Ποια είναι τα βασικά πλεονεκτήματα των GIS στα συστήματα υψηλής τάσης;

Ποια είναι τα βασικά πλεονεκτήματα των GIS στα συστήματα υψηλής τάσης;

Ένας συμβατικός υποσταθμός με μόνωση αέρα (AIS) 220 kV καταλαμβάνει περίπου 5.000 έως 8.000 τετραγωνικά μέτρα. Ένας υποσταθμός με μονωμένο αερίου ανοικτό διακόπτη (GIS) στο ίδιο επίπεδο τάσης χωράει σε 500 έως 1.200 τετραγωνικά μέτρα — δηλαδή μείωση της επιφάνειας κατά 85% ή περισσότερο. Αυτός ο μόνος αριθμός καθορίζει την υιοθέτηση GIS σε πόλεις, υπεράκτιες πλατφόρμες, σπηλιές υδροηλεκτρικών σταθμών και οπουδήποτε οι υψηλές τιμές ακινήτων ή οι περιορισμοί χώρου καθιστούν ανεφάρμοστο τον AIS. Ωστόσο, η μείωση της επιφάνειας είναι μόνο το πιο ορατό πλεονέκτημα.

Το Μέσο Μόνωσης: Γιατί το SF₆ Αλλάζει Τα Πάντα

Ο αέρας σε ατμοσφαιρική πίεση έχει διηλεκτρική αντοχή περίπου 3 kV/mm. Το εξαφθοριούχο θείο (SF₆) σε πίεση μανομέτρου 4–6 bar επιτυγχάνει 25–30 kV/mm — δηλαδή περίπου 8–10 φορές υψηλότερη. Γι’ αυτόν τον λόγο, ένας διακόπτης κυκλώματος GIS 145 kV χωράει μέσα σε περίβλημα διαμέτρου ίσης με αυτήν ενός οικιακού θερμοσίφωνα, ενώ ένας αντίστοιχος διακόπτης AIS απαιτεί αποστάσεις μεταξύ φάσεων 1,5 μέτρων και αποστάσεις φάσης-γης 1,3 μέτρων.

Το μόριο SF₆ είναι χημικά αδρανές, μη τοξικό και θερμικά σταθερό μέχρι 500°C. Η ικανότητά του να σβήνει το τόξο είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του αέρα, επειδή το SF₆ διασπάται σε θερμοκρασίες τόξου πάνω από 2.000 K σε αντιδραστικά είδη που απορροφούν ηλεκτρόνια και ανασυνδυάζονται γρήγορα μετά το μηδενισμό του ρεύματος, επιτρέποντας τη διακοπή βραχυκυκλωμάτων με ρεύμα μεγαλύτερο των 63 kA σε 2–3 κύκλους. Το αέριο «επούλωνεται» αυτόματα μετά από κάθε διακοπή — σε αντίθεση με το λάδι, το οποίο ανθρακοποιείται και απαιτεί αντικατάσταση μετά από περιορισμένο αριθμό διακοπών βραχυκυκλώματος.

Η περιβαλλοντική ανησυχία σχετικά με το SF₆ είναι η δυνατότητά του να προκαλέσει κλιματική αλλαγή, η οποία είναι περίπου 23.500 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του CO₂ σε ορίζοντα 100 ετών. Οι σύγχρονοι σχεδιασμοί GIS αντιμετωπίζουν αυτό το ζήτημα με ερμητικά κλειστούς για όλη τη διάρκεια ζωής θαλάμους αερίου, με ρυθμούς διαρροής κάτω του 0,1 % ανά έτος ανά θάλαμο—πολύ κάτω από το μέγιστο όριο του 0,5 % που καθορίζεται από το πρότυπο IEC 62271-203. Οι ενσωματωμένοι μονάδες μέτρησης πυκνότητας αναφέρουν σε πραγματικό χρόνο την πίεση του αερίου μέσω της διεπαφής SCADA, ειδοποιώντας τους χειριστές για οποιαδήποτε τάση διαρροής πριν αυτή πλησιάσει το όριο ενεργοποίησης συναγερμού.

