le, amíg a földelőkapcsoló be van kapcsolva.

5. A kábelrekesz ajtaja csak akkor nyitható ki, ha a földelőkapcsoló le van zárva.

Ezeket a szabályokat bütykök, karok és csúszócsavarok kényszerítik ki, amelyek fizikailag blokkolják a működtető fogantyúkat vagy az ajtózárat, ha a feltételek nem teljesülnek. A panel előtt álló kezelő számára ez azt jelenti, hogy a nem biztonságos műveletsor nem csupán tilos, hanem mechanikusan lehetetlen.

SF₆-mentes GIS: ugyanaz az elv, biztonságosabb gáz

Az SF₆-mentes GIS működési elve megegyezik a hagyományos SF₆ GIS működési elve. Ugyanazok a rekeszek, ugyanaz a vákuummegszakító, ugyanaz a szakaszoló és földelő kapcsoló, ugyanazok a reteszek. Az egyetlen dolog, ami változik, az a gáz a lezárt tartályban.

A COTENELE középfeszültségű térinformatikai rendszere száraz levegőt használ szigetelő közegként. A gázt gyárilag rozsdamentes acél tartályban tisztítják, párátlanítják és lezárják. A tartályt szivárgás szempontjából megvizsgálják, majd lezárva hagyják a teljes 30 éves tervezési élettartam alatt. Nincs nyomásmérő, amelyet a kezelő leolvashatna, nincs utántöltőnyílás, és nincs gázzal kapcsolatos karbantartási eljárás sem. A gázrendszer a felhasználó szemszögéből láthatatlan.

Ennek a megközelítésnek három gyakorlati előnye van a végfelhasználó számára:

• Környezetvédelmi megfelelés.Az SF₆ hiánya azt jelenti, hogy nincs F-gáz jelentési kötelezettség, nincs szivárgásészlelő program, és nincs az életciklus végén gáz visszanyerése sem. A berendezés kivételek és megoldások nélkül megfelel az EU F-gáz rendeletének.
• Egyszerűsített karbantartás.Egy karbantartó technikus, aki kinyitja a panel ajtaját, ugyanazt a vákuummegszakítót, ugyanazt a leválasztó mechanizmust és ugyanazokat a védelmi reléket találja, mint bármely más modern térinformatikai rendszerben. Nincs megérthető gázkezelő berendezés.
• Jövőbiztos befektetés.Mivel az SF₆ korlátozások globálisan szigorodnak, az SF₆-t nem tartalmazó berendezésekre nem vonatkoznak szigorodó szolgáltatási korlátozások, növekvő gázköltségek vagy kötelező utólagos felszerelési követelmények.

Hol használják a GIS-t

A GIS technológiát minden olyan helyen alkalmazzák, ahol helyszűke van, a megbízhatóság kritikus fontosságú, vagy a környezeti feltételek nem teszik lehetővé a légszigetelt berendezéseket:

• A városi alállomások, ahol az ingatlanköltségek pénzügyi szükségletté teszik a kompakt berendezéseket.
• Szélerőmű-gyűjtő alállomások, ahol a kapcsolóberendezéseknek megbízhatóan kell működniük távoli, néha zord környezetben, korlátozott karbantartási hozzáféréssel.
• Azok az adatközpontok, ahol a rendelkezésre állási garanciák és az ESG kötelezettségvállalások SF₆-mentes, alacsony karbantartást igénylő berendezéseket igényelnek.
• Korrozív atmoszférájú, magas porszintű vagy magas páratartalmú ipari üzemek, amelyek rontják a szabad levegőszigetelésű vezetékeket.
• Infrastruktúrák, például repülőterek, metrók ​​és alagutak, ahol a tűzbiztonság és a kompaktság nem alku tárgya.

Gyakran Ismételt Kérdések

K: Javítható a GIS, ha a gáz szivárog?

V: Az élettartamra lezárt szárazlevegős GIS esetében a tartályt gyárilag hegesztik és tesztelik, és nem a helyszínen történő kinyitásra tervezték. Ha a tartály veszélybe kerül, általában a teljes panelt kicserélik. Ezért kritikus fontosságú a tartály integritásának vizsgálata a gyártás során. A megfelelően gyártott, lezárt tartályból azonban rendkívül ritka a gázszivárgás a berendezés élettartama során.

