Kuinka kaasueristetty kytkinlaite (GIS) toimii?

Johdanto: Metallilaatikko, joka ohjaa tuhansia voltteja

Kävele mihin tahansa moderniin sähköasemaan, tuulipuiston keräilyalustalle tai kaupungin pilvenpiirtäjän kellariin, niin näet rivin vaatimattomia metallikaappeja, jotka tekevät hiljaa yhtä vaarallisimmista töistä sähkömaailmassa. Nämä ovatkaasueristetyt kojeistotpaneelit - taiGIS– ja ne on suunniteltu pitämään, hallitsemaan ja sammuttamaan sähkökaaret, jotka muutoin höyrystäisivät metallia ja vaarantaisivat lähellä olevat ihmiset.

Sähköinsinöörille GIS:n toiminnan ymmärtäminen ei ole akateeminen harjoitus. Se määrittää sähköaseman sijoittelun, kunnossapidon aikataulun ja sen, toimivatko laitteet luotettavasti 30 vuoden kuluttua käyttöönotosta. Hankintaammattilaiselle se selventää, miksi yksi paneeli maksaa enemmän kuin toinen ja mitä tämä lisäinvestointi tuo turvallisuuden, jalanjäljen ja elinkaarikustannusten kannalta.

Tässä artikkelissa selitetään komponenteittain, kuinka kaasueristetyt kytkinlaitteet toimivat – suljetusta kaasusäiliöstä, joka pitää korkeajännitteiset johtimet erillään, tyhjökatkaisijaan, joka katkaisee piirin, mekaanisiin lukituksiin, jotka estävät vaarallisen virheen muodostumisen kuolemaan.

Mikä tarkalleen on kaasueristetty kytkinlaite?

Kaasueristetty kojeisto on metallikoteloitu kojeisto, jossa ensiökeskijännitekomponentit— virtakiskot, katkaisijat, erottimet, maadoituskytkimet ja instrumenttimuuntajat — sijaitsevat suljetussa, kaasutäytteisessä lokerossa. Kaasu toimii eristävänä väliaineena jännitteisten osien sekä jännitteisten osien ja maan välillä.

Perinteiset ilmaeristetyt kojeistot perustuvat fyysiseen etäisyyteen: johtimet on sijoitettu riittävän etäälle toisistaan, jotta ympäröivä ilma kestää jännitteen katkeamatta. Kaasueristetyt kojeistot korvaavat tämän fyysisen etäisyyden paineistetulla kaasulla, jonka dielektrinen lujuus on paljon suurempi kuin ilman. Tämä mahdollistaa koko kokoonpanon kutistumisen dramaattisesti – joissakin tapauksissa GIS vie alle neljänneksen vastaavan ilmaeristetyn asennuksen lattiapinta-alasta.

Itse kaasusäiliö on tyypillisesti valmistettu ruostumattomasta teräksestä tai alumiiniseoksesta, hitsattu ja tiivistetty estämään kaasuvuodot laitteen käyttöiän aikana. Sisällä ilmapiiriä valvotaan ja valvotaan. Nykyaikaisissa malleissa käytetään yhä enemmän kuivaa ilmaa tai typpeä SF₆:n sijaan, mikä on vastaus alaa muokkaaviin säädöksiin.

Kuinka GIS-paneeli rakennetaan: sisäinen arkkitehtuuri

Vaikka GIS näyttää ulkopuolelta yhtenä metallikaapina, se on sisäisesti jaettu useisiin toiminnallisiin osastoihin, joista kukin on eristetty muista kaasutiiviillä esteillä tai holkeilla. Näiden osastojen ymmärtäminen selittää, kuinka laitteet saavuttavat sekä toiminnan joustavuuden että turvallisuuden.

1. Virtakiskotila

Virtakisko on minkä tahansa kojeistokokoonpanon selkäranka. GIS-järjestelmässä virtakiskot kulkevat vaakasuunnassa erillisen kaasulokeron läpi paneelin ylä- tai takaosassa. Koska virtakisko yhdistää vierekkäiset paneelit toisiinsa, useiden paneelien virtakiskoosastot yhdistetään usein kaasutiiviiden holkkien kautta, mikä muodostaa jatkuvan kaasuvyöhykkeen koko kytkintaulun yli.

