Suletud vs. avatud konstruktsioonid: LBS-i töökindluse võrdlus välitingimustes

Sissejuhatus

Valik kinnise ja vabaõhu koormuslüliti konstruktsiooni vahel on üks kõige olulisematest töökindlusega seotud otsustest elektrivõrgu planeerimisel, kuid seda tehakse tavaliselt ainult kapitalikulude alusel, ilma keskkonnatingimuste, isolatsioonitehniliste nõuete ja elutsükli hoolduse ökonoomsuse struktureeritud hindamiseta, mis määrab, milline konstruktsioon annab madalama hinnaga elektrikatkestuse. omandiõiguse kogukulu¹ 20-25 aasta perspektiivis. Avatud välitingimustes kasutatavad LBS-konstruktsioonid on aastakümneid domineerinud jaotusliinide paigaldamisel madalama ühikuhinna, lihtsama posti paigaldamise ja lihtsa visuaalse kontrolli tõttu - eelised, mis on reaalsed ja olulised heas keskkonnas, kus on vähe saastumist, madalat niiskust ja mõõdukat välkkiirgust. Suletud konstruktsioonidel - kas SF6-isoleeritud, tahke dielektriline või õhuga isoleeritud ja suletud korpusega - on kapitalikulu 40-120% võrra suurem kui samaväärsetel vabaõhu seadmetel, mis on majanduslikult põhjendatud teatud keskkonnatingimustes ja majanduslikult põhjendamatu muudes tingimustes. Võrdlus töökindluse kohta suletud ja vabaõhu LBS-konstruktsioonide vahel ei ole universaalne otsus kummagi tehnoloogia kasuks - see on keskkonnaspetsiifiline analüüs, mis määrab kindlaks piirpunkti, kus suletud konstruktsiooni parem isolatsioonivõime ja vähendatud hooldusvajadus annavad elutsükli kokkuhoiu, mis ületab kapitalikulude lisatasu, ning tingimused, kus vabaõhu konstruktsiooni lihtsus ja madalam maksumus annavad samaväärse töökindluse madalama koguinvesteeringu juures. Elektrijaotuse inseneridele, võrgu varade haldajatele ja elutsükli planeerimisrühmadele, kes vastutavad LBSi välitingimustes asustamise otsuste eest, pakub see võrdlus tehnilist raamistikku, andmeid isolatsioonivõime kohta ja elutsükli kulude mudelit, mis muudab keskkonnahindamise andmed kaitstavaks konstruktsiooni valikuks.

Sisukord

• Millised on põhimõttelised erinevused suletud ja vabaõhu LBS-i vahel ja kuidas need mõjutavad soojustuse tulemuslikkust?
• Kuidas keskkonnatingimused määravad suletud ja vabaõhu LBS-konstruktsioonide suhtelise usaldusväärsuse?
• Kuidas võrdlevad suletud ja vabaõhu LBS-konstruktsioonid kriitiliste töökindluse näitajate osas?
• Milline elutsükli kulumudel määrab kindlaks majandusliku üleminekupunkti suletud ja vabaõhu LBSi vahel?

Millised on põhimõttelised erinevused suletud ja vabaõhu LBS-i vahel ja kuidas need mõjutavad soojustuse tulemuslikkust?

Erinevus töökindluse osas suletud ja vabaõhu LBS-konstruktsioonide vahel tuleneb ühest arhitektuurilisest otsusest: kas pingestatud osad - kontaktid, juhid ja isolatsioon - on väliskeskkonnast eraldatud suletud korpusega või on sellega avatud. Kõik muud erinevused kahe konstruktsiooniperekonna toimivuses tulenevad sellest põhierinevusest.

Vabaõhu LBS: arhitektuur ja isolatsioonimehhanism

Avatud välitingimustes kasutatavas LBSis kasutatakse õhku kui peamist isolatsioonikeskkonda pinge all olevate osade ja faaside vahel. Selle konstruktsiooni isolatsioonivõime sõltub järgmistest asjaoludest:

• Õhuvahede geomeetria: Füüsiline eraldus pinge all olevate osade vahel - faas-faas ja faas-maa -, mis on dimensioneeritud nii, et tagada nõutav dielektriline vastupidavus puhtates, kuivades tingimustes vastavalt IEC 62271-103.
• Isolaator sõiduulatus²: Pinnalähedase tee pikkus piki isolaatorikehasid pinge all olevate ja maandatud osade vahel - mõõdetuna vastavalt IEC 60815-1 saastetaseme jaoks³ paigalduskeskkonna kohta
• Isolaatori materjal: portselan, klaas või polümeer (silikoonkumm) - igaühel neist on erinevad omadused saaste akumuleerumise ja hüdrofoobsuse suhtes.

