Mi a GIS kulcselőnyei a nagyfeszültségű villamosenergia-rendszerekben?

Mi a GIS kulcselőnyei a nagyfeszültségű villamosenergia-rendszerekben?

Egy hagyományos levegővel szigetelt alállomás (AIS) 220 kV-on kb. 5 000–8 000 négyzetmétert foglal el. Ugyanezen feszültségszinten egy gázzal szigetelt kapcsolóberendezéses (GIS) alállomás 500–1 200 négyzetméteres területre fér el – ez 85%-os vagy annál nagyobb területcsökkenést jelent. Ez az egyetlen szám döntően meghatározza a GIS alkalmazását városokban, tengeri platformokon, vízerőművi barlangokban és minden olyan helyen, ahol az ingatlanárak vagy a térbeli korlátozottság miatt az AIS alkalmatlan. A területigény azonban csupán a legláthatóbb előny.

A szigetelő közeg: Miért változtatja meg mindent az SF₆

A légkörnyomású levegő dielektromos szilárdsága körülbelül 3 kV/mm. A ként-hexafluorid (SF₆) 4–6 bar túlnyomáson 25–30 kV/mm értéket ér el – kb. 8–10-szer magasabbat. Ezért fér el egy 145 kV-os GIS megszakító olyan házban, amelynek átmérője megegyezik egy háztartási vízmelegítőével, míg egy ehhez hasonló AIS megszakító fázis-fázis távolsága 1,5 méter, fázis-föld távolsága pedig 1,3 méter.

Az SF₆ molekula kémiai szempontból inaktív, nem mérgező és hőmérsékleti szempontból stabil 500 °C-ig. Ívlovasztó képessége kb. 100-szor nagyobb, mint a levegőé, mert az SF₆ az ívhőmérsékleten, 2000 K felett disszociál reaktív fajokká, amelyek elektronokat kötnek le, és gyorsan újraegyesülnek a nullátkeresztező áram után, lehetővé téve a 63 kA-t meghaladó hibáramok megszakítását 2–3 perióduson belül. A gáz minden megszakítás után önmagát helyezi helyre – ellentétben az olajjal, amely a hibamegszakítások korlátozott száma után kokszosodik, és cserére szorul.

Az SF₆ környezeti aggályait a globális felmelegedési potenciálja okozza, amely kb. 23 500-szer nagyobb, mint a CO₂-é 100 éves időtávon. A modern GIS-tervek ezt úgy oldják meg, hogy élettartamra zárt gázfunkciós egységeket alkalmaznak, amelyeknél az évenkénti szivárgási arány egységenként kevesebb, mint 0,1 % – ez jól a 0,5 %-os, az IEC 62271-203 szabványban megadott felső határ alatt van. Az integrált sűrűségmérők a gáznyomást valós időben jelentik a SCADA-felületen keresztül, és figyelmeztetik az üzemeltetőket bármely szivárgási tendenciára, még mielőtt az elérné a riasztási küszöböt.

Karbantartási időközök és életciklus-költségek

Az AIS rendszereket időszakosan tisztítani kell az izolátorfelületeken, különösen a partvidéki, ipari vagy sivatagi környezetekben, ahol a só, a vezető por vagy a homok lerakódása csökkenti a felületi átütési távolságot és növeli az átütés kockázatát. A GIS buszvezetékek és megszakítók teljesen zártak – a szennyeződés egyszerűen nem érheti el az izolációs felületeket. Ez a karbantartási időszakot az éves AIS-ellenőrzésekről 5–10 éves GIS-ellenőrzésekre hosszabbítja, feltéve, hogy a megszakítók és szétválasztók mechanikai működéseinek száma megfelelő.

A GIS és az AIS életciklus-költségeinek összehasonlítása függ a feszültségszinttől és a telepítés helyétől. Városi környezetben 72,5 kV-tól 145 kV-ig a GIS költségparitása az AIS-szel 8–12 év alatt érhető el, ha figyelembe vesszük a földterület költségét, az építési munkákat és a karbantartási munkaerőt. 245 kV felett a földterület-megtakarítás maga gyakran elegendő ahhoz, hogy a GIS olcsóbb elsődleges beruházási lehetőség legyen a városközpontban, ahol a földárak meghaladják az 500 dollárt négyzetméterenként.

Moduláris építés és gyári tesztelés

A GIS-t gyári összeszerelés és gyári tesztelés után szállítják. Egy teljes 145 kV-os kettős busz, egyszeres megszakítós modul – beleértve a megszakítót, két szétválasztó kapcsolót, egy földelőkapcsolót, áramtranszformátorokat és feszültségtranszformátorokat – 2–3 szállítási egységben érkezik, és a helyszínen a flanges SF₆-gázterek összekapcsolásával és a dugaszolható vezérlőkábel-csatlakozókkal történik az összeszerelése. A helyszíni építési munkák egy sík betonpad és egy földelőhálózat kialakítását foglják magukban; nincs acél tartószerkezet, nincsenek oszloptartó szigetelők, és nincs felsővezetékes buszrendszer.