K: Honnan tudja, hogy a vákuum-megszakító még mindig működik?

V: A vákuum integritását a rutin gyári tesztelés során ellenőrzik a nyitott érintkezőkön végzett nagy potenciálú teszttel. Üzem közben a vákuummegszakítók karbantartást nem igényelnek, és nem romlanak az idő múlásával. Az egyetlen kopási mechanizmus az érintkezési erózió a hiba megszakítása során, amely a megszakító névleges elektromos tartósságában van figyelembe véve.

K: A szárazlevegős GIS fizikailag nagyobb, mint az SF₆ GIS?

V: 40,5 kV-ig terjedő középfeszültségű szinten a méretkülönbség minimális, és belefér a szabványos panelméretekbe. A gyártók a fejlesztés évek során optimalizálták a tartály geometriáját, hogy minimálisra csökkentsék a szárazlevegő-konstrukciók lábnyomát.

K: Milyen szabványok vonatkoznak a GIS-re?

V: A fémmel zárt térinformatikai rendszert az IEC 62271-200 szabvány szerint tesztelték. A belső megszakítót az IEC 62271-100 szerint tesztelték. A belső ívosztályozást (IAC) az IEC 62271-200 A melléklete szerint tesztelték. A COTENELE minden árajánlathoz teljes típusvizsgálati tanúsítványt biztosít független IEC-akkreditált laboratóriumoktól.

Következtetés: Az alapok elsajátítása

A gázszigetelt kapcsolóberendezések a nagyfeszültségű vezetékek gázatmoszférában történő tömítésével működnek, ami elszigeteli őket egymástól és a földtől, lehetővé téve, hogy a teljes szerelvény sokkal kisebb legyen, mint a légszigetelt megfelelője. A zárt környezetben a vákuummegszakítók megszakítják az áramkört, a szakaszolók látható szigetelést biztosítanak, a földelő kapcsolók biztonságossá teszik a berendezés érintését, és a mechanikus reteszek hálózata biztosítja, hogy ezeket a műveleteket csak a megfelelő sorrendben lehessen végrehajtani.

Az SF₆-ről a száraz levegőre való átmenet nem változtatta meg ezt az alapvető architektúrát. Egyszerűen lecserélte a gázt egy olyanra, amely nem jár évezredes környezetvédelmi felelősséggel. A mérnökök és a vásárlók számára a térinformatikai rendszer működésének megértése jelenti az alapot a megfelelő berendezések meghatározásához, a gyártói állítások ellenőrzéséhez, és annak biztosításához, hogy a ma telepített kapcsolóberendezések három évtized múlva is védjék a hálózatot.

A COTENELE SF₆-mentes gázszigetelt kapcsolóberendezéseket gyárt szárazlevegő-szigeteléssel és vákuummegszakítással, az IEC 62271-200 szerint típusvizsgált. Mérnöki csapatunk teljes dokumentációs csomagokat biztosít – beleértve a típusvizsgálati tanúsítványokat és a rutinvizsgálati jelentéseket – a pályázati szakaszban, lehetővé téve ügyfeleink számára, hogy magabiztosan megadhassák. SF₆-mentes térinformatikai rendszert keres következő projektjéhez? A COTENELE 12 kV-tól 40,5 kV-ig szállít SF₆-mentes gázszigetelt áramköröket, megszakítóberendezéseket, új gyűrűs főkapcsolókat. energia, adatközpont és ipari alkalmazások.

COTENELEa középfeszültségű kapcsolóberendezések szakosodott gyártója, beleértve az SF₆-mentes gázszigetelt kapcsolóberendezéseket, vákuummegszakítókat, gyűrűs főegységeket és fémburkolatú paneleket 12 kV és 40,5 kV közötti alkalmazásokhoz. Termékeink közműveket, adatközpont-üzemeltetőket, megújulóenergia-fejlesztőket és ipari vásárlókat szolgálnak ki Európa, Ázsia és a Közel-Keleten.