Що таке газоізоляційна система (ГІС)? Комплексне керівництво

А Газоізоляційна система (ГІС) є компактним, електрична система високої напруги, де такі компоненти, як розподільні пристрої, автоматичні вимикачі, роз'єднувачі, і трансформатори розміщені в герметичному корпусі, заповненому ізоляційним газом, зазвичай гексафторид сірки (SF6), замість повітря при атмосферному тиску. Така конструкція значно зменшує необхідний простір порівняно з підстанціями з повітряною ізоляцією (AIS). Використання елегазу, з чудовою діелектричною міцністю та дугогасильними можливостями, дозволяє займати набагато менший слід, робить ГІС ідеальними для міських районів, підземні установки, та інших середовищах з обмеженим простором. Закрита конструкція також захищає компоненти від факторів навколишнього середовища, таких як забруднення, сольовий спрей, і екстремальна погода, підвищення надійності та скорочення обслуговування.

1. вступ

Елезоізоляційні системи (ГІС) являють собою значний прогрес у високовольтній електротехніці. Традиційні підстанції з повітряною ізоляцією (AIS) вимагають великих зазорів між компонентами під напругою через відносно низьку діелектричну міцність повітря. Це призводить до великої площі підстанції, що робить їх непридатними для багатьох міських і обмежених простором місць. ГІС технологія долає це обмеження, закриваючи всі струмоведучі частини в заземлений металевий корпус, заповнений ізоляційним газом під тиском, найчастіше гексафторид сірки (SF6).

Концепція використання газу як ізоляційного середовища не є новою, але розвиток о SF6 газ з його винятковими властивостями зробив революцію в дизайні високовольтного обладнання. SF6 має діелектричну міцність приблизно 2.5 до 3 разів більше повітря, дозволяючи різко зменшити розмір обладнання. Він також має відмінні можливості гасіння дуги, що робить його ідеальним для використання в автоматичні вимикачі.

2. Навіщо використовувати a Газоізоляційна система?

Усиновлення ГІС технологія обумовлена ​​кількома ключовими перевагами:

• Економія місця: Найвагоміша перевага ГІС це його компактні розміри. А ГІС підстанція може займати всього лише 10% простору, необхідного для порівнянної підстанції AIS. Це особливо важливо в міських районах, де дорога і дефіцитна земля.
• Висока надійність: Закрита конструкція ГІС захищає внутрішні компоненти від факторів навколишнього середовища, таких як забруднення, сольовий спрей, вологість, і вторгнення тварин. Це значно знижує ризик збоїв і підвищує загальну надійність системи.
• Покращена безпека: Усі частини під напругою закриті в заземлений металевий корпус, мінімізація ризику випадкового контакту та підвищення безпеки для персоналу.
• Зменшене технічне обслуговування: Герметичне середовище та використання SF6 газ, який є хімічно інертним і не розкладається, значно зменшити потребу в обслуговуванні порівняно з AIS.
• Внутрішній та підземний монтаж: ГІС підходить як для внутрішньої, так і для зовнішньої установки. Компактний розмір і закрита конструкція роблять його ідеальним для підземних підстанцій, додатково мінімізуючи його візуальний вплив.
• Естетичний вигляд: ГІС підстанції мають значно менший та естетичніший вигляд порівняно з підстанціями АІС.

3. Компоненти a ГІС

• Автоматичні вимикачі: Використовується для переривання струмів пошкодження та ізоляції ділянок системи. ГІС зазвичай використовують автоматичні вимикачі SF6 газ як для ізоляції, так і для гасіння дуги.
• Роз'єднувачі (Ізолятори): Використовується для забезпечення видимої ізоляції обладнання з метою обслуговування. Вони не призначені для переривання струму навантаження.
• Заземлювачі: Використовується для заземлення знеструмленого обладнання, забезпечення безпеки під час технічного обслуговування.
• поточний Трансформери (КТ): Використовується для вимірювання струму, що протікає в провідниках високої напруги з метою захисту та вимірювання.
• Трансформатори напруги (ВЦ): Звикла виміряти напругу високовольтної системи для цілей захисту та вимірювання.
• Шинопроводи: Основні провідники що нести струм між різними компонентами в ГІС.
• Обмежувачі перенапруг: Використовується для захисту ГІС від перенапруг, викликаних ударами блискавки або перемиканнями.
• Газонепроникний корпус: Заземлений металевий корпус, у якому розміщено всі компоненти та містить SF6 газ. Корпус зазвичай виготовляється з алюмінію або сталі.
• Система моніторингу газу: Стежить за тиском, щільність, і чистота газу SF6.

