Table of Contents

Городские среды представляют уникальные проблемы для электрических распределительных сетей. По мере того, как города становятся все плотнее и растет спрос на надежную электроэнергию, коммунальные службы и операторы объектов должны внедрять технологии, которые максимизируют производительность в сильно ограниченных пространствах. Газоизолированные распределительные устройства (ГИС) стали критически важным решением для компактных городских распределительных подстанций, предлагая комбинацию экономии пространства, безопасности, надежности и устойчивости, которые традиционные воздухоизолированные распределительные устройства (АИС) не могут соответствовать. В этой статье рассматриваются фундаментальные преимущества ГИС-технологии, ее применения в плотных городских условиях и последние разработки, которые формируют будущее городского распределения электроэнергии.

Что такое газоизолированный коммутатор?

Газоизолированный распределительный узел представляет собой тип электрического распределительного устройства, в котором в качестве изоляционной и дугогасительной среды используется газ гексафторид серы (SF6). В ГИС все живые компоненты, такие как выключатели, разъемы, заземляющие переключатели, шины и трансформаторы тока, заключены в герметичном металлическом корпусе, заполненном SF6 при давлении, обычно от 3 до 6 бар. Высокая диэлектрическая прочность SF6 (примерно в 2,5 раза больше, чем у воздуха при атмосферном давлении) позволяет резко уменьшить зазоры между проводниками. Результатом является компактная модульная сборка, которая может быть установлена в пространствах, составляющих долю размера, необходимого для эквивалентного оборудования с воздушной изоляцией.

ГИС доступна для широкого диапазона уровней напряжения, от среднего напряжения (например, 12 кВ), используемого во вторичных распределительных подстанциях, до сверхвысокого напряжения (например, 550 кВ) для систем передачи. В городских распределительных сетях наиболее распространенные приложения находятся в диапазоне от 11 кВ до 36 кВ. Металлический корпус обеспечивает полностью герметичную среду, которая защищает внутренние компоненты от влаги, пыли, загрязнения и агрессивных атмосфер, которые распространены в городских условиях.

Ключевые компоненты ГИС-ассамблеи

  • Серцевой выключатель — Использует SF6 для гашения дуги при прерывании токов разлома.Современные выключатели используют принцип самовзрыва или пуффера для достижения высокой способности к разрыву.
  • Разъемы и заземляющие переключатели — Обеспечить видимую изоляцию и безопасное заземление для технического обслуживания. Часто интегрируются внутри одного и того же газового отсека.
  • Бубары — трёхфазные проводники, заключенные в общую или индивидуальную газовую камеру.Компактная конструкция позволяет укладывать или боково-боковое расположение.
  • Текущие и трансформаторы напряжения — часто помещаются внутри корпуса ГИС для измерения электрических параметров без внешних втулок.
  • Оборудование для обработки и мониторинга газа - включает реле плотности, клапаны заполнения и манометры для поддержания надлежащих условий SF6.

Космическая эффективность в городской среде

Наиболее очевидным преимуществом ГИС является ее компактный размер. Типичная установка ГИС занимает на 60-80% меньше объема, чем эквивалентная установка распределительных устройств с воздушной изоляцией. В городе, где затраты на приобретение земли могут превышать 10 миллионов долларов за акр, каждый сэкономленный квадратный метр приводит к значительным финансовым и логистическим преимуществам.

Подземные подстанции и интеграция зданий

Многие современные городские подстанции построены полностью под землей или интегрированы в нижние этажи коммерческих и жилых зданий. ГИС идеально подходит для таких мест, поскольку может перевозиться через стандартные дверные проемы и лифты, собираться в замкнутых пространствах и эксплуатироваться без необходимости больших вентиляционных отверстий, требуемых оборудованием АИС. В Токио, например, Токийская электроэнергетическая компания (TEPCO) развернула ГИС в десятках подземных подстанций под парками и проезжими частями, что позволило расширить сеть, не нарушая городской ландшафт.