Egy teljes fülke gyári tesztelése – beleértve a nagyfeszültségű átütésállósági, az IEC 62271-203 szabvány szerinti 5 pC (pikokulomb) alatti részleges kisülésmérési és a mechanikai élettartam-teszteket – kizárja azokat a helyszíni üzembe helyezési kockázatokat, amelyek az AIS-projektek üzembe helyezési késésének 30–40%-át teszik ki. Egy olyan GIS-fülke, amely a gyári részleges kisülésvizsgálaton 2 pC-nál kisebb értéket mutat, általában észlelhetetlen PD-szintet mutat a telepítés után is, feltéve, hogy a helyszíni gázkezelési eljárásokat megfelelően végzik el.

Példa: Városi alállomás egy kereskedelmi épület alatt

Egy metropoliszban szolgáló közművállalatnak, ahol a népsűrűség 12 000 fő/négyzetkilométer, új 220/66 kV-os alállomásra volt szüksége a városközpontban. Az egyetlen elérhető helyszín egy tervezett vegyes felhasználású kereskedelmi torony pincéje volt. Egy hagyományos nyitott kapcsolóberendezés (AIS) 6000 négyzetmétert igényelt volna – ez több mint háromszorosa a rendelkezésre álló pince alapterületének. Egy 220 kV-os gázszigetelésű kapcsolóberendezés (GIS) megoldás, amelyet kettős buszrendszerként konfiguráltak 8 tápláló ágaggal és 2 transzformátor ágaggal, elfért 800 négyzetméteren, beleértve az összes teljesítménytranszformátort, a vezérlőszobát és a segédrendszereket. A GIS berendezést egy integrált elektromos berendezéseket gyártó cég szállította, a gyári tesztelést 6 ágagyszerelvényenként végezték el, és a telepítést 14 hét alatt fejezték be – egy időkeret, amely lehetetlen lett volna az AIS építési módszerrel.

Gyakran Ismételt Kérdések

Alkalmazható-e a GIS kültéri telepítésre?

Igen. A szabadtéri GIS burkolatok időjárásállók: IP65-ös védettségű vezérlőszekrényekkel és korrózióálló alumíniumötvözet házakkal vannak felszerelve. A szabadtéri GIS elkerüli az épület építésének szükségességét, így tovább csökkenti a építőmérnöki költségeket, és gyakori a 72,5–145 kV-os feszültségtartományban.

Hogyan kezelik az SF₆ gázt karbantartás közben?

A gáztér megnyitását igénylő karbantartás során gázvisszanyerő kocsikat használnak, amelyek az SF₆ gázt tárolópalackokba szívják ki, szűrik a lebomlási melléktermékeket, majd a karbantartás után visszajuttatják a gáztérbe. Megfelelően végrehajtott karbantartás során az SF₆ gáz nem kerül kibocsátásra a légkörbe.

Mi történik, ha SF₆ gázszivárgás lép fel?

A fülke sűrűségmérője alacsony nyomásra figyelmeztető jelet ad az első küszöbértéknél, amely általában a névleges töltési sűrűség 90%-a. A 85%-nál a zárolás megakadályozza a megszakító vagy szakaszoló működését, hogy elkerüljék a csökkent szigetelés melletti üzemeltetést. A szakszerű műszaki személyzetet azonnal ki kell küldeni a szivárgás helyének azonosítására és javítására, mielőtt elérnék a zárolási küszöböt.

Kibővíthető-e a GIS az első telepítés után?

Igen. A moduláris fülke kialakítás lehetővé teszi a bővítést új fülke-összeállítások hozzáadásával a meglévő buszvezetékhez, a bővítési buszvezeték-szakaszokat tervezett kiesés ideje alatt szerelik fel. A jövőbeli bővítési csatlakozókat általában a kezdeti projekt során határozzák meg, hogy egyszerűbbé váljon a későbbi bővítés.

Hogyan viszonyul a GIS az AIS-hez földrengésállóság szempontjából?

A GIS jelentősen jobb teljesítményt nyújt, mert alacsony súlypontja – az egész összeállítás kevesebb mint 3 méter magas – természetes stabilitást biztosít, ellentétben az AIS oszlopos szigetelőivel, amelyek 5–6 méteres magasságot is elérhetnek. A GIS szabványos megoldás földrengésveszélyes zónákban, ahol az AIS drága alapizolációt igényelne.

Hol szerezhető be teljes GIS-alállomás?

Integrált elektromos berendezéseket gyártó vállalatok – amelyek teljes alállomás-csomagokat (transzformátorok, kapcsolóberendezések, védelem és SCADA) szállítanak – készenléti GIS-megoldásokat kínálnak. Ilyen cégek például a Liaoning Sinotech Group, amely GIS-berendezéseket kínál 72,5 kV-tól 245 kV-ig saját alállomás-termékcsaládjának részeként.