Затворени срещу отворени конструкции: Сравнение на надеждността на открити LBS

Въведение

Изборът между затворен и открит дизайн на прекъсвач на товара е едно от най-съществените решения за надеждност при планирането на електроразпределителната мрежа - но то обикновено се взема само въз основа на капиталовите разходи, без структурирана оценка на условията на околната среда, изискванията за ефективност на изолацията и икономичността на поддръжката през целия жизнен цикъл, които определят кой дизайн осигурява по-ниски разходи. обща цена на притежание¹ за период от 20-25 години. От десетилетия откритите външни конструкции на LBS доминират в инсталациите на разпределителните линии въз основа на по-ниската единична цена, по-простия монтаж на стълбовете и лесната визуална проверка - предимства, които са реални и значителни в благоприятни среди с ниско замърсяване, ниска влажност и умерено излагане на мълнии. Затворените конструкции - независимо дали са изолирани с SF6, с твърд диелектрик или с въздушна изолация с херметически затворени корпуси - са с по-високи капиталови разходи от 40-120% в сравнение с еквивалентните открити устройства - премия, която е икономически оправдана при определени условия на околната среда и неоправдана от експлоатационна гледна точка при други. Сравнението на надеждността между затворените и откритите външни LBS конструкции не е универсална присъда в полза на някоя от технологиите - това е анализ на специфичната среда, който идентифицира пресечната точка, в която по-добрите изолационни характеристики на затворената конструкция и намалените изисквания за поддръжка генерират икономии през жизнения цикъл, които надвишават надбавката за капиталови разходи, и условията, при които простотата и по-ниската цена на откритата конструкция осигуряват еквивалентна надеждност при по-ниски общи инвестиции. За инженерите по електроразпределение, мениджърите на мрежови активи и екипите за планиране на жизнения цикъл, отговорни за решенията за популацията на откритите LBS, това сравнение предоставя техническата рамка, данните за изолационните характеристики и модела на разходите за жизнения цикъл, който превръща данните от оценката на околната среда в защитен избор на проект.

Съдържание

• Какви са основните разлики в конструкцията на затворените и отворените външни LBS и как те влияят на изолационните характеристики?
• Как условията на околната среда определят относителната надеждност на затворените и откритите конструкции на LBS на открито?
• Как се съпоставят затворените и отворените външни конструкции на LBS по отношение на критичните показатели за надеждност?
• Какъв модел на разходите за целия жизнен цикъл определя икономическата точка на прехода между затворените и откритите LBS на открито?

Какви са основните разлики в конструкцията на затворените и отворените външни LBS и как те влияят на изолационните характеристики?

Разликата в надеждността между затворените и откритите външни конструкции на LBS се дължи на едно-единствено архитектурно решение: дали частите под напрежение - контакти, проводници и изолация - са отделени от външната среда чрез затворен корпус, или са изложени на нея. Всяка друга разлика в работата на двете конструктивни фамилии произтича от това основно различие.

Открити LBS на открито: архитектура и механизъм за изолация

В откритите LBS се използва атмосферният въздух като основна изолационна среда между частите под напрежение и между фазите. Изолационните характеристики на тази конструкция зависят от:

• Геометрия на въздушната междина: Физическото разделяне на частите под напрежение - фаза-към-фаза и фаза-земя - с размери, осигуряващи необходимата диелектрична устойчивост при чисти и сухи условия съгласно IEC 62271-103.
• Изолатор разстояние на приплъзване²: Дължината на повърхностния път покрай изолационните тела между частите под напрежение и заземените части - оразмерени по IEC 60815-1 за нивото на замърсяване³ на инсталационната среда
• Материал на изолатора: Порцелан, стъкло или полимер (силиконов каучук) - всеки с различни характеристики на натрупване на замърсявания и хидрофобни свойства.

Основната уязвимост: Ефективността на изолацията на открито е функция на атмосферните условия в точката на монтаж - температура, влажност, замърсяване и валежи. Диелектричната издръжливост на конструкцията на открито при влажни, замърсени условия може да бъде с 30-70% по-ниска от чистата, суха номинална стойност - намаление, което е предвидимо, измеримо и постоянно за експлоатационния живот на изолатора, освен ако замърсяването не бъде физически отстранено.