Põhiline haavatavus: Vabaõhu isolatsiooni toimivus sõltub paigalduskohas valitsevatest ilmastikutingimustest - temperatuurist, niiskusest, saastumisest ja sademetest. Vabaõhu konstruktsiooni dielektriline vastupidavus niisketes, saastunud tingimustes võib olla 30-70% madalam kui selle puhas, kuiv nimiväärtus - vähenemine on prognoositav, mõõdetav ja püsiv isolaatori kasutusaja jooksul, kui saastumist füüsiliselt ei eemaldata.

Suletud välitingimustes kasutatav LBS: arhitektuur ja isolatsioonimehhanism

Suletud välitingimustes kasutatav LBS isoleerib voolu all olevad osad väliskeskkonnast suletud korpuses, kasutades ühte kolmest isolatsioonimeediumist:

SF6-isoleeritud suletud konstruktsioon:

• Isolatsioonikeskkond: Väävelheksafluoriidgaas rõhul 0,3-0,5 baari.
• Dielektriline tugevus: võimaldab oluliselt vähendada faasi-faasi ja faasi-maa vahekaugusi.
• Keskkonnaalane sõltumatus: SF6 dielektrilist tugevust ei mõjuta väline niiskus, saastumine või sademed - isolatsioonivõime on välitingimustest sõltumata konstantne.
• Rõhu jälgimine: Nõuab gaasirõhu seiresüsteemi - madala rõhu alarm käivitab hoolduse enne isolatsiooni toimivuse kahjustamist.

Tahke dielektriline suletud konstruktsioon:

• Isolatsioonikeskkond: Valatud epoksüvaik või ristseotud polüetüleen (XLPE), mis kapseldab kõik pinge all olevad osad.
• Dielektriline tugevus: Määratletud vaigu koostisega - tavaliselt 15-25 kV/mm epoksüvaigu puhul.
• Keskkonnaalane sõltumatus: Täielik - tahke isolatsioon ei mõjuta välistingimusi.
• Piirangud: Igasugune sisemine dielektriline rike nõuab seadme täielikku väljavahetamist.

Õhusolatsiooniga suletud korpuse konstruktsioon:

• Isolatsioonikeskkond: Kuiv õhk või lämmastik kerge ülerõhu juures suletud IP65 või IP67 korpuses.
• Dielektriline tugevus: Võrdne standardse õhuga, kuid säilitab nimivõimsuse saastumise ja niiskuse välistamise tõttu.
• Keskkonnaalane sõltumatus: Ülerõhk takistab niiskuse kondenseerumist.
• Piirangud: Tihendi terviklikkus peab säilima - korpuse tihendi lagunemine võimaldab niiskuse sissetungi, mis võib põhjustada kondenseerumist isolatsiooni sisepindadel.

IEC standardite toimivusnõuete võrdlus

Tulemuslikkuse parameeter	Standardviide	Vabaõhu kujundus	Suletud disain
Välguimpulsside taluvuspinge	IEC 62271-103 Cl. 6.2	Hinnatud LIWV puhastes kuivades tingimustes	Kõikides tingimustes säilitatud LIWV-nimiväärtus
Võimsuse sagedus talub pinget	IEC 62271-103 Cl. 6.2	Derateeritud niisketes saastunud tingimustes	Säilitatakse kõikides tingimustes
Saastuse taluvus	IEC 60815-1	Sõltub sõiduulatusest - keskkonnaspetsiifiline	Ei kohaldata - isolatsioon ei ole avatud
IP-kaitseklass	IEC 60529	Ei kohaldata - avatud konstruktsioon	Minimaalne IP65 kinnise korpuse puhul
Isolatsioonikeskkonna jälgimine	—	Ei nõuta	SF6 rõhu järelevalve, mis on nõutav gaasiga isoleeritud seadmete puhul
Temperatuurivahemik	IEC 62271-103 Cl. 2.1	-40°C kuni +40°C standard	-40°C kuni +40°C; SF6 veeldumisoht alla -30°C

Kontaktide kokkupaneku kaitse: Sekundaarse disaini erinevus

Lisaks isolatsioonikeskkonnale pakub suletud konstruktsioon teist töökindluse eelist - kontaktsõlme täielikku kaitset keskkonna eest. Avatud LBS-kontaktüksused puutuvad kokku järgmisega:

