Co to jest system z izolacją gazową (GIS)? Kompleksowy przewodnik

A System izolowany gazem (GIS) jest kompaktem, układ elektryczny wysokiego napięcia, w którym znajdują się elementy takie jak rozdzielnica, wyłączniki automatyczne, rozłączniki, a transformatory są umieszczone w szczelnej obudowie wypełnionej gazem izolacyjnym, zazwyczaj sześciofluorek siarki (SF6), zamiast powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym. Taka konstrukcja znacznie zmniejsza wymaganą przestrzeń w porównaniu do podstacji izolowanych powietrzem (AIS). Zastosowanie gazu SF6, dzięki doskonałej wytrzymałości dielektrycznej i możliwościom gaszenia łuku, pozwala na znacznie mniejszą powierzchnię, czyniąc GIS idealnym rozwiązaniem dla obszarów miejskich, instalacje podziemne, i innych środowiskach o ograniczonej przestrzeni. Zamknięta konstrukcja chroni również komponenty przed czynnikami środowiskowymi, takimi jak zanieczyszczenia, spray solny, i ekstremalna pogoda, zwiększając niezawodność i ograniczając konserwację.

1. Wstęp

Systemy izolowane gazem (GIS) stanowią znaczący postęp w technologii elektrycznej wysokiego napięcia. Tradycyjne podstacje w izolacji powietrznej (AIS) wymagają dużych odstępów między elementami pod napięciem ze względu na stosunkowo niską wytrzymałość dielektryczną powietrza. Skutkuje to dużymi obszarami podstacji, co czyni je nieodpowiednimi dla wielu lokalizacji miejskich i o ograniczonej przestrzeni. GIS technologia pokonuje to ograniczenie, zamykając wszystkie części pod napięciem w uziemionej metalowej obudowie wypełnionej gazem izolacyjnym pod ciśnieniem, najczęściej sześciofluorek siarki (SF6).

Koncepcja wykorzystania gazu jako medium izolacyjnego nie jest nowa, ale rozwój SF6 gas with its exceptional properties revolutionized the design of high-voltage equipment. SF6 has a dielectric strength approximately 2.5 Do 3 razy większa niż powietrze, allowing for a dramatic reduction in the size of the equipment. It also has excellent arc-quenching capabilities, making it ideal for use in wyłączniki automatyczne.

2. Why Use a System izolowany gazem?

The adoption of GIS technology is driven by several key advantages:

• Space Saving: The most significant advantage of GIS is its compact size. A GIS substation can occupy as little as 10% of the space required by a comparable AIS substation. This is particularly crucial in urban areas where land is expensive and scarce.
• High Reliability: The enclosed design of GIS protects the internal components from environmental factors such as pollution, spray solny, wilgotność, and animal intrusion. To znacznie zmniejsza ryzyko usterek i zwiększa ogólną niezawodność systemu.
• Zwiększone bezpieczeństwo: Wszystkie części pod napięciem są zamknięte w uziemionej metalowej obudowie, minimalizując ryzyko przypadkowego kontaktu i poprawiając bezpieczeństwo personelu.
• Zmniejszona konserwacja: Zamknięte środowisko i wykorzystanie SF6 gaz, który jest chemicznie obojętny i niedegradujący, znacznie zmniejszają potrzebę konserwacji w porównaniu do AIS.
• Instalacja wewnętrzna i podziemna: GIS nadaje się zarówno do instalacji wewnętrznych, jak i zewnętrznych. Kompaktowe wymiary i zamknięta konstrukcja sprawiają, że idealnie nadaje się do podstacji podziemnych, dodatkowo minimalizując jego wpływ wizualny.
• Estetyczny wygląd: GIS podstacje mają znacznie mniejszy i bardziej estetyczny wygląd w porównaniu do podstacji AIS.

3. Składniki A GIS

• Wyłączniki automatyczne: Służy do przerywania prądów zwarciowych i izolowania sekcji systemu. GIS zwykle używane wyłączniki automatyczne SF6 gaz do izolacji i gaszenia łuku.
• Odłączniki (Izolatory): Służy do zapewnienia widocznej izolacji sprzętu w celach konserwacyjnych. Nie są zaprojektowane do przerywania prądu obciążenia.
• Uziemniki: Służy do uziemiania sprzętu pozbawionego napięcia, zapewnienie bezpieczeństwa podczas konserwacji.
• Aktualny Transformatory (CT): Służy do pomiaru prądu płynącego w przewodach wysokiego napięcia w celach ochronnych i pomiarowych.
• Transformatory napięcia (VT): Wykorzystywany do zmierzyć napięcie układu wysokiego napięcia do celów ochronnych i pomiarowych.
• Szyny zbiorcze: Główni dyrygenci nieść prąd pomiędzy różnymi elementami GIS.
• Ograniczniki przepięć: Służy do ochrony GIS przed przepięciami spowodowanymi uderzeniami piorunów lub operacjami łączeniowymi.
• Obudowa gazoszczelna: The grounded metallic enclosure that houses all the components and contains the SF6 gaz. The enclosure is typically made of aluminum or steel.
• Gas Monitoring System: Monitors the pressure, density, and purity of the SF6 gas.

Figure 1: Schematic diagram of a typical System izolowany gazem (GIS), showing the main components.

4. The Role of SF6 Gaz

Sulfur hexafluoride (SF6) is a colorless, bezwonny, nietoksyczny, and non-flammable gas that has exceptional dielectric and arc-quenching properties. These properties make it the ideal insulating medium for GIS.