Затворена външна LBS: архитектура и механизъм за изолация

Затворената външна LBS изолира частите под напрежение от външната среда в затворен корпус, като използва една от трите изолационни среди:

Затворена конструкция с изолация SF6:

• Изолационна среда: Сярен хексафлуорид при манометрично налягане 0,3-0,5 бара
• Диелектрична якост: Позволява значително намаляване на разстоянията между фазите и между фазите и земята
• Екологична независимост: Диелектричната якост на SF6 не се влияе от външна влажност, замърсяване или валежи - изолационните характеристики са постоянни независимо от външните условия
• Контрол на налягането: Изисква система за наблюдение на налягането на газа - алармата за ниско налягане задейства поддръжка, преди да се компрометират характеристиките на изолацията

Затворен дизайн с твърд диелектрик:

• Изолационна среда: Отлята епоксидна смола или омрежен полиетилен (XLPE), капсулиращи всички части под напрежение
• Диелектрична якост: Определя се от състава на смолата - обикновено 15-25 kV/mm за епоксидна смола
• Екологична независимост: Пълна - твърдата изолация не се влияе от външните условия
• Ограничение: Твърдата изолация не може да бъде ремонтирана - всяка вътрешна диелектрична повреда изисква пълна подмяна на устройството

Конструкция на херметически затворен корпус с въздушна изолация:

• Изолационна среда: Сух въздух или азот при леко положително налягане в херметизиран корпус IP65 или IP67
• Диелектрична якост: Еквивалентен на стандартен въздух, но поддържащ номиналните характеристики чрез изключване на замърсяване и влага
• Екологична независимост: Висока степен на запечатване на корпуса предотвратява проникването на замърсяване; положителното налягане предотвратява кондензацията на влага
• Ограничение: Трябва да се поддържа целостта на уплътнението - влошаването на уплътнението на корпуса позволява проникването на влага, която може да причини кондензация на вътрешните изолационни повърхности

Сравнение на изискванията за изпълнение на стандартите IEC

Параметър на изпълнение	Стандартна референция	Дизайн на открито	Затворен дизайн
Издръжливост на импулси от мълнии	IEC 62271-103 Кл. 6.2	Номинална стойност LIWV при чисти и сухи условия	Номиналната LIWV се поддържа при всякакви условия
Честота на захранване издържа на напрежение	IEC 62271-103 Кл. 6.2	Деривация при условия на мокро замърсяване	Поддържа се при всякакви условия
Устойчивост на замърсяване	IEC 60815-1	Зависимост от разстоянието на приплъзване - специфично за околната среда	Не е приложимо - изолацията не е изложена на въздействието
Клас на защита IP	IEC 60529	Не е приложимо - отворен дизайн	Минимум IP65 за конструкции със запечатан корпус
Мониторинг на изолационната среда	—	Не се изисква	Изисква се мониторинг на налягането на SF6 за газоизолирани
Температурен диапазон	IEC 62271-103 Cl. 2.1	-40°C до +40°C стандарт	-40°C до +40°C; риск от втечняване на SF6 под -30°C

Защита на контактния възел: Вторичната разлика в дизайна

Освен изолационната среда, затворената конструкция осигурява и второ предимство по отношение на надеждността - пълна защита на контактния блок от въздействието на околната среда. Откритите контактни възли на LBS са изложени на:

• Окисляване: Сребърното покритие се окислява във влажна, замърсена атмосфера - увеличавайки контактното съпротивление с течение на времето със скорост, пропорционална на степента на атмосферното замърсяване.
• Корозия: Соленото пръскане по крайбрежието и изпаренията на промишлени химикали атакуват материалите на контактните пружини и хардуера на терминалите - ускорявайки механичното разрушаване.
• Биологичен растеж: Насекоми, птици и растителност се настаняват в открити контактни възли в тропическа среда - причиняват замърсяване на изолацията и механични смущения.

Затворените конструкции елиминират и трите механизма на излагане - влошаването на контактното съпротивление в затворените устройства се определя от експлоатационното износване (цикли на превключване), а не от излагането на околната среда, което води до по-предсказуема и по-бавна траектория на влошаване.