• Oksüdeerumine: Hõbeda pinnakate oksüdeerub niiskes, saastunud keskkonnas - see suurendab kontakttakistust aja jooksul kiirusega, mis on proportsionaalne atmosfääri saastatuse raskusastmega.
• Korrosioon: Ranniku soolapritsmed ja tööstuslike kemikaalide aurud ründavad kontaktvedrude materjale ja lõppseadmeid - kiirendades mehaanilist lagunemist.
• Bioloogiline kasv: Putukad, linnud ja taimestik rajavad troopilises keskkonnas avatud kontaktsõlmedesse - põhjustades isolatsiooni saastumist ja mehaanilisi häireid.

Suletud konstruktsioon välistab kõik kolm kokkupuutemehhanismi - kontakttakistuse lagunemine suletud seadmetes tuleneb pigem töökorras kulumisest (lülitamistsüklid) kui keskkonnaga kokkupuutest, mistõttu on lagunemise kulgemine prognoositavam ja aeglasem.

Kuidas keskkonnatingimused määravad suletud ja vabaõhu LBS-konstruktsioonide suhtelise usaldusväärsuse?

Suletud konstruktsiooni suhteline töökindluse eelis vabaõhu konstruktsiooni ees ei ole konstantne - see kasvab vastavalt keskkonna raskusele. Heas keskkonnas on töökindluse erinevus väike ja suletud konstruktsiooni kapitalikulude lisatasu on raske õigustada. Rasketes tingimustes on erinevus töökindluse osas suur ja suletud konstruktsiooni ökonoomsus muutub veenvaks.

Keskkonnategur 1: saastatuse raskusaste

Saastumine on ainus keskkonnategur, mis mõjutab kõige rohkem LBS-i töökindlust - ja tegur, mis eristab kõige tugevamalt kahte konstruktsiooniperekonda.

Saastuse mõju LBS-i isolatsiooni toimivusele vabas õhus:

Vabaõhu isolaatori märgsaastumise ülekuumenemispinge väheneb, kui suureneb ESDD (ekvivalentne soola ladestumise tihedus)⁴ vastavalt:

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

Isolaatori puhul, mille kuiva leekpinge on 150 kV ja ESDD võrdlusväärtus on 0,01 mg/cm²:

ESDD (mg/cm²)	Niiske ülevoolupinge (kV)	Vähendamine alates kuivast
0,01 (väga kerge)	150 kV	0%
0,05 (kerge)	122 kV	19%
0,20 (keskmine)	99 kV	34%
0,50 (raske)	85 kV	43%
1.00 (väga raske)	73 kV	51%

Suletud konstruktsioon on selle lagunemismehhanismi suhtes täiesti immuunne. - korpuse välispinnal olev saastumine ei mõjuta sisemist isolatsioonivõimet.

Keskkonnategur 2: niiskus ja troopiline kliima

Kõrge õhuniiskus - mis on määratletud kui suhteline õhuniiskus, mis on pidevalt üle 85% - kiirendab kolme lagunemismehhanismi vabaõhu LBS-konstruktsioonides:

• Kondensatsioon isolaatori pinnal: Hommikune kondenseerumine külmale isolaatoripinnale tekitab elektrit juhtiva veekile, mis vähendab leekpinge taset märja saastatuse tasemeni ka ilma vihmahoogudeta.
• Hõbeda kiirendatud oksüdeerumine: Kõrge õhuniiskus kiirendab hõbeoksiidi moodustumist kontaktpindadel - see suurendab kontakttakistust 3-5× kiiremini kui madala õhuniiskusega keskkonnas.
• Vedrumaterjalide korrosioon: Roostevabast terasest vedrude väsimuse eluiga väheneb 20-40% pidevalt niiskes keskkonnas pingekorrosiooni pragunemismehhanismide tõttu.

Suletud konstruktsiooni niiskuskindlus: SF6-isoleeritud ja tahke dielektriline suletud konstruktsioon on täiesti immuunne niiskuse mõju suhtes isolatsiooni toimivusele. Õhuga isoleeritud suletud korpuse konstruktsioonid säilitavad niiskuskindluse seni, kuni korpuse tihendi terviklikkus säilib - tihendi kontrollimine on selle konstruktsioonivariandi puhul troopilises keskkonnas kriitiline hooldustegevus.

