Hệ thống cách nhiệt bằng khí là gì (GIS)? Hướng dẫn toàn diện

Một Hệ thống cách nhiệt bằng khí (GIS) là một thiết bị nhỏ gọn, hệ thống điện cao áp nơi các bộ phận như thiết bị đóng cắt, bộ ngắt mạch, bộ ngắt kết nối, và máy biến áp được đặt trong một vỏ bọc kín chứa đầy khí cách điện, điển hình là lưu huỳnh hexaflorua (SF6), thay vì không khí ở áp suất khí quyển. Thiết kế này làm giảm đáng kể không gian cần thiết so với các trạm biến áp cách nhiệt bằng không khí (AIS). Việc sử dụng khí SF6, với độ bền điện môi vượt trội và khả năng dập tắt hồ quang, cho phép dấu chân nhỏ hơn nhiều, làm cho GIS trở nên lý tưởng cho các khu vực đô thị, công trình ngầm, và các môi trường hạn chế về không gian khác. Thiết kế kèm theo còn bảo vệ các bộ phận khỏi các yếu tố môi trường như ô nhiễm, phun muối, và thời tiết khắc nghiệt, nâng cao độ tin cậy và giảm bảo trì.

1. Giới thiệu

Hệ thống cách nhiệt bằng khí (GIS) đánh dấu sự tiến bộ đáng kể trong công nghệ điện cao thế. Trạm biến áp cách nhiệt bằng không khí truyền thống (AIS) yêu cầu khe hở lớn giữa các thành phần mang điện do độ bền điện môi tương đối thấp của không khí. Điều này dẫn đến diện tích trạm biến áp lớn, làm cho chúng không phù hợp với nhiều địa điểm đô thị và không gian hạn chế. GIS Công nghệ khắc phục hạn chế này bằng cách bao bọc tất cả các bộ phận mang điện trong một vỏ kim loại nối đất chứa đầy khí cách điện có áp suất., phổ biến nhất là lưu huỳnh hexafluoride (SF6).

Khái niệm sử dụng khí làm môi trường cách điện không phải là mới, nhưng sự phát triển của SF6 khí với những đặc tính đặc biệt của nó đã cách mạng hóa việc thiết kế các thiết bị điện áp cao. SF6 có độ bền điện môi xấp xỉ 2.5 đến 3 lần không khí, cho phép giảm đáng kể kích thước của thiết bị. Nó cũng có khả năng dập tắt hồ quang tuyệt vời, làm cho nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong bộ ngắt mạch.

2. Tại sao nên sử dụng một Hệ thống cách nhiệt bằng khí?

Việc áp dụng GIS công nghệ được thúc đẩy bởi một số lợi thế chính:

• Tiết kiệm không gian: Ưu điểm đáng kể nhất của GIS kích thước nhỏ gọn của nó. Một GIS trạm biến áp có thể chiếm ít nhất 10% không gian được yêu cầu bởi một trạm biến áp AIS tương đương. Điều này đặc biệt quan trọng ở các khu vực thành thị nơi đất đai đắt đỏ và khan hiếm..
• Độ tin cậy cao: Thiết kế kèm theo của GIS bảo vệ các thành phần bên trong khỏi các yếu tố môi trường như ô nhiễm, phun muối, độ ẩm, và sự xâm nhập của động vật. Điều này làm giảm đáng kể nguy cơ lỗi và nâng cao độ tin cậy tổng thể của hệ thống.
• An toàn nâng cao: Tất cả các bộ phận mang điện đều được bọc trong vỏ kim loại nối đất, giảm thiểu nguy cơ tiếp xúc ngẫu nhiên và cải thiện sự an toàn cho nhân viên.
• Giảm bảo trì: Môi trường kín và việc sử dụng SF6 khí đốt, trơ về mặt hóa học và không bị phân hủy, giảm đáng kể nhu cầu bảo trì so với AIS.
• Lắp đặt trong nhà và ngầm: GIS phù hợp cho cả lắp đặt trong nhà và ngoài trời. Kích thước nhỏ gọn và thiết kế khép kín khiến nó trở nên lý tưởng cho các trạm biến áp ngầm, giảm thiểu hơn nữa tác động trực quan của nó.
• Ngoại hình thẩm mỹ: GIS trạm biến áp có hình dáng nhỏ hơn và thẩm mỹ hơn nhiều so với trạm biến áp AIS.