Как условията на околната среда определят относителната надеждност на затворените и откритите конструкции на LBS на открито?

Относителното предимство в надеждността на затворената конструкция пред отворената не е постоянно - то се променя в зависимост от тежестта на околната среда. При благоприятни условия на околната среда разликата в надеждността е малка и е трудно да се обоснове по-високата капиталова стойност на затворената конструкция. При тежки условия на околната среда разликата в надеждността е голяма и икономичността на затворената конструкция по време на жизнения цикъл става убедителна.

Фактор на околната среда 1: тежест на замърсяването

Замърсяването е единственият фактор на околната среда, който оказва най-голямо влияние върху надеждността на откритите LBS - и факторът, който най-силно разграничава двете конструктивни семейства.

Влияние на замърсяването върху изолационните характеристики на LBS на открито:

Напрежението на прегаряне на мокро замърсяване на изолатор на открито намалява с увеличаване на ESDD (еквивалентна плътност на солевите отлагания)⁴ според:

$U_{flashover\_wet} = U_{flashover\_dry} \times \left(\frac{ESDD_{reference}}{ESDD_{actual}}\right)^{0.22}$

За изолатор с напрежение на сухата светкавица от 150 kV и референтна ESDD от 0,01 mg/cm²:

ESDD (mg/cm²)	Напрежение на мокрото прекъсване (kV)	Намаляване от сух
0,01 (много леко)	150 kV	0%
0,05 (светлина)	122 kV	19%
0,20 (средно)	99 kV	34%
0,50 (тежък)	85 kV	43%
1,00 (много тежък)	73 kV	51%

Затворената конструкция е напълно защитена от този механизъм на разграждане. - Замърсяването на външната повърхност на корпуса не оказва влияние върху ефективността на вътрешната изолация.

Фактор на околната среда 2: Влажност и тропически климат

Високата влажност на околната среда - дефинирана като относителна влажност на въздуха, постоянно надвишаваща 85% - ускорява три механизма на деградация в откритите конструкции на LBS:

• Кондензация по повърхностите на изолатора: Сутрешната кондензация върху студените повърхности на изолатора създава проводящ воден филм, който намалява напрежението на възпламеняване до нивото на мокро замърсяване дори без валежи
• Ускорено окисляване на среброто: Високата влажност на въздуха ускорява образуването на сребърен оксид върху контактните повърхности - увеличавайки контактното съпротивление 3-5 пъти повече, отколкото в среда с ниска влажност.
• Корозия на пружинните материали: Животът на умора на пружината от неръждаема стомана се намалява с 20-40% в постоянно влажна среда поради механизмите на корозионно напукване под напрежение.

Затворена конструкция с устойчивост на влажност: Затворените конструкции с изолация SF6 и твърд диелектрик са напълно устойчиви на въздействието на влагата върху ефективността на изолацията. Конструкциите с въздушно изолирани затворени корпуси поддържат устойчивост на влага, докато се запази целостта на уплътнението на корпуса - проверката на уплътнението е критична дейност по поддръжката за този вариант на конструкцията в тропическа среда.

Фактор на околната среда 3: Честота на мълниите

Околните среди с висока плътност на земните светкавици (GFD) подлагат външните устройства LBS на по-чести пренапрежения от мълнии, което увеличава кумулативната енергия на пренапрежението, поглъщана от ограничителите на пренапрежението, и честотата на събитията, свързани с изчистването на повредата след мълния, при които енергията на дъгата се отлага върху контактния блок на LBS.

Въздействие на дизайна: Както затворените, така и отворените конструкции изискват правилно съгласувани ограничители на пренапрежението - затворената конструкция не премахва необходимостта от външна защита от пренапрежение. Въпреки това, по-добрите изолационни характеристики на затворената конструкция осигуряват по-голям марж между нивото на защита на пренапрежението и импулсното напрежение на оборудването (LIWV) - което означава, че грешките в координацията на пренапрежението или влошаването на състоянието на пренапрежението, които биха причинили избухване на изолатора на отворена конструкция, все още могат да бъдат в рамките на издръжливостта на затворената конструкция.