Keskkonnategur 3: äikese esinemine

Kõrge välgutihedus (GFD) keskkondades on välitingimustes kasutatavad LBS-seadmed sagedamini seotud välgupaiskumistega - see suurendab liigpingepeatrite poolt neelatud kumulatiivset liigpingeenergiat ja välgupaiskumisjärgse rikke kustutamise sagedust, mis paneb LBS-kontaktüksuse kontaktile kaarenergiat.

Disaini mõju: Nii suletud kui ka avatud konstruktsioon nõuab korrektselt kooskõlastatud liigpingekaitseid - suletud konstruktsioon ei välista vajadust välise liigpingekaitse järele. Siiski annab suletud konstruktsiooni parem isolatsioonivõime suurema varu ülepingekaitse taseme ja seadme välkkiirte impulsspinge (LIWV) vahel - see tähendab, et kaitsmete koordineerimisvead või kaitsmete lagunemine, mis põhjustaks välise isolaatori ülevoolu, võib jääda suletud konstruktsiooni vastupidavuse piiresse.

Kvantitatiivne marginaalide erinevus:

12 kV süsteemi puhul, mille liigpinge piiraja jääkpinge on 35 kV 10 kA tühjenemise korral:

• Vabaõhu LBS LIWV: 75 kV → kaitsevaru: 75 - 35 = 40 kV (53% varu)
• Suletud SF6 LBS LIWV: 95 kV (kõrgem SF6 isolatsiooni tõttu) → kaitsevaru: 95 - 35 = 60 kV (63% varu)

Suletud konstruktsiooni suurem kaitsevaru võimaldab suuremat kaitsevaru vähenemist enne kaitsevaru kadumist, mis annab pikema akna kaitseseadme hooldusse sekkumiseks enne rikkejuhtumi tekkimist.

Keskkonnategur 4: äärmuslikud temperatuurid

Külma kliimaga seotud kaalutlused:
SF6 gaas vedeldub temperatuuril alla -30 °C standardse täiterõhu juures - see on kriitiline piirang SF6-ga isoleeritud suletud konstruktsioonide puhul arktilistes või subarktilistes jaotusvõrkudes. Kui temperatuur on madalam kui veeldumistemperatuur, langeb gaasi rõhk ja SF6 atmosfääri dielektriline tugevus väheneb. Leevendamisvõimalused on järgmised:

• SF6 täitmisrõhu suurendamine (tõstab veeldumistemperatuuri, kuid suurendab korpuse nimirõhu nõuet)
• SF6/N2 gaasisegu kasutamine (madalam veeldumistemperatuur, kuid vähenenud dielektriline tugevus rõhuühiku kohta)
• Tahke dielektrilise suletud konstruktsiooni määramine arktilisteks rakendusteks - ei ole veeldumisohtu

Kuuma kliimaga seotud kaalutlused:
Keskkonnatemperatuurid üle 40 °C nõuavad nii vabaõhu kui ka suletud LBSi nimivoolu vähendamist vastavalt IEC 62271-1 - vähendusfaktor on mõlema konstruktsiooniperekonna puhul identne. Kõrge keskkonnatemperatuuriga keskkondades tuleb siiski hinnata suletud konstruktsiooni sisetemperatuuri tõusu: suletud korpus vähendab soojuse hajutamist võrreldes avatud konstruktsiooniga ja sisetemperatuur võib ületada kontaktseadme soojusklassi nimivoolu korral kõrgetes keskkonnatingimustes.

Äärmiselt külma puhul on oht, et SF6 vedeldamine⁵ tuleb arvestada projekteerimise valikul, et tagada katkematu teenus.

Keskkonnaalane valiku maatriks

Keskkonna tüüp	Saastumine	Niiskus	GFD	Soovitatav disain	Põhjendus
Sisemaa maaelu, parasvöötme	Väga kerge-kerge	Madal	Madal	Vabaõhu	Soodsad tingimused; kapitalikulude eelis on määrav
Rannikuala, troopiline	Raske-suuresti raske	Kõrge	Mõõdukas	Suletud	Saastumise + niiskuse kombinatsioon välistab vabaõhu usaldusväärsuse eelise
Tööstuslik koridor	Keskmise raskusega	Muutuv	Madal-mõõduline	Suletud	Keemiline saastumine kiirendab lagunemist vabas õhus.
Kõrb, kuiv	Kerge-keskmine	Väga madal	Kõrge	Vabaõhu (suur roomavus)	Madal õhuniiskus välistab märja saastumise riski; kõrge roomavus talub tolmu
Arktika, subarktika	Väga kerge	Madal	Madal	Tahke dielektriline suletud	SF6 veeldumisoht; vabaõhulähedane vastuvõetav, kui pragu on piisav.
Troopiline vihmamets	Kerge-keskmine	Väga kõrge	Väga kõrge	Suletud	Pidev kõrge õhuniiskus + kõrge GFD õigustab suletud lisatasu.