3. Các thành phần của một GIS

• Bộ ngắt mạch: Được sử dụng để ngắt dòng điện sự cố và cách ly các bộ phận của hệ thống. GIS bộ ngắt mạch thường sử dụng SF6 khí dùng cho cả cách điện và dập tắt hồ quang.
• Bộ ngắt kết nối (Bộ cách ly): Được sử dụng để cách ly thiết bị có thể nhìn thấy được cho mục đích bảo trì. Chúng không được thiết kế để làm gián đoạn dòng tải.
• Công tắc nối đất: Được sử dụng để nối đất các thiết bị đã mất điện, đảm bảo an toàn trong quá trình bảo trì.
• Hiện hành Máy biến áp (CT): Được sử dụng để đo dòng điện chạy trong dây dẫn điện áp cao nhằm mục đích bảo vệ và đo sáng.
• Máy biến điện áp (VT): Đã từng đo điện áp hệ thống điện cao thế cho mục đích bảo vệ và đo lường.
• Thanh cái: Các dây dẫn chính đó mang theo dòng điện giữa các thành phần khác nhau của GIS.
• Thiết bị chống sét: Dùng để bảo vệ các GIS do quá điện áp do sét đánh hoặc do thao tác chuyển mạch.
• Vỏ kín khí: Vỏ kim loại nối đất chứa tất cả các thành phần và chứa SF6 khí đốt. Vỏ thường được làm bằng nhôm hoặc thép.
• Hệ thống giám sát khí: Theo dõi áp suất, Tỉ trọng, và độ tinh khiết của khí SF6.

Hình 1: Sơ đồ điển hình của một Hệ thống cách nhiệt bằng khí (GIS), hiển thị các thành phần chính.

4. Vai trò của SF6 Khí đốt

Lưu huỳnh hexaflorua (SF6) là không màu, không mùi, không độc hại, và khí không cháy có đặc tính điện môi và dập tắt hồ quang đặc biệt. Những đặc tính này làm cho nó trở thành môi trường cách nhiệt lý tưởng cho GIS.

Thuộc tính chính của SF6 Khí đốt:

• Độ bền điện môi cao: SF6 có độ bền điện môi xấp xỉ 2.5 đến 3 lần so với không khí ở cùng áp suất. Điều này cho phép khoảng cách nhỏ hơn nhiều giữa các thành phần mang điện.
• Khả năng làm nguội hồ quang tuyệt vời: SF6 rất hiệu quả trong việc dập tắt hồ quang xảy ra khi máy cắt ngắt dòng điện. Nó hấp thụ năng lượng của hồ quang và làm nguội nhanh chóng, ngăn chặn sự tái cháy.
• Tính ổn định hóa học: SF6 trơ về mặt hóa học và không bị phân hủy trong điều kiện hoạt động bình thường. Điều này đảm bảo sự ổn định và hiệu suất lâu dài.
• Ổn định nhiệt: SF6 có độ ổn định nhiệt tốt, cho phép nó hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ rộng.
• không độc hại: SF6 bản thân nó không độc hại. Tuy nhiên, với sự có mặt của một vòng cung, nó có thể phân hủy thành các sản phẩm phụ có thể gây độc. Cần có quy trình xử lý và thông gió thích hợp.

Trong khi SF6 là một loại khí rất hữu ích cho GIS, nó cũng là một loại khí nhà kính mạnh, với tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP) khoảng 23,500 gấp nhiều lần lượng khí carbon dioxide (CO2). Vì điều này, ngày càng tập trung vào việc giảm thiểu lượng khí thải SF6 và tìm kiếm các loại khí thay thế.

5. Các lựa chọn thay thế cho SF6 Khí đốt

Do GWP cao SF6, ngành này đang tích cực nghiên cứu và phát triển các loại khí cách điện thay thế cho GIS. Những lựa chọn thay thế này nhằm mục đích giảm tác động môi trường trong khi vẫn duy trì hiệu suất và độ tin cậy của GIS. Một số lựa chọn thay thế tiềm năng bao gồm:

• **Fluoroketon:** Chúng có GWP thấp hơn đáng kể so với SF6 và tính chất điện môi tốt.
• **Fluoronitril:** Chúng cũng cung cấp GWP thấp hơn và độ bền điện môi tốt.
• **Hỗn hợp khí:** Tổng hợp các loại khí như CO2, N2, và O2 với một lượng nhỏ hợp chất flo hóa có thể làm giảm GWP tổng thể trong khi vẫn duy trì hiệu suất ở mức chấp nhận được.
• **Không khí sạch (Không khí khô):** Trong khi không khí có độ bền điện môi thấp hơn SF6, những tiến bộ trong thiết kế và áp suất vận hành cao hơn đang tạo ra "không khí sạch" GIS là một lựa chọn khả thi cho một số cấp điện áp.

