Aké sú základné výhody GIS v systémoch vysokého napätia?

Aké sú základné výhody GIS v systémoch vysokého napätia?

Konvenčná vzduchom izolovaná elektrická stanica (AIS) s napätím 220 kV zaberie približne 5 000 až 8 000 štvorcových metrov. Elektrická stanica s plynovo izolovanými vypínacími zariadeniami (GIS) rovnakého napätia sa zmestí do plochy 500 až 1 200 štvorcových metrov – čo predstavuje zníženie plochy o 85 % alebo viac. Toto jediné číslo určuje prijímanie GIS v mestách, na morských plošinách, v jaskyniach vodných elektrární a všade tam, kde náklady na nehnuteľnosti alebo priestorové obmedzenia robia AIS nezmyselným. Avšak zníženie plochy je len najviditeľnejšou výhodou.

Izolačné prostredie: Prečo SF₆ mení všetko

Vzduch za atmosférického tlaku má dielektrickú pevnosť približne 3 kV/mm. Šesťfluórid sírový (SF₆) pri pretlaku 4–6 bar dosahuje hodnotu 25–30 kV/mm – približne 8–10-násobok. Preto sa 145 kV GIS vypínač zmestí do puzdra s priemerom rovnakým ako domáci ohrievač vody, zatiaľ čo ekvivalentný AIS vypínač vyžaduje vzdialenosť medzi fázami 1,5 m a vzdialenosť medzi fázou a zemou 1,3 m.

Molekula SF₆ je chemicky neaktívna, netoxická a tepelne stabilná až do teploty 500 °C. Jej schopnosť hasiť oblúk je približne 100-násobne vyššia ako u vzduchu, pretože SF₆ pri teplote oblúka nad 2 000 K disociuje na reaktívne druhy, ktoré absorbujú elektróny a po nulovom prechode prúdu sa rýchlo rekombinujú, čo umožňuje prerušenie poruchových prúdov presahujúcich 63 kA v priebehu 2–3 cyklov. Plyn sa po každom prerušení sám obnovuje – na rozdiel od oleja, ktorý sa uhlíka a po obmedzenom počte poruchových prerušení vyžaduje výmenu.

Environmentálnym problémom spojeným so SF₆ je jeho potenciál spôsobiť globálne otepľovanie, ktorý je približne 23 500-krát vyšší ako u CO₂ v horizonte 100 rokov. Moderné konštrukcie GIS tento problém riešia tesnými plynovými komorami určenými na celú životnosť zariadenia s únikmi plynu nižšími ako 0,1 % za rok na jednu komoru – čo je výrazne menej ako maximálna hodnota 0,5 % stanovená normou IEC 62271-203. Integrované monitorovacie zariadenia pre hustotu plynu hlásia tlak plynu v reálnom čase prostredníctvom rozhrania SCADA a upozorňujú prevádzkovateľov na akýkoľvek trend úniku ešte pred tým, ako sa blíži k prahovej hodnote pre alarm.

Intervaly údržby a náklady počas životného cyklu

AIS vyžaduje pravidelné čistenie povrchov izolátorov, najmä v pobrežných, priemyselných alebo púštnych prostrediach, kde sa usadzujú soľ, vodivý prach alebo piesok, čím sa znižuje dráha prebiehania a zvyšuje sa riziko prebiehania. Zbernice a vypínače GIS sú úplne uzavreté – kontaminanty jednoducho nedokážu dosiahnuť povrchy izolácie. To predlžuje interval údržby z ročných kontrol AIS na kontroly GIS každých 5–10 rokov, pričom presná doba závisí od počtu mechanických operácií, ktoré vykonali vypínače a oddelovače.

Porovnanie celoživotných nákladov medzi GIS a AIS sa mení v závislosti od napäťovej úrovne a polohy. Pri napätí 72,5 kV až 145 kV v mestskom prostredí dosiahne GIS rovnosť nákladov s AIS po 8–12 rokoch, ak sa do výpočtu zahrnú náklady na pozemok, stavebné práce a pracovnú silu pre údržbu. Pri napätí 245 kV a vyššom samotné úspory na pozemku často robia GIS lacnejšou voľbou v prvom okamihu pre aplikácie v centrách miest, kde cena pozemku presahuje 500 USD za štvorcový meter.

Modulárna výstavba a továrenské skúšky

GIS sa dodáva ako továrensky zostavené a továrensky otestované úseky. Kompletný 145 kV dvojzberný jednobremenový úsek – vrátane vypínača, dvoch odpojovačov, jedného uzemňovacieho spínača, prúdových transformátorov a napäťových transformátorov – sa prepravuje v 2–3 prepravných jednotkách a na mieste sa zostavuje spojením prírubových SF₆ plynových komôr a zásuvných riadiacich káblových konektorov. Stavebné práce na mieste pozostávajú z vyrovnaného betónového panela a uzemňovacej siete; nevyžaduje sa žiadna oceľová nosná konštrukcia, žiadne stĺpové izolátory ani žiadny nadzemný systém zbernice.