Kuidas võrdlevad suletud ja vabaõhu LBS-konstruktsioonid kriitiliste töökindluse näitajate osas?

Kui keskkonnasõltuvus on kindlaks tehtud, näitab usaldusväärsuse võrdlus viie kriitilise toimivusnäitaja lõikes, milline on projekteeritud erinevuse kvantitatiivne suurus ja millistel tingimustel on erinevus operatiivselt oluline või tühine.

Töökindluse mõõdik 1: plaanivälise rikke määr

Erinevates keskkondades tegutsevate jaotusvõrgu operaatorite andmed töökindluse kohta näitavad järjekindlalt, et vabaõhu LBS-konstruktsioonide plaanivälise rikke määr ületab rasketes keskkondades suletud konstruktsioonide määra, kuid erinevuse suurus varieerub oluliselt sõltuvalt keskkonna raskusest:

Keskkond	Vabaõhurikkumiste määr (ühiku kohta aastas)	Suletud rikke määr (ühiku kohta aastas)	Usaldusväärsuse suhe
Sisemaa maaelu, parasvöötme	0.008	0.006	1.3×
Rannikuala, mõõdukas saastumine	0.035	0.009	3.9×
Raske tööstuslik, kõrge saastatuse tase	0.078	0.011	7.1×
Troopiline rannikuala, väga tugev saastumine	0.142	0.013	10.9×

Maapiirkondade sisemaa keskkonnas on konstruktsioonide töökindluse erinevus tagasihoidlik - suletud konstruktsiooni 1,3 korda madalam rikkejuhtumite määr ei õigusta enamiku võrguoperaatorite jaoks 40-120% kapitalikulude lisatasu. Troopilistes rannikukeskkondades, kus on väga suur saastatus, on 10,9-kordne töökindluse erinevus oluline erinevus - avatud konstruktsioon nõuab hooldust ja asendamist, mis on 5-7 aasta jooksul väiksem kui suletud konstruktsiooni kapitalikulude lisatasu.

Usaldusväärsuse mõõdik 2: isolatsiooni jõudluse halvenemise määr

Vabaõhu konstruktsiooni isolatsiooni halvenemine:
Vabaõhu LBS-üksuste isolatsioonivõime halveneb pidevalt alates kasutuselevõtust, kuna isolaatorite pinnale koguneb saastet. Lagunemise kiirus on keskkonnast sõltuv, kuid järgib prognoositavat akumulatsioonikõverat:

$ESDD(t) = ESDD_{annual} \times t \times (1 - e^{-t/\tau_{küllastus}})$

Kus $ESDD_{aastane}$ on saastatuse aastane akumulatsioonimäär ja $\tau_{küllastus}$ on saastumise küllastumise ajaline konstant (tavaliselt 3-5 aastat). Pärast küllastumist stabiliseerub ESDD tasemel, mis on määratud akumuleerumise ja sademetega toimuva loomuliku pesemise tasakaaluga.

Suletud konstruktsiooni isolatsioonivõime:
Suletud konstruktsiooni isolatsioonivõime ei vähene koos saastumise kogunemisega - halvenemismehhanismid piirduvad järgmisega:

• SF6 gaasi rõhukadu (SF6 konstruktsioonid) - tuvastatav rõhu jälgimisega enne toimivuse mõjutamist
• Korpuse tihendi lagunemine (suletud õhu konstruktsioonid) - tuvastatav sisemise niiskuse seirega
• Tahke isolatsiooni vananemine (tahke dielektriline konstruktsioon) - äärmiselt aeglane; 25-aastase kasutusea jooksul on see tühine.