Quá trình chuyển đổi sang khí thay thế đang diễn ra, với những nỗ lực nghiên cứu và phát triển liên tục tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất, Chi phí, và tác động môi trường.

6. Giám sát và bảo trì của GIS

Mặc dù GIS yêu cầu bảo trì ít hơn AIS, việc giám sát và bảo trì thường xuyên vẫn rất cần thiết để đảm bảo độ tin cậy lâu dài của nó và an toàn. Các khía cạnh chính của Giám sát GIS bao gồm:

• SF6 Giám sát khí: Thường xuyên theo dõi áp lực, Tỉ trọng, và độ tinh khiết của SF6 khí là rất quan trọng. Rò rỉ có thể làm giảm tính chất cách điện của khí và tăng nguy cơ hỏng hóc. Mật độ khí màn hình và hệ thống phát hiện rò rỉ được sử dụng cho mục đích này.
• Xả một phần (PD) Giám sát: PD là sự phóng điện cục bộ có thể xảy ra trong các khuyết tật cách điện. PD giám sát có thể phát hiện sớm các dấu hiệu suy thoái cách điện, cho phép can thiệp kịp thời trước khi xảy ra lỗi lớn. Các kỹ thuật được sử dụng cho PD giám sát ở GIS bao gồm UHF (Tần số cực cao) Sensors, phát xạ âm thanh (AE) Sensors, và HFCT (Máy biến dòng cao tần) Sensors.
• Giám sát nhiệt độ: Quá nóng có thể chỉ ra nhiều vấn đề khác nhau, chẳng hạn như kết nối kém, dòng điện quá mức, hoặc suy thoái cách điện. Giám sát nhiệt độ có thể được thực hiện bằng cảm biến truyền thống (cặp nhiệt điện, RTD), tia hồng ngoại (Và) nhiệt kế, hoặc cảm biến sợi quang. Dựa trên huỳnh quang cảm biến sợi quang đặc biệt phù hợp với GIS do khả năng miễn nhiễm với EMI, kích thước nhỏ, và độ chính xác cao.
• Giám sát ngắt mạch: Giám sát hoạt động của máy cắt, bao gồm cả thời gian hoạt động, tiếp xúc mặc, và hiệu suất cơ chế, là điều cần thiết để đảm bảo sự gián đoạn lỗi đáng tin cậy.
• Kiểm tra trực quan: Kiểm tra trực quan định kỳ có thể giúp xác định các dấu hiệu bên ngoài của vấn đề, chẳng hạn như rò rỉ gas, ăn mòn, hoặc hư hỏng vỏ bọc.

7. Ứng dụng của GIS

• Trạm biến áp cao thế: GIS là ưu tiên Công nghệ cho các trạm biến áp cao áp ở khu vực đô thị có không gian hạn chế.
• Trạm biến áp ngầm: Kích thước nhỏ gọn và thiết kế khép kín của GIS làm cho nó trở nên lý tưởng cho các trạm biến áp ngầm.
• Nền tảng ngoài khơi: GIS được sử dụng trong các trang trại gió ngoài khơi và giàn khoan dầu khí do kích thước nhỏ gọn của nó, Độ tin cậy, và khả năng chống chọi với điều kiện môi trường khắc nghiệt.
• Nhà máy công nghiệp: GIS được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp có yêu cầu năng lượng cao, chẳng hạn như nhà máy thép, nhà máy luyện nhôm, và nhà máy hóa chất.
• Nhà máy thủy điện: GIS thường được sử dụng trong các nhà máy thủy điện, nơi không gian có thể bị hạn chế và việc cân nhắc về môi trường là quan trọng.
• Trạm biến áp di động: GIS có thể được sử dụng tạm thời trong các trạm biến áp di động Cung cấp năng lượng trong trường hợp khẩn cấp hoặc bảo trì.