Thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) hoạt động như thế nào?

Giới thiệu: Hộp kim loại điều khiển hàng nghìn volt

Bước vào bất kỳ trạm biến áp hiện đại nào, bệ thu gom trang trại gió hoặc tầng hầm của một tòa nhà chọc trời trong thành phố, bạn sẽ thấy một dãy tủ kim loại khiêm tốn đang lặng lẽ thực hiện một trong những công việc nguy hiểm nhất trong thế giới điện. Đây làthiết bị đóng cắt cách điện bằng khíbảng—hoặcGIS—và chúng được thiết kế để chứa, kiểm soát và dập tắt các hồ quang điện có thể làm bay hơi kim loại và gây nguy hiểm cho bất kỳ ai ở gần.

Đối với một kỹ sư điện, việc hiểu cách thức hoạt động của GIS không phải là một bài tập mang tính học thuật. Nó xác định cách bố trí trạm biến áp, lịch trình bảo trì và liệu thiết bị có còn hoạt động đáng tin cậy sau 30 năm kể từ khi được đưa vào vận hành hay không. Đối với một chuyên gia mua sắm, nó làm rõ lý do tại sao một tấm pin lại có giá cao hơn tấm kia và khoản đầu tư bổ sung đó mang lại những lợi ích gì về mặt an toàn, dấu chân và chi phí vòng đời.

Bài viết này giải thích, từng bộ phận, cách thức hoạt động của một thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí—từ bình khí kín giữ các dây dẫn điện áp cao cách xa nhau, đến bộ ngắt chân không làm đứt mạch, đến khóa liên động cơ học giúp ngăn chặn một sai lầm nguy hiểm trở thành tai nạn.

Chính xác thì thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí là gì?

Thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí là thiết bị đóng cắt có vỏ bọc bằng kim loại trong đó thiết bị đóng cắt chínhlinh kiện trung thế—thanh cái, cầu dao, cầu dao cách ly, dao nối đất và máy biến áp đo lường — được đặt bên trong một ngăn kín, chứa đầy khí. Khí đóng vai trò là môi trường cách điện giữa các bộ phận mang điện và giữa các bộ phận mang điện với đất.

Thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí truyền thống phụ thuộc vào khoảng cách vật lý: các dây dẫn được đặt cách nhau đủ xa để không khí xung quanh có thể chịu được điện áp mà không bị đứt. Thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí thay thế khoảng cách vật lý đó bằng khí điều áp có độ bền điện môi cao hơn nhiều so với không khí. Điều này cho phép thu nhỏ toàn bộ tổ hợp một cách đáng kể—trong một số trường hợp, GIS chiếm chưa đến một phần tư diện tích sàn của một hệ thống lắp đặt cách nhiệt bằng không khí tương đương.

Bản thân bình xăng thường được làm bằng thép không gỉ hoặc hợp kim nhôm, được hàn và bịt kín để tránh rò rỉ khí trong suốt thời gian sử dụng của thiết bị. Bên trong, bầu không khí được kiểm soát và giám sát. Các thiết kế hiện đại ngày càng sử dụng không khí khô hoặc nitơ thay vì SF₆, nhằm đáp ứng các quy định đang định hình lại ngành công nghiệp.

Cách xây dựng một bảng điều khiển GIS: Kiến trúc bên trong

Mặc dù nhìn từ bên ngoài, GIS có vẻ như là một tủ kim loại duy nhất, nhưng bên trong nó được chia thành nhiều ngăn chức năng, mỗi ngăn cách ly với nhau bằng các tấm chắn hoặc ống lót kín khí. Hiểu rõ các ngăn này sẽ giải thích cách thiết bị đạt được cả tính linh hoạt trong vận hành và độ an toàn.

1. Khoang thanh cái

Thanh cái là xương sống của bất kỳ cụm thiết bị đóng cắt nào. Trong GIS, các thanh cái chạy ngang qua ngăn chứa khí chuyên dụng ở phía trên hoặc phía sau bảng điều khiển. Do thanh cái kết nối các bảng liền kề với nhau nên các ngăn thanh cái của nhiều bảng thường được kết nối thông qua các ống lót kín khí, tạo thành một vùng khí liên tục trên toàn bộ tổng đài.