Διαστήματα συντήρησης και κόστος κύκλου ζωής

Το AIS απαιτεί περιοδικό καθάρισμα των επιφανειών των μονωτήρων, ιδιαίτερα σε παράκτια, βιομηχανικά ή ερημικά περιβάλλοντα, όπου η συσσώρευση αλατιού, αγώγιμης σκόνης ή άμμου μειώνει την απόσταση διαρροής και αυξάνει τον κίνδυνο διασπασμού. Οι γραμμές μεταφοράς και οι διακόπτες του GIS είναι πλήρως κλειστοί· η μόλυνση απλώς δεν μπορεί να φτάσει στις επιφάνειες μόνωσης. Αυτό επεκτείνει το διάστημα συντήρησης από ετήσιες επιθεωρήσεις AIS σε επιθεωρήσεις GIS κάθε 5–10 ετών, με βάση τον αριθμό των μηχανικών λειτουργιών που έχουν εκτελέσει οι διακόπτες και οι αποζεύκτες.

Η σύγκριση του κόστους κύκλου ζωής μεταξύ GIS και AIS αλλάζει ανάλογα με το επίπεδο τάσης και την τοποθεσία. Σε αστικό περιβάλλον και για τάσεις από 72,5 kV έως 145 kV, το GIS φθάνει σε ισοδυναμία κόστους με το AIS εντός 8–12 ετών, όταν συμπεριλαμβάνονται το κόστος γης, τα πολιτικά έργα και η εργατική δύναμη για συντήρηση. Σε τάσεις 245 kV και άνω, η εξοικονόμηση χώρου μόνη της καθιστά συχνά το GIS την επιλογή με χαμηλότερο αρχικό κόστος σε εφαρμογές στο κέντρο της πόλης, όπου οι τιμές της γης υπερβαίνουν τα 500 δολάρια ανά τετραγωνικό μέτρο.

Μοντουλαρή Κατασκευή και Δοκιμές στο Εργοστάσιο

Το GIS παραδίδεται ως εργοστασιακά συναρμολογημένα και εργοστασιακά δοκιμασμένα τμήματα. Ένα πλήρες τμήμα 145 kV με διπλή λεωφόρο και μονό διακόπτη—συμπεριλαμβανομένου του διακόπτη κυκλώματος, δύο διακοπτών, ενός διακόπτη γείωσης, μετασχηματιστών ρεύματος και μετασχηματιστών τάσης—μεταφέρεται σε 2–3 μονάδες μεταφοράς και συναρμολογείται επιτόπου μέσω σύνδεσης των διαμερισμάτων αερίου SF₆ με φλάντζες και των βύσματος ελέγχου καλωδίων. Τα επιτόπου πολιτικά έργα περιλαμβάνουν μια επίπεδη σκυροδέτινη πλάκα και ένα δίκτυο γείωσης· δεν απαιτείται καμία χαλύβδινη στηριζόμενη δομή, κανένα μονωτικό στήριγμα και κανένα σύστημα επικεφαλής λεωφόρου.

Η εργοστασιακή δοκιμή ολόκληρης μιας θυρίδας—συμπεριλαμβανομένης της δοκιμής αντοχής σε υψηλή τάση, της μέτρησης μερικών εκκενώσεων κάτω των 5 pC (πικοκουλόμπ) σύμφωνα με το πρότυπο IEC 62271-203 και των δοκιμών μηχανικής αντοχής—εξαλείφει τους κινδύνους εγκατάστασης επιτόπου που αποτελούν το 30–40 % των καθυστερήσεων στην εγκατάσταση εγκαταστάσεων AIS. Μια θυρίδα GIS που περνά τη δοκιμή μερικών εκκενώσεων στο εργοστάσιο με τιμή κάτω των 2 pC εμφανίζει συνήθως ανεπισήμαντα επίπεδα μερικών εκκενώσεων μετά την εγκατάσταση, εφόσον τα διαδικαστικά βήματα χειρισμού αερίου επιτόπου τηρηθούν σωστά.

Περίπτωση: Αστικός Υποσταθμός Χωράει Κάτω από Εμπορικό Κτίριο

Μια υπηρεσία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας που εξυπηρετεί μια μητροπολιτική περιοχή με πυκνότητα 12.000 κατοίκων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο χρειαζόταν μια νέα υποσταθμό 220/66 kV εντός του κέντρου της πόλης. Η μόνη διαθέσιμη τοποθεσία ήταν ο υπόγειος όροφος ενός προγραμματιζόμενου πολυλειτουργικού εμπορικού κτιρίου. Ένα συμβατικό AIS θα απαιτούσε 6.000 τετραγωνικά μέτρα — περισσότερο από τρεις φορές τη διαθέσιμη επιφάνεια του υπογείου. Μια λύση GIS 220 kV, διαμορφωμένη ως διπλή γραμμή με 8 θύρες τροφοδοσίας και 2 θύρες μετασχηματιστών, χωρούσε εντός 800 τετραγωνικών μέτρων, συμπεριλαμβανομένων όλων των μετασχηματιστών ισχύος, του δωματίου ελέγχου και των βοηθητικών συστημάτων. Το εξοπλισμός GIS, που προμηθεύτηκε από έναν ολοκληρωμένο κατασκευαστή ηλεκτρικού εξοπλισμού, ελέγχθηκε στο εργοστάσιο σε συναρμολογημένα σύνολα των 6 θυρών και εγκαταστάθηκε εντός 14 εβδομάδων — χρονοδιάγραμμα ανέφικτο με την κατασκευή AIS.