Снижение затрат на гражданское строительство

Поскольку ГИС-модули намного легче и меньше, чем панели АИС, гражданское строительство, необходимое для их поддержки, гораздо менее обширно. Основанием для ГИС-подстанции может быть простая плоская бетонная плита, тогда как АИС часто требует тяжелых стальных конструкций, больших опорных рам шины и обширных систем заземления. Общее время строительства может быть уменьшено на недели или месяцы, что является критическим преимуществом в быстроразвивающихся проектах городского развития.

Улучшенные функции безопасности

Безопасность имеет первостепенное значение в любой электроустановке, особенно в густонаселенных районах, где неисправность может иметь каскадные последствия. ГИС обеспечивает несколько неотъемлемых преимуществ безопасности по сравнению с АИС.

Закрытие с защитой от дуг

Металлический корпус ГИС предназначен для содержания полной энергии внутреннего дугообразного разлома. В редких случаях поломки повышение давления безопасно продувается через контролируемые выходы, предотвращая выход горячих газов и расплавленного металла в окружающую среду. Это снижает риск пожара, травмирования персонала и повреждения смежного оборудования. Многие конструкции ГИС проходят дуговой тест по стандартам IEEE C37.20.7 или IEC 62271-200.

Снижение риска электрического шока и вспышки

Поскольку все живые проводники полностью изолированы SF6 и заключены в заземленный металлический корпус, вероятность случайного контакта устраняется. Это резкий контраст с АИС, где открытые шины и соединения при высоком напряжении всегда представляют опасность при нормальной эксплуатации или обслуживании. Для городских подстанций, которые могут располагаться вблизи общественных пространств, закрытый характер ГИС является основным фактором риска.

Сейсмическое и вибрационное сопротивление

Городские подстанции часто подвергаются наземным колебаниям от движения транспорта, поездов метро или строительства. ГИС-оборудование с его жестким корпусом и модульной конструкцией по своей сути более устойчиво к вибрации, чем структуры АИС. В сейсмически активных городах, таких как Сан-Франциско или Стамбул, ГИС может быть установлена с гибкими соединениями, которые обеспечивают движение грунта, обеспечивая непрерывность обслуживания во время землетрясения.

Высокая надежность и производительность

Запечатанная газонепроницаемая среда ГИС защищает внутренние компоненты от коррозионных агентов и загрязняющих веществ, которые могут ухудшать изоляцию с течением времени. Это способствует чрезвычайно высокой надежности. Среднее время между отказами (MTBF) для современных ГИС может превышать 50 лет для первичных компонентов, и многие коммунальные службы сообщают, что ГИС подстанции испытывают только часть часов отключения сопоставимых установок АИС.

Высокие свойства изоляции SF6

Газ SF6 обладает диэлектрической прочностью примерно в 2,5 раза большей, чем воздух при том же давлении. Его электроотрицательные свойства позволяют ему захватывать свободные электроны во время дуги, быстро гасить разряд. Это означает, что ГИС может прерывать разломные токи быстрее и более последовательно, чем воздушные выключатели. Кроме того, SF6 обладает отличными возможностями теплопередачи, помогая рассеивать тепло от проводников и поддерживая температуры в безопасных пределах даже при большой нагрузке.

Интервалы низкого технического обслуживания

Поскольку контактные системы и рабочие механизмы размещены в чистой, сухой газовой атмосфере, они страдают от минимального износа. SF6 выключатели часто могут работать для 10 000 механических операций или более, прежде чем потребуется какой-либо капитальный ремонт. Это контрастирует с выключателями воздуха, которые могут потребовать замены контакта после нескольких сотен перерывов полной нагрузки. Результатом является подстанция, которая может работать в течение многих лет без планового обслуживания, освобождая коммунальные бригады для других задач.

Экологическая устойчивость

Городские подстанции часто расположены в средах, которые быстро разрушают оборудование под открытым небом: дорожный соль, промышленные загрязнители, городская пыль и экстремальные колебания температуры. ГИС эффективно невосприимчива к этим условиям. Запечатанный корпус предотвращает попадание любого постороннего вещества, а внутреннее давление газа компенсирует изменения температуры, поддерживая постоянную диэлектрическую прочность от -30 ° C до +50 ° C.