Các thanh cái mang toàn bộ dòng điện định mức của hệ thống—thường là 1250 A, 2000 A hoặc cao hơn—và phải làm như vậy mà không vượt quá giới hạn nhiệt độ có thể làm suy giảm khả năng cách điện hoặc đẩy nhanh quá trình oxy hóa tiếp điểm. Trong GIS, khí xung quanh giúp dẫn nhiệt ra khỏi dây dẫn thanh cái, cho phép dòng điện định mức cao hơn trong một tiết diện nhỏ hơn mức cách nhiệt không khí cho phép.

2. Ngăn ngắt mạch

Nếu thanh cái là xương sống thì cầu dao là cơ bắp. Thiết bị này phải ngắt mạch khi xảy ra lỗi—và yêu cầu đặt ra cho thiết bị là rất cao. Một cầu dao điện áp trung thế có thể được yêu cầu để ngắt dòng điện 25.000 ampe trở lên, dập tắt hồ quang đạt nhiệt độ tương đương với bề mặt mặt trời, tất cả chỉ trong vài mili giây.

Trong các thiết kế GIS hiện đại, chức năng ngắt mạch hầu như được thực hiện thông qua bộ ngắt chân không. Bộ ngắt chân không là một chai gốm kín có một cặp tiếp điểm bên trong—một cố định, một di động. Khi các tiếp điểm tách ra, vòng cung tạo thành được vẽ trong chân không gần như hoàn hảo. Vì hầu như không có khí để ion hóa nên hồ quang sẽ tắt khi dòng điện đầu tiên đi qua điểm 0. Khí xung quanh trong bể GIS cung cấp chất cách điện giữa thiết bị ngắt và thành bể, nhưng nó không có vai trò gì trong việc dập tắt hồ quang.

Các tấm GIS của COTENELE sử dụng bộ ngắt mạch chân không có định mức lên tới 25 kA hoặc 31,5 kA, với độ bền cơ học là 10.000 lần hoạt động. Bộ ngắt chân không không cần bảo trì trọn đời—không dầu, không ga, không cần bổ sung gì.

3. Ngăn đựng dao cách ly và nối đất

Bộ ngắt mạch có thể làm gián đoạn dòng điện, nhưng nó không thể tạo ra khoảng cách cách ly rõ ràng mà nhân viên bảo trì có thể tin tưởng giao phó mạng sống của mình. Chức năng đó thuộc vềbộ ngắt kết nối(còn gọi là bộ cách ly). Bộ ngắt mạch không có khả năng dập hồ quang - nó chỉ có thể được vận hành sau khi bộ ngắt mạch đã ngắt dòng điện. Công việc của nó là tạo ra một khe hở không khí hoặc khí vật lý rõ ràng, chắc chắn về mặt cơ học và điện.

Công tắc nối đất thực hiện chức năng ngược lại: chúng cố tình kết nối các dây dẫn cách ly với đất, xả mọi điện áp cảm ứng hoặc điện dung dư. Đây là bước giúp thiết bị an toàn khi chạm vào.

Trong GIS, dao cách ly và dao nối đất được tích hợp vào một dao cắt ba vị trí duy nhất trong nhiều thiết kế. Một vị trí là “đóng” (kết nối với thanh cái), một vị trí là “mở” (cách ly) và một vị trí là “nối đất”. Thiết kế ba vị trí này giúp đơn giản hóa các khóa liên động cơ học và giảm số lượng vòng đệm khí cần thiết.

4. Máy biến áp và ngăn cáp

KHÔNGGISlà hoàn thành mà không cần đo lường. Máy biến dòng (CT) và máy biến điện áp (VT) cung cấp tín hiệu mà rơle bảo vệ, công tơ và hệ thống SCADA cần giám sát và điều khiển hệ thống điện. Trong GIS, CT thường là các lõi hình xuyến được gắn xung quanh ống lót nơi bộ ngắt mạch kết nối với ngăn cáp. VT có thể là điện cảm hoặc điện dung, được kết nối với thanh cái hoặc phía cấp nguồn tùy thuộc vào sơ đồ bảo vệ và đo lường.