Výrobné testovanie kompletného úseku – vrátane vysokonapäťového skúšania, merania čiastočných výbojov pod 5 pC (pikokulombov) podľa normy IEC 62271-203 a mechanického skúšania trvanlivosti – eliminuje riziká uvádzania do prevádzky na mieste, ktoré predstavujú 30–40 % oneskorení pri uvádzaní do prevádzky projektov AIS. Úsek GIS, ktorý pri výrobnom teste čiastočných výbojov dosiahne menej ako 2 pC, zvyčajne po inštalácii ukazuje nedetekovateľné úrovne čiastočných výbojov, ak sa na mieste správne dodržia postupy manipulácie s plynom.

Prípad: Mestská rozvodňa sa umiestni pod obchodnú budovu

Komunálny dodávateľ elektrickej energie pre metropolitnú oblasť s hustotou 12 000 obyvateľov na štvorcový kilometer potreboval novú 220/66 kV rozvodňu v centre mesta. Jediné dostupné miesto bolo v podzemnej časti plánovanej komerčnej veže so zmiešaným využitím. Konvenčná vzduchová izolovaná rozvodňa (AIS) by vyžadovala 6 000 štvorcových metrov – viac ako trojnásobok dostupnej plochy v podzemí. Riešenie s plynovo izolovanou rozvodňou (GIS) pre napätie 220 kV, nakonfigurované ako dvojzbernica s ôsmimi prívodnými úsekmi a dvoma transformátorovými úsekmi, sa zmestilo do 800 štvorcových metrov vrátane všetkých silových transformátorov, riadiacej miestnosti a pomocných systémov. Zariadenia GIS, dodané integrovaným výrobcom elektrických zariadení, boli v továrni testované v šesťúsekových zostavách a inštalované počas 14 týždňov – časový rámec, ktorý by pri výstavbe AIS nebol možné dosiahnuť.

Často kladené otázky

Je GIS vhodné pre vonkajšiu inštaláciu?

Áno. Vonkajšie GIS kryty sú počas dažďa a snehu chránené riadiacimi skriňami s ochranou IP65 a koróziou odolnými krytmi z hliníkovej zliatiny. Vonkajšie GIS eliminujú potrebu budovy, čím ďalej znížia náklady na stavebné práce, a sú bežné v rozsahu 72,5–145 kV.

Ako sa zaobchádza so SF₆ počas údržby?

Pri údržbe, pri ktorej sa otvárajú plynové komory, sa používajú vozíky na recirkuláciu plynu, ktoré odčerpávajú SF₆ do skladovacích valcov, filtrováním odstraňujú rozkladové vedľajšie produkty a po dokončení údržby ho vrátia späť do komory. Pri správne vykonanej údržbe sa žiadny SF₆ neuvádza do atmosféry.

Čo sa stane v prípade úniku SF₆?

Hustotný monitor polohy aktivuje alarm nízkeho tlaku pri prvej prahovej hodnote, zvyčajne pri 90 % menovitej naplnenej hustoty. Pri 85 % sa aktivuje uzamknutie, ktoré bráni prevádzke vypínača alebo oddelovača, aby sa zabránilo prevádzke s poškodenou izoláciou. Prevádzkoví technici sú vyslaní na lokalizáciu a opravu úniku pred dosiahnutím prahovej hodnoty uzamknutia.

Je možné GIS rozšíriť po počiatočnej inštalácii?

Áno. Modulárny dizajn komôr umožňuje rozšírenie pridaním nových komôrových zostáv vedľa existujúceho sběrného vedenia, pričom rozširujúce úseky sběrného vedenia sa inštalujú počas plánovanej výpadku. Prístavy pre budúce rozšírenia sa zvyčajne špecifikujú už počas počiatočného projektu, aby sa neskôré rozšírenie zjednodušilo.

Ako sa GIS porovnáva s AIS z hľadiska seizmickej odolnosti?

GIS dosahuje výrazne lepší výkon, pretože jeho nízky ťažiskový bod – celá zostava je vysoká menej ako 3 metre – ju robí zásadne stabilnejšou v porovnaní s AIS stĺpovými izolátormi, ktoré môžu dosahovať výšku 5–6 metrov. GIS je štandardným riešením v seizmických zónach, kde by pre AIS bolo potrebné drahé základové izolovanie.

Kde je možné zakúpiť kompletnú GIS elektrickú stanica?

Integrovaní výrobcovia elektrických zariadení, ktorí dodávajú kompletné balíky pre elektrické stanice – transformátory, rozvádzače, ochranné zariadenia a systémy SCADA – poskytujú kompletné (turnkey) GIS riešenia. Spoločnosti ako Liaoning Sinotech Group ponúkajú GIS v rozsahu napätí od 72,5 kV do 245 kV ako súčasť svojej ponuky produktov pre elektrické stanice.