Для подстанций, расположенных в районах, подверженных наводнениям, ГИС может быть установлена на уровне класса (или даже ниже уровня, когда предусмотрены отстойные насосы) без риска загрязнения воды живыми частями. Некоторые производители предлагают погружные ГИС-проекты для мест, где наводнения неизбежны, таких как низменные прибрежные города, такие как Роттердам или Мумбаи.

Снижение затрат на обслуживание и жизненный цикл

Мониторинг на основе условий

Современные ГИС оснащены датчиками, которые непрерывно контролируют плотность газа, содержание влаги, активность частичного разряда и работоспособность рабочего механизма. Это позволяет коммунальным предприятиям переходить от технического обслуживания на основе времени к техническому обслуживанию на основе состояния, выполняя вмешательства только тогда, когда данные указывают на проблему. Результатом является существенное снижение эксплуатационных расходов при сохранении или повышении надежности.

Общая стоимость сравнения владения

Хотя первоначальные капитальные затраты на ГИС обычно на 20-30% выше, чем на АИС, общая стоимость владения в течение 40-летнего жизненного цикла часто благоприятствует ГИС, особенно в городских условиях.

  • Земля и стоимость строительства — ГИС требует гораздо меньше недвижимости и часто устраняет необходимость в отдельном здании.
  • Время установки — предварительно собранные ГИС-модули могут быть установлены в дни, а не недели.
  • Сокращение технического обслуживания — сокращение времени работы экипажа, меньшее количество запасных частей и более длительные интервалы между капитальными ремонтами.
  • Более высокая доступность — Меньшее количество запланированных и незапланированных отключений приводит к увеличению доходов от коммунальных услуг и снижению штрафов за перебои в обслуживании.

Применение в компактных городских распределительных подстанциях

ГИС в настоящее время является технологией выбора для широкого спектра типов городских распределительных подстанций.

Подстанции в коммерческих и жилых зданиях

Крупные коммерческие башни, больницы и центры обработки данных часто требуют выделенных высоковольтных подстанций в пределах здания. ГИС могут быть установлены в подвалах, служебных помещениях или даже на промежуточных этажах. Например, серии ABB ZX2 и Siemens 8DJH популярны для таких приложений, потому что они могут транспортироваться через стандартные дверные проемы (ширины до 600 мм) и нуждаются только в минимальном зазоре вокруг них.

Подземные подстанции Vault Substations

Во многих старых городах существующие подземные хранилища слишком малы для модернизации АИС. ГИС позволяет коммунальным службам заменять устаревшее оборудование с более высокой пропускной способностью без расширения хранилища. Электрическая распределительная сеть Лондона является ярким примером; многие из его подстанций мощностью 33/11 кВ были переоборудованы с ГИС, чтобы удвоить пропускную способность в пределах одного и того же следа.

Мобильные и контейнерные подстанции

Для временных или аварийных потребностей в электроэнергии ГИС можно упаковать в стандартные контейнеры для транспортировки и быстро развернуть. Эти мобильные подстанции используются для крупных строительных проектов, спортивных мероприятий или быстрого восстановления после стихийных бедствий. Компактные размеры и прочный корпус делают контейнерную ГИС предпочтительным решением для требовательных городских условий.

Тематические исследования: ГИС в глобальных городах

Токио, Япония

Токио был одним из первых, кто начал использовать ГИС для городского распределения, начиная с 1970-х годов. Сегодня сеть TEPCO города включает в себя сотни ГИС подстанций, многие из которых находятся под землей, чтобы сохранить поверхностное пространство для парков и транспорта. Примечательным примером является подстанция Shinjuku, которая поставляет энергию в один из самых оживленных коммерческих районов в мире. Он использует ГИС 66 кВ, установленную в подвале на три этажа ниже уровня земли, обслуживая более 500 МВт нагрузки с площадью всего 20 м × 30 м.