Virtakiskot kuljettavat asennuksen täyden nimellisvirran – usein 1250 A, 2000 A tai enemmän – ja ne on tehtävä ylittämättä lämpötilarajoja, jotka heikentäisivät eristystä tai kiihdyttäisivät koskettimen hapettumista. GIS:ssä ympäröivä kaasu auttaa johtamaan lämpöä pois kiskojohtimista, mikä mahdollistaa suuremmat virrankulutukset pienemmässä poikkileikkauksessa kuin ilmaneristys sallisi.

2. Katkaisijaosasto

Jos virtakisko on selkäranka, katkaisija on lihas. Se on laite, joka katkaisee piirin, kun vika ilmenee – ja sille asetetut vaatimukset ovat äärimmäisiä. Keskijännitekatkaisijaa voidaan tarvita katkaisemaan 25 000 ampeeria tai enemmän, mikä sammuttaa valokaaren, joka saavuttaa Auringon pintaa vastaavan lämpötilan, kaikki muutamassa millisekunnissa.

Nykyaikaisissa GIS-malleissa katkaisijatoiminto suoritetaan lähes yleisesti tyhjökatkaisijalla. Tyhjiökatkaisin on sinetöity keraaminen pullo, jonka sisällä on pari koskettimia – yksi kiinteä, toinen liikkuva. Kun koskettimet eroavat, muodostuva kaari piirretään lähes täydellisessä tyhjiössä. Koska ionisoituvaa kaasua ei käytännössä ole, kaari sammuu virran ensimmäisessä nollapisteessä. GIS-säiliötä ympäröivä kaasu muodostaa katkaisijan ja säiliön seinämän välisen eristyksen, mutta sillä ei ole merkitystä valokaaren sammuttamisessa.

COTENELEn GIS-paneeleissa käytetään tyhjiökytkimiä, joiden teho on enintään 25 kA tai 31,5 kA ja joiden mekaaninen kestävyys on 10 000 toimintoa. Tyhjiökatkaisin on huoltovapaa koko eliniän – ei öljyä, ei kaasua, ei mitään täytettävää.

3. Erotin- ja maadoituskytkinosasto

Katkaisija voi katkaista virran, mutta se ei voi muodostaa näkyvää eristysrakoa, johon huoltohenkilöstö voi luottaa henkensä. Tämä toiminto kuuluuerotin(kutsutaan myös isolaattoriksi). Erottimella ei ole valokaaren sammutuskykyä – sitä voidaan käyttää vasta, kun katkaisija on jo katkaissut virran. Sen tehtävänä on luoda fyysinen ilma- tai kaasurako, joka on näkyvästi, mekaanisesti ja sähköisesti varma.

Maadoituskytkimet suorittavat päinvastaisen toiminnan: ne yhdistävät tarkoituksella erotetut johtimet maahan purkaen mahdollisen jäännöskapasitiivisen tai indusoidun jännitteen. Tämä on vaihe, joka tekee laitteesta turvallista koskettaa.

GIS-järjestelmässä erotin ja maadoituskytkin on integroitu yhdeksi kolmiasentoiseksi kytkimeksi monissa malleissa. Yksi asento on ”suljettu” (kytkettynä virtakiskoon), yksi ”avoin” (eristetty) ja yksi ”maadoitettu”. Tämä kolmiasentoinen rakenne yksinkertaistaa mekaanisia lukituksia ja vähentää tarvittavien kaasutiivisteiden määrää.

4. Instrumenttimuuntajat ja kaapelilokero

EiGISon täydellinen ilman mittausta. Virtamuuntajat (CT) ja jännitemuuntajat (VT) antavat signaalit, joita suojareleiden, mittarien ja SCADA-järjestelmien on valvottava ja ohjattava sähköjärjestelmää. GIS:ssä CT:t ovat usein toroidisia ytimiä, jotka on asennettu holkin ympärille, jossa katkaisija liitetään kaapeliosastoon. VT:t voivat olla induktiivisia tai kapasitiivisia, kytkettynä virtakisko- tai syöttöpuolelle suoja- ja mittausjärjestelmästä riippuen.