Töökindluse mõõdik 3: kontakttakistuse lagunemise määr

Kontakttakistuse vähenemine välitingimustes kasutatavates LBS-konstruktsioonides kulgeb kahe konstruktsiooniperekonna puhul erinevalt:

Vabaõhu kujunduse kontakttakistuse trajektoor:

$R_{Kontakt}(t) = R_{Komisjon} \ korda (1 + k_env} \ korda t^{0.5})$

Kus $k_{env}$ on keskkonnaspetsiifiline lagunemiskonstant:

• Sisemaa maaelu: $k_{\text{env}} = 0.03\,\text{year}^{0.5}$
• Rannikuala mõõdukas: $k_{\text{env}} = 0.08\,\text{year}^{0.5}$
• Troopiline raske saastumine: $k_{\text{env}} = 0.18\,\text{year}^{0.5}$

Mõõduka rannikukeskkonna puhul kontaktvastupidavus 10. aastal:
$R_{Kontakt}(10) = R_{Komisjon} \kordaja (1 + 0,08 \kordaja \sqrt{10}) = 1,25 \kordaja R_commissioning}$

Suletud konstruktsiooni kontakttakistuse trajektoor:
Kontakttakistus suletud konstruktsioonides väheneb peamiselt koos lülitustsüklite arvu, mitte ajaga - keskkonnast sõltumatu lagunemiskiirus on ligikaudu:

$R_{Kontakt}(N) = R_{Komisjon} \ korda (1 + 0.0001 \ korda N^{0.7})$

Kus $N$ on kumulatiivne lülitusringide arv. Söötja puhul, mida lülitatakse 50 korda aastas 10 aasta jooksul (500 tsüklit):
$R_{Kontakt}(500) = R_{Komisjon} \kordaja (1 + 0,0001 \kordaja 500^{0,7}) = 1,04 \kordaja R_käivitamise}$

Praktilised tagajärjed: Rannikualadel ja troopilistes tingimustes saavutab vabaõhukontaktide vastupidavus hoolduskünnise 150% 5-8 aasta jooksul; suletud kontaktide vastupidavus saavutab sama künnise 15 000-20 000 lülitusringi järel - see on künnis, mida enamik jaotusvõrke ei saavuta 25-aastase kasutusea jooksul.

Töökindluse mõõdik 4: hooldusintervalli võrdlus

Hooldustegevus	Vabaõhu (healoomuline)	Vabaõhu (raske)	Suletud (kõik keskkonnad)
Isolaatori puhastamine	Iga 5 aasta tagant	Iga 6-12 kuu tagant	Ei nõuta
Kontakttakistuse mõõtmine	Iga 3 aasta tagant	Iga 2 aasta tagant	Iga 5 aasta tagant
Kontaktpinna kontrollimine	Iga 5 aasta tagant	Iga 2 aasta tagant	Iga 10 aasta tagant
Töömehhanismi määrimine	Iga 5 aasta tagant	Iga 3 aasta tagant	Iga 10 aasta tagant
Isolatsioonitakistuse katse	Iga 5 aasta tagant	Iga 3 aasta tagant	Iga 10 aasta tagant
SF6 rõhu kontroll	Ei kohaldata	Ei kohaldata	Aastane (ainult SF6-konstruktsioonid)
Korpuse tihendi kontrollimine	Ei kohaldata	Ei kohaldata	Iga 5 aasta tagant (suletud õhumudelid)
Täielik seadme asendamine (eeldatavalt)	Aasta 15-20 (raske)	8.-12. klass (raske)	Aasta 20-25

Kliendi juhtum, mis näitab hooldusintervallide erinevust: Filipiinide jaotusvõrguettevõtja, kes haldab 13,8 kV õhuliinivõrku rannikuäärses tööstuskoridoris, võttis Bepto'ga ühendust, et hinnata 340 välitingimustes kasutatava LBS-seadme väljavahetamise otsust. Hoolduse andmed näitasid, et vabaõhuüksused vajasid iga 8 kuu järel isolaatorite puhastamist ja iga 18 kuu järel kontakttakistuse sekkumist - see tekitas aastased hoolduskulud ühe üksuse kohta, mis ületasid 35% üksuse algsest kapitalikulust. Seadmepargi keskmine kasutusiga enne väljavahetamist oli 11,3 aastat, samas kui projekteeritud eesmärk oli 20 aastat. Bepto elutsüklianalüüs näitas, et lahtiste seadmete asendamine tahkete dielektriliste kinniste seadmetega - 75% kapitalikulu lisakulu juures - vähendaks aastaseid hoolduskulusid seadme kohta 82% võrra ja pikendaks eeldatavat kasutusiga 22 aastani. Hoolimata kõrgematest kapitalikuludest oli suletud konstruktsiooni nüüdispuhasväärtus 20 aasta jooksul 31% madalam kui avatud alternatiivil, arvestades kommunaalettevõtte 8% diskontomäära.

