Kakšne so osnovne prednosti GIS v visokonapetostnih električnih sistemih?

Kakšne so osnovne prednosti GIS v visokonapetostnih električnih sistemih?

Konvencionalna zrakom izolirana transformatorska postaja (AIS) pri 220 kV zasede približno 5.000 do 8.000 kvadratnih metrov. Plinsko izolirna stikala (GIS) pri isti napetosti pa potrebujejo le 500 do 1.200 kvadratnih metrov – zmanjšanje površine za 85 % ali več. Ta ena številka določa uveljavitev GIS-a v mestih, na morskih platformah, v hidroelektrarnih jamah in povsod, kjer so stroški nepremičnin ali prostorske omejitve naredile AIS neizvedljivega. Vendar je zmanjšanje površine le najvidnejša prednost.

Izolacijsko sredstvo: Zakaj SF₆ vse spremeni

Zrak pri atmosferskem tlaku ima dielektrično trdnost približno 3 kV/mm. Šestfluorid žvepla (SF₆) pri tlaku 4–6 bar nad tlakom okolice doseže 25–30 kV/mm – približno 8–10-krat več. Zato se preklopnik GIS za napetost 145 kV prilega v ohišje s premerom kot domači grelec vode, medtem ko za ustrezni preklopnik AIS zahtevajo razdalje med fazami 1,5 m in razdalje od faze do zemlje 1,3 m.

Molekula SF₆ je kemično inerta, netoksična in termično stabilna do temperature 500 °C. Njena sposobnost ugašanja lokov je približno 100-krat višja kot pri zraku, saj se SF₆ pri temperaturah loka nad 2.000 K razgradi na reaktivne sestavine, ki absorbirajo elektrone in se po ničli toka hitro ponovno združijo, kar omogoča prekinitev napotnih tokov, višjih od 63 kA, v 2–3 ciklih. Plin se po vsaki prekinitvi samopopolni – v nasprotju z oljem, ki se ob prekinitvah ogljiči in ga je treba po omejenem številu prekinitev zamenjati.

Okoljska skrb glede SF₆ izhaja iz njegovega globalnega segrevanja, ki znaša približno 23.500-krat več kot pri CO₂ v časovnem okvirju 100 let. Sodobni GIS-i to rešujejo z zaprtimi za življenjsko dobo plinskimi komorami, katerih stopnja uhajanja je manjša od 0,1 % na leto na komoro – kar je znatno manj kot največja dovoljena stopnja 0,5 %, določena v standardu IEC 62271-203. Vgrajeni gostotski nadzorniki poročajo o tlaku plina v realnem času prek vmesnika SCADA in opozarjajo obratovalce na kakršno koli trend uhajanja, še preden se ta približa meji za sprožitev alarma.

Intervali vzdrževanja in stroški življenjske dobe

AIS zahteva redno čiščenje površin izolatorjev, zlasti v obalnih, industrijskih ali puščavnih okoljih, kjer se zaradi soli, prevodnega prahu ali peska zmanjša potni razmik in se poveča tveganje preboja. Avtobusi in preklopniki GIS so popolnoma zaprti – onesnaževala sploh ne morejo doseči površin izolacije. S tem se interval vzdrževanja podaljša z letnega pregleda AIS na 5–10-letne preglede GIS, kar je odvisno od števila mehanskih operacij, ki jih opravijo preklopniki in ločevalniki.

Primerjava stroškov življenjskega cikla med GIS in AIS se spreminja glede na napetostno raven in lokacijo. Pri 72,5 kV do 145 kV v urbanih okoljih GIS dosegne finančno enakovrednost z AIS po 8–12 letih, če se upoštevajo stroški zemljišča, grajenih objektov in delovne sile za vzdrževanje. Pri 245 kV in višje sami varčevanja z zemljiščem pogosto naredijo GIS cenejšo možnost za prvotno vgradnjo v središčih mest, kjer presegajo cene zemljišča 500 USD na kvadratni meter.

Modularna gradnja in tovarniško preskušanje

GIS se dobavi kot tovarniško sestavljene in tovarniško preskusene napetostne celice. Celotna 145 kV dvosledna enoprekinjajoča napetostna celica – vključno z odklopnikom, dvema ločevalnima stikali, enim ozemljitvenim stikalom, tokovnimi transformatorji in napetostnimi transformatorji – se pošlje v 2–3 prevoznih enotah in se na mestu sestavi s povezavo flančnih SF₆ plinskih kompartmentov ter vtakljivih priključkov za nadzorne kablane. Na mestu je potrebno izvesti le civilno gradbino ravnega betonskega podstavka in ozemljitvene mreže; ni potrebna jeklena nosilna konstrukcija, ni potrebnih stolpcev izolatorjev in ni potreben sistem nadzemnih avtobusov.