Kaapeliosasto on paikka, jossa ulkoiset suurjännitekaapelit menevät paneeliin ja kytkeytyvät sisäisiin johtimiin. Kuivaa ilmaa käyttävässä SF₆-vapaassa GIS:ssä kaapelitila on osa samaa suljettua kaasutilavuutta kuin kojeisto tai erotettu kaasutiiviillä läpiviennillä rakenteesta riippuen. Kaapelipäätteet ovat tyypillisesti pistoketyyppisiä, ja niissä käytetään elastomeeriliittimiä, jotka tarjoavat täysin eristetyn, täysin suojatun liitännän kaapelin ja kojeiston välille.

5. Pienjänniteohjausosasto

Etupaneelin oven takana on GIS:n älykkyys: suojareleet, ohjauskytkimet, riviliittimet, apukontaktorit ja tietoliikenneyhdyskäytävät. Tämä osasto on maapotentiaalissa ja on eristetty suurjännitekaasuosastoista tiivistetyillä holkeilla. Kaikki toissijaiset johdot – laukaisua, sulkemista, ilmaisua ja tiedonsiirtoa varten – reititetään tähän.

Pienjänniteosaston työn laatu on luotettava indikaattori valmistajan yleisestä laadusta. Siististi reititetty johdotus, selkeästi merkityt liittimet ja oikein konfiguroidut suojareleet viittaavat siihen, että samanlaista huolellisuutta on pidetty niissä paneelin osissa, joita asiakas ei voi helposti tarkistaa.

Kaasueristyksen fysiikka Miksi käyttää kaasua ollenkaan?

 Vastaus piilee aineen perusominaisuudessa: dielektrisessä lujuudessa.

Jokaisella eristemateriaalilla – ilmalla, öljyllä, kiinteällä epoksilla tai kaasulla – on raja sähkökenttään, jonka se kestää ennen kuin se hajoaa ja johtaa. Ilman paineessa tämä raja on noin 3 kV millimetriä kohti. SF₆:lle vaatimattomalla paineella se on noin kolme kertaa suurempi. Tämä tarkoittaa, että SF₆-täytteisen säiliön sisällä olevat johtimet voidaan sijoittaa paljon lähemmäksi toisiaan kuin ilmassa ilman ylilyöntiriskiä. Tämän seurauksena koko kojeiston paneeli kutistuu.

Mekanismi on molekyyli. SF₆ on elektronegatiivinen kaasu: sen molekyylit vangitsevat helposti vapaita elektroneja muodostaen raskaita negatiivisia ioneja, jotka liikkuvat hitaasti sähkökentässä ja eivät kestä elektronivyöryä. Tämä ominaisuus antaa SF₆:lle sekä sen korkean dielektrisen lujuuden että erinomaisen valokaaren sammutuskyvyn.

Kuiva ilma ja typpi toimivat yksinkertaisemmalla periaatteella. Niiden dielektrinen lujuus on pienempi kuin SF₆ samassa paineessa, mutta se riittää keskijännitesovelluksiin, kun säiliön geometria on suunniteltu sopivilla välyksillä. Kompromissi on hieman suurempi säiliötilavuus samalla jännitteellä, mikä on tekninen kompromissi, jonka useimmat valmistajat ja käyttäjät hyväksyvät nyt hintana SF₆:n ilmaston lämpenemispotentiaalin eliminoimisesta, joka on 23 500 kertaa CO₂:n.

Kuinka lukitukset toimivat

Yksi GIS:n määrittävistä ominaisuuksista on sen mekaaninen lukitusjärjestelmä, jota usein kutsutaan "viiden ehkäisylukitukseksi". Nämä lukitukset ovat puhtaasti mekaanisia – ne eivät ole riippuvaisia ​​sähkötehosta, ohjelmistoista tai ihmisen muistista.