Количествената разлика в маржа:

За система 12 kV с предпазител от пренапрежение с остатъчно напрежение 35 kV при разряд 10 kA:

• Открита LBS LIWV: 75 kV → защитен марж: 75 - 35 = 40 kV (марж на 53%)
• Затворена SF6 LBS LIWV: 95 kV (по-високо поради SF6 изолацията) → защитен марж: 95 - 35 = 60 kV (марж на 63%)

По-големият защитен марж на затворената конструкция допуска по-голямо влошаване на състоянието на ограничителя, преди маржът да бъде елиминиран - това осигурява по-дълъг период за намеса при поддръжката на ограничителя, преди да настъпи повреда.

Фактор на околната среда 4: Температурни екстремуми

Съображения, свързани със студения климат:
Газът SF6 се втечнява при температури под приблизително -30°C при стандартно налягане на пълнене - критично ограничение за затворени конструкции с изолация от SF6 в арктически или субарктически разпределителни мрежи. Под температурата на втечняване налягането на газа спада и диелектричната якост на атмосферата SF6 намалява. Възможностите за смекчаване включват:

• Увеличаване на налягането на пълнене с SF6 (повишава температурата на втечняване, но увеличава изискването за номинално налягане в корпуса)
• Използване на газова смес SF6/N2 (по-ниска температура на втечняване, но намалена диелектрична якост за единица налягане)
• Определяне на затворена конструкция с твърд диелектрик за арктически приложения - без риск от втечняване

Съображения, свързани с горещия климат:
Температурите на околната среда над 40°C изискват понижаване на номиналния нормален ток както на откритите, така и на закритите LBS съгласно IEC 62271-1 - коефициентът на понижаване е идентичен за двете конструктивни фамилии. Затворените конструкции в среда с висока околна температура обаче трябва да се оценяват за повишаване на вътрешната температура: запечатаният корпус намалява разсейването на топлината в сравнение с отворената конструкция и вътрешната температура може да надвиши номиналния топлинен клас на контактния възел при номинален ток в условия на висока околна температура.

При екстремни студове рискът от Втечняване на SF6⁵ трябва да бъдат взети предвид при избора на конструкция, за да се гарантира непрекъсната работа.

Матрица за подбор на околната среда

Тип среда	Замърсяване	Влажност	GFD	Препоръчителен дизайн	Оправдание
Вътрешни селски райони, умерен климат	Много лека светлина	Нисък	Нисък	На открито	Благоприятни условия; решаващо предимство на капиталовите разходи
Крайбрежни, тропически	Тежък - много тежък	Висока	Умерен	Затворен	Комбинацията от замърсяване и влажност елиминира предимството на надеждността на открито
Индустриален коридор	Средно тежък	Променлива	Слабо-умерено	Затворен	Химическото замърсяване ускорява разграждането на открито
Пустинен, сух	Леко и средно	Много ниско	Висока	На открито (с висока степен на провлачване)	Ниската влажност елиминира риска от мокро замърсяване; високата степен на провлачване се справя с праха
Арктика, субарктика	Много лек	Нисък	Нисък	Затворен твърд диелектрик	Риск от втечняване на SF6; приемливо на открито, ако има достатъчно пролуки
Тропическа дъждовна гора	Леко и средно	Много висока	Много висока	Затворен	Непрекъснато високата влажност + високата GFD оправдават затворената премия

Как се съпоставят затворените и отворените външни конструкции на LBS по отношение на критичните показатели за надеждност?

След като е установена зависимостта от околната среда, сравнението на надеждността по пет критични показателя за ефективност разкрива количествената величина на проектната разлика - и условията, при които разликата е значителна в експлоатационно отношение и незначителна.