Нью-Йорк, США

Консолидированная Эдисон (Con Edison) широко развернула ГИС для усиления своей сети на Манхэттене. Подстанция Западная 65-я улица была построена для замены стареющего оборудования с воздушной изоляцией, которое не могло быть модернизировано из-за ограничений пространства. Новая ГИС-установка занимает один этаж многоэтажного здания, поставляя 138 кВ в центр Манхэттена со значительно улучшенной надежностью. Кон Эдисон сообщает, что ГИС сократила требования к техническому обслуживанию на 70% по сравнению с предыдущей установкой АИС.

Сингапур

С нехваткой земли и высокой влажностью Сингапур обратился к ГИС почти для всех новых подстанций, построенных с 2000 года. SP Group, оператор коммунальных услуг, использует ГИС 22 кВ как на подземных, так и на надземных подстанциях, интегрированных в жилые комплексы. Компактная конструкция позволяет подстанциям располагаться внутри строительных соединений, не вызывая визуального воздействия или занимая ценные зеленые насаждения.

Экологические аспекты и альтернативы SF6

Несмотря на свои технические преимущества, SF6 обладает высоким потенциалом глобального потепления (GWP) в 23 500 раз превышающим потенциал CO2 за 100-летний период. Это привело к усилению контроля со стороны регулирующих органов, особенно в Европейском союзе, где F-Gas Regulation постепенно сокращает использование SF6 и требует мониторинга утечек для выбросов выше заданных порогов. Электротехническая промышленность реагирует на новое поколение «зеленых» распределительных устройств, которые используют альтернативные изоляционные газы с гораздо меньшим воздействием на окружающую среду.

Альтернативные технологии изоляции

  • Фторированные газы (g3) — Технология AirPlus компании ABB использует смесь фторонитрила (Novec 4710), смешанную с CO2 и O2, достигая ПГП менее 1% SF6 при сохранении аналогичной диэлектрической производительности для напряжений до 145 кВ. ABB ZX2 AirPlus является коммерческим продуктом.
  • Чистый воздух — Некоторые производители, такие как Siemens, предлагают средневольтную ГИС, которая использует сжатый воздух (обычно 1-2 бар) с передовой твердой изоляцией для уменьшения клиренсов. Хотя она не так компактна, как конструкции SF6, чистая ГИС воздуха может быть жизнеспособной альтернативой для многих городских приложений распределения.
  • Вакуумная изоляция — Для более низких уровней напряжения (до 36 кВ) вакуумные выключатели в сочетании с эпоксидной смолой изоляцией создают распределительные устройства, полностью без газа. Эти конструкции набирают силу для подстанций вторичного распределения в городах со строгой экологической политикой.

Коммунальные предприятия, планирующие новые установки, должны оценивать выбросы в течение жизненного цикла, включая утечку SF6 во время эксплуатации и восстановление в конце срока службы, и учитывать национальные правила. Международная электротехническая комиссия (МЭК) опубликовала стандарты для обработки SF6 и альтернативных газов (МЭК 62271-4, МЭК 62271-211), которые обеспечивают руководство по закупкам и эксплуатации.

Заключение

Газоизолированные распределительные устройства зарекомендовали себя как незаменимая технология для компактных городских распределительных подстанций. Его беспрецедентная эффективность использования пространства, превосходная безопасность, высокая надежность и низкие требования к техническому обслуживанию делают его предпочтительным выбором для коммунальных служб, работающих в плотных городах по всему миру. В то время как опасения по поводу воздействия SF6 на окружающую среду приводят к инновациям в отношении экологически чистых альтернатив, эксплуатационные преимущества ГИС - будь то использование традиционного SF6 или новых зеленых газов - остаются убедительными. По мере того, как городское население продолжает расширяться и электрические нагрузки растут, внедрение ГИС будет краеугольным камнем устойчивой и устойчивой городской инфраструктуры.

Для градостроителей и инженеров-коммунистов решение инвестировать в ГИС представляет собой стратегический шаг, который уравновешивает технические показатели с долгосрочной экономической эффективностью. Выбирая ГИС, они не только оптимизируют землепользование, но и обеспечивают качество поставок, которое требует современное общество.