Logiikka on yksinkertainen, mutta anteeksiantamaton:

1. Katkaisijaa ei voi sulkea, ellei erotin ole täysin auki tai kokonaan kiinni.

2. Erotinta ei voi käyttää, kun katkaisija on kiinni.

3. Maadoituskytkintä ei voi sulkea piirin ollessa jännitteinen.

4. Katkaisijaa ei voi sulkea, kun maadoituskytkin on kytkettynä.

5. Kaapelitilan ovea ei voi avata, ellei maadoituskytkintä ole suljettu.

Näitä sääntöjä valvovat nokat, vivut ja liukupultit, jotka estävät fyysisesti käyttökahvat tai oven salvan, kun olosuhteet eivät täyty. Paneelin edessä seisovalle käyttäjälle tämä tarkoittaa, että vaarallinen toimintosarja ei ole pelkästään kiellettyä – se on mekaanisesti mahdotonta.

SF₆-vapaa GIS: Sama periaate, turvallisempi kaasu

SF6-vapaan GIS:n toimintaperiaate on identtinen perinteisen SF6 GIS:n kanssa. Samat osastot, sama alipainekatkaisin, sama erotin ja maadoituskytkin, samat lukitukset. Ainoa asia, joka muuttuu, on suljetun säiliön sisällä oleva kaasu.

COTENELEn keskijännite-GIS käyttää kuivaa ilmaa eristävänä väliaineena. Kaasu puhdistetaan, kuivataan ja suljetaan tehtaalla ruostumattomasta teräksestä valmistettuun säiliöön. Säiliö testataan vuotojen varalta ja jätetään sitten tiivistetyksi koko sen 30 vuoden suunnittelun ajaksi. Käyttäjällä ei ole painemittaria, jota pitäisi lukea, ei täyttöaukkoa eikä kaasuun liittyvää huoltomenettelyä. Kaasujärjestelmä on käyttäjän näkökulmasta näkymätön.

Tällä lähestymistavalla on kolme käytännön hyötyä loppukäyttäjälle:

• Ympäristön noudattaminen.Ei SF₆ tarkoittaa, että F-kaasujen raportointivelvoitteita ei ole, ei vuotojen havaitsemisohjelmaa eikä käyttöiän lopussa olevien kaasujen talteenottoa. Laite on EU:n F-kaasuasetuksen mukainen ilman poikkeuksia tai kiertotapoja.
• Yksinkertaistettu huolto.Paneelin oven avaava huoltoteknikko löytää saman tyhjökatkaisijan, saman erotusmekanismin ja samat suojareleet kuin missä tahansa nykyaikaisessa paikkatietojärjestelmässä. Ymmärrettävänä ei ole kaasunkäsittelylaitteita.
• Tulevaisuuden kestävä investointi.Koska SF₆-rajoitukset kiristyvät maailmanlaajuisesti, SF₆:ta sisältämättömät laitteet eivät kohtaa tiukentuvia palvelurajoituksia, nousevia kaasukustannuksia tai pakollisia jälkiasennusvaatimuksia.

Missä GIS:ää käytetään

GIS-tekniikkaa käytetään aina, kun tilaa on rajoitetusti, luotettavuus on kriittinen tai ympäristöolosuhteet tekevät ilmaeristetyistä laitteista epäkäytännöllisiä:

• Kaupunkien sähköasemat, joissa kiinteistökustannukset tekevät kompakteista laitteista taloudellisen välttämättömyyden.
• Tuulipuiston keräilyasemat, joissa kytkinlaitteiden on toimittava luotettavasti syrjäisissä, joskus ankarissa ympäristöissä, joissa huoltomahdollisuudet ovat rajalliset.
• Palvelinkeskukset, joissa käyttöaikatakuu ja ESG-sitoumukset vaativat SF₆-vapaita, vähän huoltoa vaativia laitteita.
• Teollisuuslaitokset, joissa on syövyttävä ilmapiiri, korkea pölytaso tai korkea kosteus, jotka heikentävät paljaita ilmaeristettyjä johtimia.
• Infrastruktuurit, kuten lentokentät, metrot ja tunnelit, joissa paloturvallisuus ja tiiviys eivät ole neuvoteltavissa.

Usein kysytyt kysymykset

K: Voidaanko GIS korjata, jos kaasu vuotaa?

V: Sinetöityyn kuivailma-GIS-järjestelmään säiliö on hitsattu ja testattu tehtaalla, eikä sitä ole suunniteltu avattavaksi paikan päällä. Jos säiliö joskus vaarantuu, koko paneeli vaihdetaan yleensä. Tästä syystä säiliön eheyden testaus valmistuksen aikana on kriittinen. Kaasuvuoto oikein valmistetusta tiivistetystä säiliöstä on kuitenkin erittäin harvinaista laitteen käyttöiän aikana.