Показател за надеждност 1: честота на непланираните повреди

Данните за надеждността на място, получени от оператори на разпределителни мрежи в различни среди, показват, че честотата на непланираните повреди на отворените конструкции LBS надвишава тази на затворените конструкции в тежки среди - но големината на разликата варира драстично в зависимост от тежестта на околната среда:

Околна среда	Честота на повредите в открити помещения (на единица за година)	Честота на повредите в затворени помещения (на единица за година)	Коефициент на надеждност
Вътрешни селски райони, умерен климат	0.008	0.006	1.3×
Крайбрежна зона, умерено замърсяване	0.035	0.009	3.9×
Тежка промишленост, високо замърсяване	0.078	0.011	7.1×
Тропическо крайбрежие, много силно замърсяване	0.142	0.013	10.9×

В благоприятна вътрешна селска среда разликата в надеждността на конструкциите е скромна - 1,3 пъти по-ниската честота на повредите на затворената конструкция не оправдава надбавката за капиталови разходи за 40-120% за повечето мрежови оператори. В тропическа крайбрежна среда с много силно замърсяване разликата в надеждността от 10,9 пъти представлява основно оперативно различие - откритият дизайн изисква бюджет за поддръжка и подмяна, който в рамките на 5-7 години надхвърля премията за капиталови разходи на закрития дизайн.

Метрика за надеждност 2: Степен на влошаване на характеристиките на изолацията

Разрушаване на изолацията при проектиране на открито:
Ефективността на изолацията на откритите блокове LBS се влошава непрекъснато от момента на пускане в експлоатация, тъй като по повърхностите на изолатора се натрупва замърсяване. Скоростта на влошаване е специфична за околната среда, но следва предвидима крива на натрупване:

$ESDD(t) = ESDD_{годишен} \време t \време (1 - e^{-t/\tau_{насищане}})$

Къде: $ESDD_{годишен}$ е годишната степен на натрупване на замърсяване, а $\tau_{насищане}$ е времевата константа за насищане на замърсяването (обикновено 3-5 години). След насищането ESDD се стабилизира на ниво, което се определя от баланса между натрупването и естественото измиване от валежите.

Изолационни характеристики на затворената конструкция:
Изолационните характеристики на затворената конструкция не се влошават с натрупването на замърсяване - механизмите на влошаване се ограничават до:

• Загуба на налягане на газ SF6 (конструкции SF6) - открива се чрез наблюдение на налягането преди да се отрази на работата
• Разрушаване на уплътнението на корпуса (конструкции със затворен въздух) - открива се чрез мониторинг на вътрешната влажност
• Стареене на твърдата изолация (конструкции с твърд диелектрик) - изключително бавно; незначително за 25-годишен експлоатационен живот

Метрика за надеждност 3: Степен на деградация на контактното съпротивление

Намаляването на контактното съпротивление при външните конструкции на LBS следва различни траектории за двете фамилии конструкции:

Траектория на съпротивлението при контакт на открито:

$R_{contact}(t) = R_{commissioning} \времена (1 + k_{env} \времена t^{0,5})$

Къде: $k_{env}$ е константа на разграждане, специфична за околната среда:

• Вътрешни селски райони: $k_{\text{env}} = 0.03\,\text{year}^{0.5}$
• Умерено крайбрежно: $k_{\text{env}} = 0.08\,\text{year}^{0.5}$
• Тропическо тежко замърсяване: $k_{\text{env}} = 0.18\,\text{year}^{0.5}$

За умерена крайбрежна среда, съпротивление на контакта на 10-та година:
$R_{contact}(10) = R_{commissioning} \ пъти (1 + 0,08 \ пъти \sqrt{10}) = 1,25 \ пъти R_{commissioning}$

Траектория на съпротивлението на контакта при затворен дизайн:
Съпротивлението на контактите в затворени конструкции се влошава главно с броя на циклите на превключване, а не с времето - скоростта на влошаване, независима от околната среда, е приблизително:

$R_{contact}(N) = R_{commissioning} \ пъти (1 + 0,0001 \ пъти N^{0,7})$

Къде: $N$ е кумулативният брой на циклите на превключване. За захранващо устройство, което се превключва 50 пъти годишно в продължение на 10 години (500 цикъла):
$R_{contact}(500) = R_{commissioning} \(1 + 0,0001 \times 500^{0,7}) = 1,04 \times R_{commissioning}$

Практически последици: В крайбрежна и тропическа среда съпротивлението на контактите на открито достига прага за поддръжка на 150% за 5-8 години; съпротивлението на затворените контакти достига същия праг след 15 000-20 000 цикъла на превключване - праг, до който повечето разпределителни захранвания не се доближават в рамките на 25-годишен експлоатационен живот.