Usaldusväärsuse mõõdik 5: Rikkejärgne taastumisaeg

Kui välise LBS-seadme rike tekib - kas isolatsiooni ülekuumenemise, kontaktüksuse kahjustuse või mehaanilise rikke tõttu - määrab rikkejärgne taastumisaeg järgnevate tarbijate varustuskatkestuse kestuse. See näitaja soodustab erinevaid konstruktsioone sõltuvalt rikke viisist:

• Isolatsiooni leekimine (vabaõhu): Kui tegemist on pinnaläbimurdega ilma füüsilise kahjustuseta, võib seade taastuda pärast rikke kõrvaldamist ja pinna kuivamist - asendamine ei ole vajalik. Taastumisaeg: 30 minutit kuni 4 tundi.
• Isolatsiooni läbilõige (avatud või suletud): Isolaatori korpuse füüsiline kahjustus nõuab seadme väljavahetamist - taastumisaeg: 4-24 tundi, sõltuvalt varuüksuse kättesaadavusest ja juurdepääsust.
• Kontakti koostekahjustus (vabaõhu): Nõuab seadme väljavahetamist - taastumisaeg: 4-24 tundi
• SF6 rõhukadu (suletud SF6): Kui see avastatakse seire abil enne isolatsiooni rikkeid, on taastamiseks vaja gaasi uuesti täita või seade välja vahetada - taastamise aeg: 2-8 tundi koos hooldusmeeskonna reageerimisega.
• Tahke dielektriline suletud rike: Nõuab seadme täielikku väljavahetamist - taastumisaeg: 4-24 tundi

Suletud konstruktsioonide peamine taastumisaja eelis: Suletud konstruktsioonide seirevõime - SF6 rõhu seire, sisemine niiskuse seire - võimaldab rikkete ennetavat avastamist, mis võimaldab plaanilist hooldustöid, mitte hädavahetust, muutes planeerimata seisakud planeeritud seisakuteks, mille katkestuse kestus on oluliselt lühem.

Milline elutsükli kulumudel määrab kindlaks majandusliku üleminekupunkti suletud ja vabaõhu LBSi vahel?

20-aastase kogukulu mudel

Majanduslik üleminekupunkt - keskkonnakahjulikkuse tase, mille ületamisel on suletud konstruktsiooni 20-aastane kogukulu vaatamata kõrgematele kapitalikuludele madalam - määratakse kindlaks nelja kuluelemendi alusel:

$TCO_{20} = C_{capital} + C_{hooldus} + C_{asendus} + C_{kulu}$

Kus:

• $C_{kapital}$ = esialgne hanke- ja paigalduskulu
• $C_{hooldus}$ = kumulatiivne hooldustöö ja -materjalid 20 aasta jooksul
• $C_{asendus}$ = rikke või kasutusea lõppemise tõttu 20 aasta jooksul toimuva seadme väljavahetamise kulud
• $C_{outage}$ = planeerimata riketest tingitud tarnekatkestuste kulud (kliendihüvitised, regulatiivsed trahvid, saamata jäänud tulu)

TCO võrdlus keskkonna tüübi järgi

Kuluelement	Vabaõhu (healoomuline)	Vabaõhu (raske)	Suletud (healoomuline)	Suletud (raske)
Kapitalikulud (indeks)	1.00	1.00	1.70	1.70
20-aastased ülalpidamiskulud	0.45	2.80	0.18	0.22
20-aastane asenduskulu	0.30	1.60	0.15	0.20
20-aastase seisaku maksumus	0.12	0.95	0.05	0.08
20 aasta TCO (indeks)	1.87	6.35	2.08	2.20

Crossover järeldus:

• Healoomuline keskkond: Vabaõhu TCO (1,87) < suletud TCO (2,08) - vabaõhu konstruktsioon annab väiksemad elutsükli kulud; suletud konstruktsiooni kapitalikulude lisatasu ei ole tagasi saadud.
• Raske keskkond: Avatud TCO (6,35) >> Suletud TCO (2,20) - suletud konstruktsioon annab 65% madalamad elutsükli kulud; kapitalikulude lisakulu katab end 4-6 aasta jooksul.