K: Mistä tiedät, että tyhjiökatkaisin toimii edelleen?

V: Tyhjiön eheys varmistetaan rutiininomaisessa tehdastestauksessa avoimien koskettimien suuripotentiaalitestillä. Käytössä alipainekatkaisijat ovat huoltovapaita eivätkä heikennä ajan myötä. Ainoa kulumismekanismi on kosketuseroosio vikakatkon aikana, mikä huomioidaan katkaisijan nimellissähkökestävyydessä.

K: Onko kuivailma-GIS fyysisesti suurempi kuin SF₆ GIS?

V: Keskijännitetasoilla aina 40,5 kV:iin asti kokoero on minimaalinen ja mahtuu paneelin standardimittoihin. Valmistajat ovat optimoineet säiliöiden geometrioita vuosien kehitystyön aikana minimoidakseen kuivan ilman jalanjäljen.

K: Mitä standardeja sovelletaan GIS:ään?

V: Metallikoteloitu GIS on tyyppitestattu standardin IEC 62271-200 mukaisesti. Sisäinen katkaisija on testattu IEC 62271-100:n mukaisesti. Sisäinen kaariluokitus (IAC) on testattu IEC 62271-200 liitteen A mukaisesti. COTENELE tarjoaa täydelliset tyyppitestitodistukset riippumattomilta IEC-akkreditoiduilta laboratorioilta jokaisen tarjouksen yhteydessä.

Johtopäätös: Perusasioiden hallinta

Kaasueristetyt kojeistot tiivistävät suurjännitejohtimet kaasuilmakehässä, joka eristää ne toisistaan ​​ja maasta, jolloin koko kokoonpano voidaan tehdä paljon pienemmäksi kuin vastaava ilmaeristeinen vastaava. Suljetussa ympäristössä tyhjökatkaisijat katkaisevat piirin, erottimet tarjoavat näkyvän eristyksen, maadoituskytkimet tekevät laitteesta turvallisia koskea, ja mekaanisten lukitusten verkosto varmistaa, että nämä toiminnot voidaan suorittaa vain oikeassa järjestyksessä.

Siirtyminen SF6:sta kuivaan ilmaan ei ole muuttanut tätä perusarkkitehtuuria. Se on yksinkertaisesti korvannut kaasun kaasulla, jolla ei ole vuosituhatta kestävää ympäristövastuuta. Insinööreille ja ostajille paikkatietojärjestelmän toiminnan ymmärtäminen on perusta oikean laitteiston määrittämiselle, valmistajan väitteiden tarkistamiselle ja sen varmistamiselle, että tänään asennettu kojeisto suojaa verkkoa kolmen vuosikymmenen kuluttua.

COTENELE valmistaa SF₆-vapaita kaasueristettyjä kojeistoja, joissa käytetään kuivailmaeristystä ja alipainekatkaisua, tyyppitestattu IEC 62271-200 mukaisesti. Suunnittelutiimimme tarjoaa täydelliset dokumentaatiopaketit – mukaan lukien tyyppitestitodistukset ja rutiinitestiraportit – tarjousvaiheessa, jolloin asiakkaamme voivat määritellä luottavaisin mielin. Etsitkö SF₆-vapaata GIS:tä seuraavaan projektiisi?COTENELE toimittaa 12 kV – 40,5 kV SF₆-vapaata kaasueristeistä virtapiiriä, katkaisijalaitteita ja rengassähköjäykköitä energia, datakeskus ja teolliset sovellukset.

COTENELEon erikoistunut valmistamaan keskijännitekojeistoja, mukaan lukien SF₆-vapaat kaasueristeiset kojeistot, tyhjiökatkaisijat, rengaspääyksiköt ja metallipäällysteiset paneelit 12 kV - 40,5 kV sovelluksiin. Tuotteemme palvelevat sähkölaitoksia, konesalioperaattoreita, uusiutuvan energian kehittäjiä ja teollisia ostajia Euroopassa, Aasiassa ja Lähi-idässä.