Метрика за надеждност 4: Сравнение на интервалите за поддръжка

Дейност по поддръжка	Открит въздух (доброкачествен)	Открит въздух (тежък)	Затворени (за всички среди)
Почистване на изолатора	На всеки 5 години	На всеки 6-12 месеца	Не се изисква
Измерване на контактното съпротивление	На всеки 3 години	На всеки 2 години	На всеки 5 години
Проверка на контактната повърхност	На всеки 5 години	На всеки 2 години	На всеки 10 години
Смазване на работния механизъм	На всеки 5 години	На всеки 3 години	На всеки 10 години
Изпитване на устойчивостта на изолацията	На всеки 5 години	На всеки 3 години	На всеки 10 години
Проверка на налягането на SF6	Не е приложимо	Не е приложимо	Годишно (само за конструкции SF6)
Проверка на уплътнението на корпуса	Не е приложимо	Не е приложимо	На всеки 5 години (конструкции със запечатан въздух)
Пълна подмяна на устройството (очаква се)	Година 15-20 (тежка)	8-12 клас (тежко)	20-25 г.

Случай на клиент, който демонстрира разликата в интервалите за поддръжка: Мениджър на мрежови активи в разпределителна компания във Филипините, която управлява мрежа от 13,8 kV въздушни линии в крайбрежен индустриален коридор, се свързва с Bepto, за да оцени решението за подмяна на 340 открити LBS устройства. Данните за поддръжката показват, че откритите блокове изискват почистване на изолатора на всеки 8 месеца и интервенция на контактното съпротивление на всеки 18 месеца - генерирайки годишни разходи за поддръжка на блок, които надхвърлят 35% от първоначалната капиталова стойност на блока. Средната продължителност на експлоатационния живот на парка преди подмяната е 11,3 години, при проектна цел от 20 години. Анализът на жизнения цикъл на Bepto показа, че замяната на открития парк с твърдодиелектрически затворени единици - с надбавка от 75% за капиталови разходи - ще намали годишните разходи за поддръжка на единица с 82% и ще удължи очаквания експлоатационен живот до 22 години. Нетната настояща стойност на затворения дизайн за 20 години е с 31% по-ниска от алтернативата с открити двигатели при дисконтов процент 8%, въпреки по-високите капиталови разходи.

Метрика за надеждност 5: Време за възстановяване след повреда

При повреда на външно LBS устройство - независимо дали е вследствие на избухване на изолацията, повреда на контактния възел или механична повреда - времето за възстановяване след повредата определя продължителността на прекъсването на доставките за клиентите надолу по веригата. Този показател дава предимство на различни конструкции в зависимост от начина на повреда:

• Възпламеняване на изолацията (на открито): Ако проблясъкът е повърхностен проблясък без физическа повреда, устройството може да се възстанови след отстраняване на повредата и изсъхване на повърхността - не е необходима замяна. Време за възстановяване: 30 минути до 4 часа
• Пробиване на изолацията (на открито или в затворено помещение): Физическа повреда на тялото на изолатора изисква подмяна на устройството - време за възстановяване: 4-24 часа в зависимост от наличността на резервно устройство и достъпа до него
• Повреда на контактния възел (на открито): Необходима е подмяна на устройството - време за възстановяване: 4-24 часа
• Загуба на налягане на SF6 (затворен SF6): Ако мониторингът открие повреда в изолацията, възстановяването изисква доливане на газ или подмяна на устройството - време за възстановяване: 2-8 часа с реакция на екип по поддръжката
• Повреда на твърдодилектричен корпус: Необходима е пълна подмяна на устройството - време за възстановяване: 4-24 часа

Ключовото предимство на затворените конструкции по отношение на времето за възстановяване: Възможностите за мониторинг на затворените конструкции - мониторинг на налягането на SF6, мониторинг на вътрешната влажност - позволяват предварително откриване на повреди, което позволява планирана намеса при поддръжката, а не аварийна подмяна, превръщайки непланираните прекъсвания в планирани прекъсвания със значително по-кратка продължителност на прекъсването на работата на клиента.

Какъв модел на разходите за целия жизнен цикъл определя икономическата точка на прехода между затворените и откритите LBS на открито?