Khoang chứa cáp là nơi cáp điện áp cao bên ngoài đi vào bảng điều khiển và kết nối với các dây dẫn bên trong. Trong GIS không có SF₆ sử dụng không khí khô, ngăn cáp là một phần của cùng thể tích khí kín như thiết bị đóng cắt hoặc được ngăn cách bằng ống lót kín khí, tùy thuộc vào thiết kế. Đầu cuối cáp thường là loại plug-in, sử dụng đầu nối đàn hồi cung cấp giao diện được cách điện hoàn toàn, được che chắn hoàn toàn giữa cáp và thiết bị đóng cắt.

5. Ngăn điều khiển điện áp thấp

Đằng sau cánh cửa bảng điều khiển phía trước là trí thông minh của GIS: rơle bảo vệ, công tắc điều khiển, khối đầu cuối, công tắc tơ phụ và cổng liên lạc. Khoang này có điện thế nối đất và được cách ly với các khoang khí điện áp cao bằng các ống lót bịt kín. Tất cả hệ thống dây điện thứ cấp—để cắt, đóng, chỉ báo và liên lạc—được định tuyến ở đây.

Chất lượng tay nghề trong ngăn điện áp thấp là một chỉ số đáng tin cậy về chất lượng tổng thể của nhà sản xuất. Hệ thống dây điện được định tuyến gọn gàng, các đầu cuối được dán nhãn rõ ràng và rơle bảo vệ được cấu hình phù hợp cho thấy rằng các bộ phận của bảng điều khiển cũng được chăm sóc tương tự mà khách hàng không thể dễ dàng kiểm tra.

Vật lý cách nhiệt khíTại sao lại sử dụng khí đốt?

 Câu trả lời nằm ở một tính chất cơ bản của vật chất: độ bền điện môi.

Mọi vật liệu cách điện—không khí, dầu, epoxy rắn hoặc khí—đều có một giới hạn về điện trường mà nó có thể chịu được trước khi bị hỏng và dẫn điện. Đối với không khí ở áp suất khí quyển, giới hạn đó là khoảng 3 kV trên milimét. Đối với SF₆ ở áp suất khiêm tốn, nó cao hơn khoảng ba lần. Điều này có nghĩa là các dây dẫn bên trong bể chứa đầy SF₆ có thể được đặt gần nhau hơn nhiều so với trong không khí mà không có nguy cơ phóng điện. Kết quả là toàn bộ bảng điều khiển thiết bị đóng cắt co lại.

Cơ chế là phân tử. SF₆ là một loại khí có độ âm điện: các phân tử của nó dễ dàng bắt giữ các electron tự do, tạo thành các ion âm nặng chuyển động chậm trong điện trường và có khả năng duy trì dòng điện lởm chởm kém. Đặc tính này mang lại cho SF₆ cả độ bền điện môi cao và khả năng dập hồ quang tuyệt vời.

Không khí khô và nitơ hoạt động theo nguyên tắc đơn giản hơn. Độ bền điện môi của chúng thấp hơn SF₆ ở cùng áp suất, nhưng đủ cho các ứng dụng điện áp trung thế khi hình dạng bể được thiết kế với khe hở phù hợp. Sự đánh đổi là thể tích bình chứa lớn hơn một chút cho cùng mức điện áp, một thỏa hiệp kỹ thuật mà hầu hết các nhà sản xuất và người dùng hiện nay chấp nhận là cái giá để loại bỏ tiềm năng nóng lên toàn cầu của SF₆ gấp 23.500 lần so với CO₂.

Khóa liên động hoạt động như thế nào

Một trong những đặc điểm nổi bật của GIS là hệ thống khóa liên động cơ học của nó, thường được gọi là khóa liên động “năm phòng ngừa”. Những khóa liên động này hoàn toàn là cơ khí—chúng không phụ thuộc vào nguồn điện, phần mềm hoặc bộ nhớ của con người.

Logic rất đơn giản nhưng không thể tha thứ:

1. Bộ ngắt mạch không thể được đóng trừ khi bộ ngắt mạch được mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn.

2. Bộ ngắt kết nối không thể hoạt động khi bộ ngắt mạch đang đóng.

3. Không thể đóng công tắc nối đất trong khi mạch được cấp điện.

4. Không thể đóng cầu dao khi dao nối đất đang đóng.

5. Cửa ngăn cáp không thể mở được trừ khi dao nối đất được đóng.

Các quy tắc này được thực thi bằng cam, đòn bẩy và bu lông trượt để chặn vật lý tay cầm vận hành hoặc chốt cửa khi các điều kiện không được đáp ứng. Đối với người vận hành đứng trước bảng điều khiển, điều này có nghĩa là một chuỗi hành động không an toàn không chỉ bị cấm mà còn không thể thực hiện được về mặt cơ học.