Συχνές Ερωτήσεις

Είναι το GIS κατάλληλο για εξωτερική εγκατάσταση;

Ναι. Οι εξωτερικές εγκαταστάσεις GIS είναι ανθεκτικές στον καιρό με πίνακες ελέγχου βαθμού προστασίας IP65 και περιβλήματα από ανθεκτικό στη διάβρωση κράμα αλουμινίου. Οι εξωτερικές εγκαταστάσεις GIS εξαλείφουν την ανάγκη για κτίριο, μειώνοντας περαιτέρω το κόστος των πολιτικών έργων, και είναι συνηθισμένες στο εύρος 72,5–145 kV.

Πώς χειρίζεται το αέριο SF₆ κατά τη συντήρηση;

Η συντήρηση που περιλαμβάνει το άνοιγμα του θαλάμου αερίου χρησιμοποιεί μονάδες ανάκτησης αερίου, οι οποίες εκκενώνουν το SF₆ σε δοχεία αποθήκευσης, το φιλτράρουν για να αφαιρέσουν τα παραπροϊόντα διάσπασης και το επαναφέρουν στον θάλαμο μετά τη συντήρηση. Κατά μία σωστά εκτελεσμένη διαδικασία συντήρησης, δεν εκλύεται καθόλου SF₆ στην ατμόσφαιρα.

Τι συμβαίνει εάν παρουσιαστεί διαρροή SF₆;

Ο μετρητής πυκνότητας της θυρίδας ενεργοποιεί συναγερμό χαμηλής πίεσης στο πρώτο κατώφλι, συνήθως στο 90% της ονομαστικής πυκνότητας γεμίσματος. Στο 85%, ενεργοποιείται κλείδωμα που απαγορεύει τη λειτουργία του διακόπτη κυκλώματος ή του διακόπτη αποσύνδεσης, προκειμένου να αποφευχθεί η λειτουργία με μειωμένη μόνωση. Οι χειριστές αποστέλλονται για να εντοπίσουν και να επισκευάσουν τη διαρροή προτού επιτευχθεί το κατώφλι κλειδώματος.

Μπορεί το GIS να επεκταθεί μετά την αρχική εγκατάσταση;

Ναι. Η μοντουλαρική διάταξη των θαλάμων επιτρέπει την επέκταση με την προσθήκη νέων συνόλων θαλάμων δίπλα στην υφιστάμενη γραμμή μεταφοράς, ενώ οι επιπλέον τμήματα γραμμής μεταφοράς εγκαθίστανται κατά τη διάρκεια προγραμματισμένης διακοπής. Οι θύρες μελλοντικής επέκτασης καθορίζονται συνήθως κατά την αρχική φάση του έργου για να διευκολυνθεί η μεταγενέστερη επέκταση.

Πώς συγκρίνεται το GIS με το AIS όσον αφορά τη σεισμική απόδοση;

Το GIS παρουσιάζει σημαντικά καλύτερη απόδοση, διότι έχει χαμηλό κέντρο βάρους — ολόκληρη η συναρμολόγηση έχει ύψος λιγότερο από 3 μέτρα — και είναι επομένως ενδογενώς πιο σταθερό από τους μονωτήρες στήριξης του AIS, οι οποίοι μπορούν να φτάσουν ύψος 5–6 μέτρων. Το GIS είναι πρότυπο για σεισμικές ζώνες, όπου το AIS θα απαιτούσε ακριβή μόνωση της βάσης.

Από πού μπορεί να προμηθευτεί ολόκληρος υποσταθμός GIS;

Ολοκληρωμένοι κατασκευαστές ηλεκτρικού εξοπλισμού που προμηθεύουν πλήρεις πακέτα υποσταθμών — μετασχηματιστές, διακόπτες, συστήματα προστασίας και SCADA — προσφέρουν έτοιμες λύσεις GIS. Εταιρείες όπως η Liaoning Sinotech Group προσφέρουν GIS από 72,5 kV έως 245 kV ως μέρος της γραμμής προϊόντων υποσταθμών τους.