Tovarna izvaja preskus celotne celice – vključno z izdržljivostjo visokega napetostnega napetostnega preizkusa, meritvijo delnega izboja pod 5 pC (pikokulombi) po standardu IEC 62271-203 ter mehansko izdržljivostno preskušanjem – kar odpravi tveganja za vdelavo na kraju samem, ki povzročajo 30–40 % zamud pri vdelavi projekta AIS. Celica GIS, ki pri tovarniškem preskusu delnega izboja kaže manj kot 2 pC, ob pravilni izvedbi postopkov ravnanja z plinom na kraju samem po namestitvi običajno kaže nezaznavne vrednosti delnega izboja.

Primer: Mestna transformatorska postaja se prilega pod poslovno stavbo

Komunalna elektrarna, ki oskrbuje metropolitansko območje z gostoto 12.000 prebivalcev na kvadratni kilometer, je potrebovala novo transformatorsko postajo 220/66 kV v središču mesta. Edino razpoložljivo mesto je bilo podzemno nadstropje načrtovane večnamenske poslovne stavbe. Konvencionalna odprta električna oprema (AIS) bi zahtevala 6.000 kvadratnih metrov – več kot trojno površino razpoložljivega podzemnega prostora. Rešitev z zaprto električno opremo (GIS) za napetost 220 kV, konfigurirana kot dvojni avtobus z osem vhodnimi priključki in dvema transformatorskima priključkoma, se je prilegla v prostor 800 kvadratnih metrov, vključno z vsemi močnostnimi transformatorji, kontrolno sobo in pomožnimi sistemi. GIS opremo, ki jo je dobavil integriran proizvajalec električne opreme, so v tovarni preizkusili v sklopih po šest priključkov in namestili v času 14 tednov – rok, ki ga ni mogoče doseči z gradnjo AIS.

Pogosta vprašanja

Je GIS primerna za zunanjšo namestitev?

Da. Zunanji ohišja GIS so zaščitena pred vremenskimi vplivi z nadzornimi ohišji, ki izpolnjujejo zahteve IP65, ter odpornimi na korozijo ohišji iz aluminijevih zlitin. Zunanji GIS odpravlja potrebo po gradnji stavbe, kar dodatno zmanjša stroške grajenja in je pogost pri napetostnem razponu 72,5–145 kV.

Kako se obravnava plin SF₆ med vzdrževanjem?

Pri vzdrževanju, ki vključuje odpiranje plinskih kompartmentov, se uporabljajo vozila za povračilo plina, ki izsesajo SF₆ v shranjevalne jeklenke, ga filtrirajo za odstranitev razgradnih stranskih produktov in ga po končanem vzdrževanju vrnejo v kompartment. Pri pravilno izvedenem vzdrževalnem postopku se SF₆ ne sprošča v atmosfero.

Kaj se zgodi, če pride do uhajanja SF₆?

Gostotski nadzornik v odlomku sproži alarm nizkega tlaka pri prvem pragu, običajno pri 90 % nazivne polnilne gostote. Pri 85 % se aktivira zaklepanje, ki preprečuje delovanje stikalnika ali ločevalnika, da se izognemo delovanju z oslabljeno izolacijo. Operatorji so poslani, da najdejo in odpravijo uhajanje, preden je dosežen prag zaklepanja.

Ali je GIS mogoče razširiti po začetni namestitvi?

Da. Modularna zasnova omogoča razširitev z dodajanjem novih sklopov v sosedstvu obstoječega avtobusnega vodnika, pri čemer se razširitveni odseki avtobusnega vodnika namestijo med načrtovano izključitev. Vhodi za prihodnje razširitve so običajno določeni že v začetni fazi projekta, da se poznejša razširitev poenostavi.

Kako se GIS primerja z AIS glede seizmične odpornosti?

GIS ima znatno boljšo seizmično odpornost, saj ima nizko težišče – celotna naprava je višja manj kot 3 metre – kar jo naredi naravno bolj stabilno kot AIS stebrične izolatorje, ki lahko dosežejo višino 5–6 metrov. GIS je standardna rešitev v seizmičnih conah, kjer bi za AIS bilo potrebno dragoceno osnovno izoliranje.

Kje je mogoče pridobiti celoten GIS transformatorski postajni kompleti?

Integridni proizvajalci električne opreme, ki ponujajo popolne transformatorske postajne pakete – transformatorje, stikalne naprave, zaščitne sisteme in SCADA – zagotavljajo ključ-v-roko GIS rešitve. Podjetja, kot je Liaoning Sinotech Group, ponujajo GIS naprave za napetosti od 72,5 kV do 245 kV kot del svoje linije transformatorskih postaj.