GIS không có SF₆: Nguyên tắc tương tự, Khí an toàn hơn

Nguyên lý hoạt động của GIS không có SF₆ giống hệt với nguyên lý hoạt động của SF₆ GIS thông thường. Các ngăn giống nhau, cùng một bộ ngắt chân không, cùng một dao cách ly và dao nối đất, cùng một khóa liên động. Điều duy nhất thay đổi là khí bên trong bình kín.

GIS trung áp của COTENELE sử dụng không khí khô làm môi trường cách điện. Khí được lọc sạch, hút ẩm và đóng kín bên trong bồn inox tại nhà máy. Bể được kiểm tra rò rỉ và sau đó được niêm phong trong suốt vòng đời thiết kế 30 năm. Không có đồng hồ đo áp suất để người vận hành đọc, không có cổng nạp lại và không có quy trình bảo trì liên quan đến khí phải tuân theo. Theo quan điểm của người dùng, hệ thống gas là vô hình.

Cách tiếp cận này có ba lợi ích thiết thực cho người dùng cuối:

• Tuân thủ môi trường.Không có SF₆ nghĩa là không có nghĩa vụ báo cáo khí F, không có chương trình phát hiện rò rỉ và không thu hồi khí khi hết tuổi thọ. Thiết bị này tuân thủ Quy định về khí F của EU mà không có ngoại lệ hoặc giải pháp thay thế.
• Bảo trì đơn giản.Một kỹ thuật viên bảo trì mở cửa bảng điều khiển sẽ tìm thấy cùng một cầu dao chân không, cơ cấu ngắt kết nối tương tự và các rơle bảo vệ giống như trong bất kỳ hệ thống GIS hiện đại nào khác. Không có thiết bị xử lý khí nào có thể hiểu được.
• Đầu tư đảm bảo tương lai.Khi các hạn chế về SF₆ được thắt chặt trên toàn cầu, thiết bị không chứa SF₆ sẽ không phải đối mặt với các hạn chế dịch vụ thắt chặt, chi phí gas tăng hoặc các yêu cầu trang bị thêm bắt buộc.

GIS được sử dụng ở đâu

Công nghệ GIS được triển khai ở bất cứ nơi nào có không gian hạn chế, độ tin cậy là rất quan trọng hoặc điều kiện môi trường khiến thiết bị cách nhiệt bằng không khí trở nên không khả thi:

• Các trạm biến áp đô thị nơi chi phí bất động sản khiến thiết bị nhỏ gọn trở thành nhu cầu tài chính cần thiết.
• Các trạm biến áp của trang trại gió, nơi thiết bị đóng cắt phải hoạt động đáng tin cậy ở những môi trường xa xôi, đôi khi khắc nghiệt với khả năng tiếp cận bảo trì hạn chế.
• Các trung tâm dữ liệu nơi đảm bảo thời gian hoạt động và cam kết ESG yêu cầu thiết bị không chứa SF₆, ít bảo trì.
• Các nhà máy công nghiệp có môi trường ăn mòn, mức bụi cao hoặc độ ẩm cao sẽ làm suy giảm chất lượng dây dẫn cách điện bằng không khí.
• Cơ sở hạ tầng như sân bay, tàu điện ngầm và đường hầm, nơi an toàn cháy nổ và tính gọn nhẹ là không thể thương lượng.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: GIS có thể sửa chữa được nếu khí gas bị rò rỉ không?

Trả lời: Đối với GIS không khí khô kín suốt đời, bể chứa được hàn và thử nghiệm tại nhà máy và không được thiết kế để mở tại chỗ. Nếu bình chứa bị hỏng, toàn bộ bảng điều khiển thường được thay thế. Đây là lý do tại sao việc kiểm tra tính toàn vẹn của bể trong quá trình sản xuất là rất quan trọng. Tuy nhiên, rò rỉ khí từ bình kín được sản xuất đúng cách là cực kỳ hiếm trong suốt vòng đời của thiết bị.

Hỏi: Làm sao bạn biết bộ ngắt chân không vẫn hoạt động?