20-годишният модел на общите разходи за притежание

Икономическата точка на пресичане - нивото на тежест за околната среда, над което затвореният дизайн осигурява по-ниски 20-годишни общи разходи за притежание въпреки по-високите си капиталови разходи - се определя от четири елемента на разходите:

$TCO_{20} = C_{capital} + C_{поддръжка} + C_{подмяна} + C_{outage}$

Къде:

• $C_{capital}$ = първоначални разходи за закупуване и инсталиране
• $C_{поддръжка}$ = натрупване на труд и материали за поддръжка за 20 години
• $C_{замяна}$ = разходи за подмяна на единици поради повреда или изхабяване в рамките на 20 години
• $C_{outage}$ = разходи за прекъсване на доставките поради непланирани аварии (обезщетения за клиентите, регулаторни санкции, пропуснати приходи).

Сравнение на TCO по тип среда

Елемент на разходите	Открит въздух (доброкачествен)	Открит въздух (тежък)	Затворен (доброкачествен)	Затворен (тежък)
Капиталови разходи (индекс)	1.00	1.00	1.70	1.70
20-годишни разходи за поддръжка	0.45	2.80	0.18	0.22
20-годишни разходи за подмяна	0.30	1.60	0.15	0.20
20-годишни разходи за прекъсване	0.12	0.95	0.05	0.08
20-годишна TCO (индекс)	1.87	6.35	2.08	2.20

Заключение за кросоувър:

• Благоприятна среда: TCO на открито (1,87) < TCO на закрито (2,08) - дизайнът на открито осигурява по-ниски разходи през целия жизнен цикъл; премията за капиталови разходи на затворения дизайн не се възстановява
• Тежка среда: TCO на открито (6,35) >> TCO на закрито (2,20) - закритият дизайн осигурява 65% по-ниски разходи през целия жизнен цикъл; премията за капиталови разходи се възстановява в рамките на 4-6 години

Прагът на околната среда за преминаване

Точката на пресичане - при която ТСО на затворен и отворен тип са равни - се появява при годишни разходи за поддръжка на единица от приблизително 18-22% от капиталовите разходи на единицата на отворен тип. Този праг съответства на:

• Честота на почистване на изолатора, надвишаваща веднъж на 18 месеца, или
• Честота на интервенциите при контактна резистентност, надвишаваща веднъж на 24 месеца, или
• Честота на непланираните повреди, надвишаваща 0,025 повреди на единица годишно

Всеки участък от разпределителен тръбопровод, при който текущите данни за поддръжката показват превишаване на някой от тези прагове, е икономически обоснован кандидат за подмяна на затворената конструкция - премията за капиталовите разходи ще бъде възстановена през първите 5-7 години от експлоатационния живот на затворената конструкция.

Интегриране на модернизацията на мрежата: Затвореният дизайн като фактор за модернизация на мрежата

Проектите за модернизация на мрежата, които увеличават натоварването на линиите или разширяват разпределителните линии в по-тежки условия, променят работната точка на всяка външна LBS в коридора за модернизация - потенциално изтласквайки устройствата от под прага на пресичане към над него. Независимата от околната среда надеждност на затворения дизайн го прави предпочитана спецификация за проекти за модернизация на мрежата, при които:

• Натоварването след модернизацията увеличава повишаването на температурата на контакта, като намалява топлинния запас на контактните възли с отворен въздух.
• Модернизацията на мрежата разширява линиите в крайбрежни, промишлени или тропически райони с по-висока степен на замърсяване в сравнение със съществуващата мрежа
• Автоматизацията на модернизацията на мрежата изисква възможност за дистанционно превключване - затворените конструкции с моторизирани механизми осигуряват интеграция със SCADA и защита на затворения механизъм, която не може да бъде постигната при тежки условия на работа.