Key Properties of SF6 Gaz:

• High Dielectric Strength: SF6 has a dielectric strength approximately 2.5 Do 3 times that of air at the same pressure. This allows for much smaller clearances between energized components.
• Excellent Arc-Quenching Capability: SF6 is very effective at extinguishing arcs that occur when a circuit breaker interrupts current. It absorbs the energy of the arc and rapidly cools it down, preventing re-ignition.
• Stabilność chemiczna: SF6 jest chemicznie obojętny i nie rozkłada się w normalnych warunkach pracy. Zapewnia to długoterminową stabilność i wydajność.
• Stabilność termiczna: SF6 ma dobrą stabilność termiczną, co pozwala na pracę w szerokim zakresie temperatur.
• Nietoksyczność: SF6 sam w sobie jest nietoksyczny. Jednakże, w obecności łuku, może rozkładać się na produkty uboczne, które mogą być toksyczne. Niezbędne są odpowiednie procedury postępowania i wentylacji.

Chociaż SF6 jest bardzo przydatnym gazem dla GIS, jest także silnym gazem cieplarnianym, z potencjałem globalnego ocieplenia (GWP) około 23,500 razy więcej niż dwutlenek węgla (CO2). Z tego powodu, coraz większy nacisk kładzie się na minimalizację emisji SF6 i poszukiwanie alternatywnych gazów.

5. Alternatywy dla SF6 Gaz

Ze względu na wysoki współczynnik GWP SF6, branża aktywnie bada i opracowuje alternatywne gazy izolacyjne GIS. These alternatives aim to reduce the environmental impact while maintaining the performance and reliability of GIS. Some potential alternatives include:

• **Fluoroketones:** These have a significantly lower GWP than SF6 and good dielectric properties.
• **Fluoronitriles:** These also offer a lower GWP and good dielectric strength.
• **Mixtures of Gases:** Combining gases like CO2, N2, and O2 with small amounts of fluorinated compounds can reduce the overall GWP while maintaining acceptable performance.
• **Clean Air (Dry Air):** While air has a lower dielectric strength than SF6, advances in design and higher operating pressures are making "clean air" GIS a viable option for some voltage levels.

The transition to alternative gases is ongoing, with ongoing research and development efforts focused on optimizing performance, koszt, and environmental impact.

6. Monitorowanie i konserwacja GIS

Chociaż GIS wymaga mniej konserwacji niż AIS, regularne monitorowanie i konserwacja są nadal niezbędne zapewnić jego długoterminową niezawodność i bezpieczeństwo. Kluczowe aspekty Monitorowanie GIS włączać:

• SF6 Monitorowanie gazu: Regularnie monitoruj ciśnienie, density, i czystość SF6 gaz jest kluczowy. Nieszczelności mogą obniżyć właściwości izolacyjne gazu i zwiększyć ryzyko awarii. Gęstość gazu monitory i systemy wykrywania nieszczelności służą do tego celu.
• Częściowe rozładowanie (PD) Monitorowanie: PD to miejscowe wyładowanie elektryczne, które może wystąpić w obrębie uszkodzeń izolacji. PD monitorowanie może wykryć wczesne oznaki degradacji izolacji, umożliwiając interwencję w odpowiednim czasie, zanim wystąpi poważna usterka. Stosowane techniki PD monitorowanie w GIS obejmują UHF (Ultrawysoka częstotliwość) czujniki, emisja akustyczna (AE) czujniki, i HFCT (Transformator prądowy wysokiej częstotliwości) czujniki.
• Monitorowanie temperatury: Przegrzanie może wskazywać na różne problemy, takie jak słabe połączenia, nadmierny prąd, lub degradację izolacji. Monitorowanie temperatury można realizować za pomocą tradycyjnych czujników (termopary, BRT), podczerwony (I) termografia, Lub czujniki światłowodowe. Oparta na fluorescencji czujniki światłowodowe szczególnie dobrze nadają się do GIS ze względu na ich odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, mały rozmiar, i wysoka dokładność.
• Monitorowanie wyłącznika: Monitorowanie pracy wyłączników, łącznie z czasem pracy, zużycie kontaktowe, i wydajność mechanizmu, jest niezbędne do zapewnienia niezawodnego przerwania zwarcia.
• Inspekcje wizualne: Okresowe kontrole wizualne mogą pomóc w identyfikacji zewnętrznych oznak problemów, takie jak wycieki gazu, korozja, lub uszkodzenie obudowy.

7. Zastosowania GIS

• Podstacje wysokiego napięcia: GIS jest preferowany technologia do podstacji wysokiego napięcia w obszarach miejskich, gdzie przestrzeń jest ograniczona.
• Podstacje podziemne: Kompaktowy rozmiar i zamknięta konstrukcja GIS czynią go idealnym rozwiązaniem dla podstacji podziemnych.
• Platformy offshore: GIS ze względu na niewielkie rozmiary jest stosowany w morskich farmach wiatrowych oraz platformach naftowych i gazowych, niezawodność, i odporność na trudne warunki środowiskowe.
• Zakłady Przemysłowe: GIS znajduje zastosowanie w zakładach przemysłowych o dużym zapotrzebowaniu na moc, takich jak huty stali, huty aluminium, i zakłady chemiczne.
• Elektrownie wodne: GIS jest często stosowany w elektrowniach wodnych, tam, gdzie przestrzeń może być ograniczona, a względy środowiskowe są ważne.
• Podstacje mobilne: GIS może być tymczasowo stosowany w podstacjach mobilnych zasilanie w sytuacjach awaryjnych lub konserwacji.