малюнок 1: Schematic diagram of a typical Газоізоляційна система (ГІС), showing the main components.

4. The Role of SF6 газ

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

Key Properties of SF6 газ:

• High Dielectric Strength: SF6 має діелектричну міцність приблизно 2.5 до 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.
• Chemical Stability: SF6 is chemically inert and does not decompose under normal operating conditions. This ensures long-term stability and performance.
• Thermal Stability: SF6 has good thermal stability, що дозволяє працювати в широкому діапазоні температур.
• Нетоксичність: SF6 сам по собі нетоксичний. Проте, при наявності дуги, він може розкладатися на побічні продукти, які можуть бути токсичними. Необхідні належне поводження та процедури вентиляції.

Хоча елегаз є дуже корисним газом для ГІС, це також потужний парниковий газ, з потенціалом глобального потепління (GWP) приблизно 23,500 разів більше, ніж вуглекислий газ (CO2). Через це, все більше уваги приділяється мінімізації викидів елегазу та пошуку альтернативних газів.

5. Альтернативи SF6 газ

Завдяки високому GWP SF6, промисловість активно досліджує та розробляє альтернативні ізоляційні гази для ГІС. Ці альтернативи спрямовані на зменшення впливу на навколишнє середовище, зберігаючи продуктивність і надійність ГІС. Деякі потенційні альтернативи включають:

• **Фторкетони:** Вони мають значно нижчий GWP, ніж SF6, і хороші діелектричні властивості.
• **Фторонітрили:** Вони також мають нижчий GWP і хорошу діелектричну міцність.
• **Суміші газів:** Поєднання газів, таких як CO2, N2, і O2 з невеликими кількостями фторованих сполук можуть знизити загальний GWP, зберігаючи при цьому прийнятну продуктивність.
• **Чисте повітря (Сухе повітря):** Тоді як повітря має нижчу діелектричну міцність, ніж елегаз, прогрес у дизайні та підвищення робочого тиску "чисте повітря" ГІС є життєздатним варіантом для деяких рівні напруги.

Перехід на альтернативні гази триває, завдяки постійним дослідженням і розробкам, спрямованим на оптимізацію продуктивності, вартість, і вплив на навколишнє середовище.

6. Моніторинг і технічне обслуговування ГІС

Хоча ГІС вимагає менше обслуговування, ніж АІС, регулярний моніторинг і технічне обслуговування все ще важливі забезпечити його довгострокову надійність і безпеки. Ключові аспекти ГІС моніторинг включити:

• SF6 Моніторинг газу: Регулярно контролювати тиск, щільність, і чистота SF6 gas is crucial. Leaks can reduce the insulating properties of the gas and increase the risk of failure. Gas density monitors and leak detection systems are used for this purpose.
• Частковий розряд (PD) Моніторинг: PD is a localized electrical discharge that can occur within insulation defects. PD monitoring can detect early signs of insulation degradation, allowing for timely intervention before a major fault occurs. Techniques used for PD monitoring in ГІС include UHF (Надвисока частота) датчики, acoustic emission (AE) датчики, and HFCT (High-Frequency Current Transformer) датчики.
• Моніторинг температури: Overheating can indicate various problems, such as poor connections, надмірний струм, або погіршення ізоляції. Temperature monitoring can be performed using traditional sensors (термопари, RTD), інфрачервоний (І) термографія, або волоконно-оптичні датчики. Fluorescence-based волоконно-оптичні датчики are particularly well-suited for GIS due to their immunity to EMI, малий розмір, and high accuracy.
• Контроль вимикачів: Monitoring the operation of circuit breakers, including operating times, контактний знос, and mechanism performance, is essential for ensuring reliable fault interruption.
• Візуальні перевірки: Periodic visual inspections can help identify external signs of problems, such as gas leaks, корозії, or damage to the enclosure.

7. Applications of ГІС

• High-Voltage Substations: ГІС is the preferred технології for high-voltage substations in urban areas where space is limited.
• Underground Substations: The compact size and enclosed design of ГІС make it ideal for underground substations.
• Офшорні платформи: ГІС is used in offshore wind farms and oil and gas platforms due to its compact size, надійність, and resistance to harsh environmental conditions.
• Промислові підприємства: ГІС is used in industrial plants with high power requirements, such as steel mills, aluminum smelters, and chemical plants.
• Hydroelectric Power Plants: ГІС is often used in hydroelectric power plants, where space may be limited and environmental considerations are important.
• Mobile Substations: ГІС can be used in mobile substations for temporary power supply during emergencies or maintenance.