Trả lời: Tính toàn vẹn chân không được xác minh trong quá trình kiểm tra định kỳ tại nhà máy thông qua kiểm tra điện thế cao trên các tiếp điểm mở. Trong quá trình sử dụng, bộ ngắt chân không không cần bảo trì và không bị xuống cấp theo thời gian. Cơ chế mài mòn duy nhất là xói mòn tiếp xúc trong quá trình gián đoạn sự cố, được tính vào độ bền điện định mức của thiết bị ngắt.

Câu hỏi: GIS không khí khô có lớn hơn SF₆ GIS về mặt vật lý không?

Trả lời: Ở mức điện áp trung bình lên đến 40,5 kV, sự khác biệt về kích thước là tối thiểu và vừa vặn với kích thước bảng điều khiển tiêu chuẩn. Các nhà sản xuất đã tối ưu hóa hình dạng bể qua nhiều năm phát triển để giảm thiểu tác động của thiết kế không khí khô.

Hỏi: Những tiêu chuẩn nào áp dụng cho GIS?

Trả lời: GIS có vỏ bọc bằng kim loại đã được thử nghiệm điển hình theo tiêu chuẩn IEC 62271-200. Bộ ngắt mạch bên trong đã được thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 62271-100. Phân loại hồ quang bên trong (IAC) được thử nghiệm theo phụ lục A của IEC 62271-200. COTENELE cung cấp các chứng chỉ thử nghiệm điển hình đầy đủ từ các phòng thí nghiệm độc lập được IEC công nhận kèm theo mọi báo giá.

Kết luận: Nắm vững những điều cơ bản

Thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí hoạt động bằng cách bịt kín các dây dẫn điện áp cao trong môi trường khí cách điện chúng với nhau và với đất, cho phép toàn bộ tổ hợp được chế tạo nhỏ hơn nhiều so với thiết bị tương đương cách điện bằng không khí. Bên trong môi trường kín đó, bộ ngắt chân không ngắt mạch, bộ ngắt kết nối cung cấp khả năng cách ly rõ ràng, công tắc nối đất giúp thiết bị an toàn khi chạm vào và mạng lưới khóa liên động cơ học đảm bảo rằng những hoạt động này chỉ có thể được thực hiện theo đúng trình tự.

Quá trình chuyển đổi từ SF₆ sang không khí khô không làm thay đổi kiến ​​trúc cơ bản này. Nó chỉ đơn giản là thay thế khí đốt bằng một loại khí không chịu trách nhiệm pháp lý về môi trường kéo dài hàng thiên niên kỷ. Đối với các kỹ sư và người mua, việc hiểu cách thức hoạt động của GIS là nền tảng để chỉ định thiết bị phù hợp, xác minh tuyên bố của nhà sản xuất và đảm bảo rằng thiết bị chuyển mạch được lắp đặt ngày nay vẫn sẽ bảo vệ mạng trong ba thập kỷ kể từ bây giờ.

cotenele sản xuất thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí không chứa SF₆ sử dụng cách nhiệt không khí khô và gián đoạn chân không, đã được thử nghiệm điển hình theo tiêu chuẩn IEC 62271-200. Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi cung cấp các gói tài liệu hoàn chỉnh—bao gồm chứng chỉ kiểm tra loại và báo cáo kiểm tra định kỳ—ở giai đoạn đấu thầu, giúp khách hàng của chúng tôi có thể tự tin chỉ định. Bạn đang tìm kiếm GIS không chứa SF₆ cho dự án tiếp theo của mình? COTENELE cung cấp thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí không chứa SF₆ 12 kV đến 40,5 kV, bộ phận mạch vòng và bộ ngắt mạch chân không cho tiện ích, năng lượng tái tạo, trung tâm dữ liệu và các ứng dụng công nghiệp.

cotenelelà nhà sản xuất chuyên biệt về thiết bị đóng cắt trung thế, bao gồm thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí không chứa SF₆, cầu dao chân không, thiết bị chính dạng vòng và tấm ốp kim loại cho các ứng dụng từ 12 kV đến 40,5 kV. Sản phẩm của chúng tôi phục vụ các tiện ích, nhà điều hành trung tâm dữ liệu, nhà phát triển năng lượng tái tạo và người mua công nghiệp trên khắp Châu Âu, Châu Á và Trung Đông.