Втори клиентски случай демонстрира стойността на интеграцията на обновяването на мрежата. Инженер по проекта за модернизация на мрежата в разпределителна компания във Виетнам определя външни устройства LBS за модернизация на мрежата 22 kV, която удължава съществуваща вътрешна селска линия на 45 km до крайбрежна индустриална зона. Вътрешният селски участък (28 км) е имал открити LBS устройства със задоволителна надеждност - годишни разходи за поддръжка под прага на пресичане. Новият крайбрежен промишлен участък (45 km) е имал измерени нива на ESDD от 0,35-0,65 mg/cm² - класификация за тежко замърсяване по IEC 60815-1. Анализът на жизнения цикъл на Bepto препоръча открити агрегати с полимерни изолатори с висока степен на утечка за вътрешната селска отсечка (под прага на пресичане) и закрити агрегати с твърд диелектрик за крайбрежната промишлена отсечка (над прага на пресичане). Диференцираната спецификация добавя 18% към външната позиция на LBS в сравнение с единната спецификация за открити инсталации - а моделът на жизнения цикъл прогнозира 20-годишно спестяване на TCO от 44% в крайбрежния участък в сравнение с алтернативата за открити инсталации, като капиталовата премия се възстановява за 5,2 години.

Заключение

Сравнението на надеждността между затворените и откритите външни конструкции на LBS се свежда до един-единствен принцип: надбавката за капиталови разходи на затворената конструкция е икономически оправдана само и единствено когато екологичната тежест на мястото на инсталиране води до разходи за поддръжка и подмяна на откритите конструкции, които надвишават надбавката през първите 5-7 години на експлоатация. В благоприятна вътрешна среда със слабо замърсяване, ниска влажност и умерено излагане на мълнии, откритата конструкция осигурява еквивалентна надеждност при по-ниски общи разходи за целия жизнен цикъл - а предимствата на закритата конструкция са реални, но недостатъчни, за да преодолеят недостатъчните капиталови разходи. В крайбрежна, тропическа, промишлена и силно замърсена среда изолационните характеристики на откритата конструкция се влошават до ниво, което води до тежест при поддръжката, честота на непланираните повреди и цикли на подмяна, които превръщат капиталовата премия на закритата конструкция 40-120% в разумна икономическа инвестиция, която се възстановява през първата четвърт от експлоатационния живот на конструкцията. Измервайте ESDD на всяко място за инсталиране на LBS на открито, преди да определите фамилията конструкции, прилагайте праговия анализ на TCO, за да идентифицирате участъците, където затворената конструкция е икономически обоснована, определяйте затворените конструкции с твърд диелектрик за арктически приложения, където рискът от втечняване на SF6 елиминира варианта с газова изолация, интегрирайте спецификацията на затворената конструкция във всеки проект за модернизация на мрежата, който разширява линиите в зони с по-висока степен на замърсяване, и използвайте възможностите за мониторинг на затворената конструкция, за да превърнете непланираните прекъсвания в планирани интервенции за поддръжка - това е цялостната дисциплина, която съответства на избора на външна конструкция на LBS с реалността на околната среда и осигурява най-ниските общи разходи за целия жизнен цикъл през целия 20-25-годишен експлоатационен хоризонт на електроразпределението.

Често задавани въпроси относно надеждността на затворените и откритите LBS на открито

1. “Обща цена на притежание (TCO)”, https://www.investopedia.com/terms/t/totalcostofownership.asp. Финансова оценка, предназначена да помогне на купувачите и собствениците да определят преките и непреките разходи за даден продукт или система. Evidence role: general_support; Source type: standard. Подкрепя: обща цена на притежание за 20-25-годишен период на експлоатация. ↩

2. “Разстояние на пълзене”, https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/creepage-distance. Определение и технически преглед на разстоянието на приплъзване в електрическата изолация. Evidence role: general_support; Source type: standard. Подкрепа: Разстояние на пълзене в изолатора. ↩

3. “IEC 60815-1 издание 1.0”, https://webstore.iec.ch/publication/3565. Избор и оразмеряване на високоволтови изолатори, предназначени за използване в замърсени условия. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Опори: оразмерени съгласно IEC 60815-1 за нивото на замърсяване. ↩

4. “Замърсяване на изолатори”, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/9780470496251.app1. Анализ на плътността на еквивалентните солни отлагания и влиянието им върху прегряването на изолатора. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: намалява с увеличаване на ESDD (еквивалентна плътност на солевия депозит). ↩

5. “IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation”, https://ieeexplore.ieee.org/document/8695026. Изследване на характеристиките на разпадане на SF6 при ниски температури. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепа: риск от втечняване на SF6. ↩