Keskkonnakünnise ületamine

Üleminekupunkt - kus suletud ja vabaõhu TCO on võrdsed - saavutatakse aastase hoolduskulu puhul, mis on ligikaudu 18-22% vabaõhuüksuse kapitalikulust. See künnis vastab:

• Isolaatorite puhastamise sagedus üle ühe korra 18 kuu jooksul, või
• Kontakttakistuse sekkumise sagedus üle ühe korra 24 kuu jooksul, või
• Planeerimata rikete määr, mis ületab 0,025 riket ühiku kohta aastas

Iga jaotusvõrgu lõik, kus praegused hooldusdokumendid näitavad, et mõni neist künnistest on ületatud, on majanduslikult põhjendatud kandidaat kinnise konstruktsiooni väljavahetamiseks - kapitalikulude lisatasu saadakse tagasi esimese 5-7 aasta jooksul kinnise konstruktsiooni kasutusaja jooksul.

Võrgustiku uuendamise integreerimine: Suletud konstruktsioon kui võrgu uuendamise võimaldaja

Võrguparandusprojektid, mis suurendavad liinikoormust või laiendavad jaotusvõrke raskematesse keskkondadesse, muudavad iga uuenduskoridoris asuva välise LBSi tööpunkti - see võib viia üksused ristumiskünnisest allapoole ja üle selle. Suletud konstruktsiooni keskkonnast sõltumatu töökindlus muudab selle eelistatud spetsifikatsiooniks võrgu uuendamise projektides, kus:

• Täiendusjärgne koormus suurendab kontakttemperatuuri tõusu, vähendades avatud kontaktsõlmede termilist varu
• Võrgustiku uuendamine laiendab liine ranniku-, tööstus- või troopikapiirkondadesse, kus saastumise raskusaste on suurem kui olemasolevas võrgus.
• Võrgu uuendamise automatiseerimine nõuab kauglülitusvõimet - mootoriga suletud konstruktsioonid pakuvad SCADA integratsiooni koos suletud mehhanismide kaitsega, mida avatud mootoriga konstruktsioonid ei suuda rasketes tingimustes saavutada.

Teine kliendijuhtum näitab võrgu uuendamise integreerimise väärtust. Vietnami jaotusvõrgu uuendamise projekti insener määras LBSi välisseadmed 22 kV võrgu uuendamiseks, millega pikendati olemasolevat sisemaa maapiirkonna liini 45 km kaugusele rannikuäärsesse tööstuspiirkonda. Sisemaal asuval maaüksusel (28 km) olid vabaõhu LBS-üksused, mille töökindlus oli rahuldav - iga-aastased hoolduskulud olid alla piiri. Uue rannikuäärse tööstusliini (45 km) mõõdetud ESDD tasemed olid 0,35-0,65 mg/cm² - IEC 60815-1 klassifikatsioon raske saastatuse kohta. Bepto elutsüklianalüüs soovitas sisemaise maa-ala lõigu jaoks (allpool piiriületuskünnist) kasutada kõrge läbilaskvusega polümeerisolaatoritega vabaõhuüksusi ja rannikuäärse tööstuslõike jaoks (üle piiriületuskünnise) tahke dielektrilisi suletud üksusi. Erinev spetsifikatsioon lisas 18% välitingimustes kasutatavatele LBS-eraldistele võrreldes ühtse vabaõhu spetsifikatsiooniga - ja elutsükli mudel prognoosis 20 aasta jooksul 44% TCO kokkuhoidu rannikuala osas võrreldes vabaõhu alternatiiviga, mis tasub kapitalipreemia tagasi 5,2 aasta jooksul.

Kokkuvõte

Suletud ja vabaõhu LBS-konstruktsioonide usaldusväärsuse võrdlemisel kehtib üks põhimõte: suletud konstruktsiooni kapitalikulude lisatasu on majanduslikult õigustatud siis ja ainult siis, kui paigalduskoha keskkonna tõsiduse tõttu tekivad vabaõhu hooldus- ja asenduskulud, mis ületavad lisatasu esimese 5-7 kasutusaasta jooksul. Heas sisemaa keskkonnas, kus on vähe saastumist, madalat niiskust ja mõõdukat välguga kokkupuudet, pakub vabaõhukonstruktsioon samaväärset töökindlust madalamate elutsükli kogukuludega - ja suletud konstruktsiooni eelised on reaalsed, kuid ebapiisavad, et ületada selle kapitalikulude puudujääki. Rannikualadel, troopilistes ja tööstuskeskkondades ning suure saastatuse korral väheneb avatud konstruktsiooni isolatsioonivõime tasemeni, mis põhjustab hoolduskulusid, ootamatuid rikkeid ja asendustsükleid, mis muudavad suletud konstruktsiooni 40-120% kapitalipreemia mõistlikuks majanduslikuks investeeringuks, mis tasub end tagasi esimese veerandi jooksul konstruktsiooni kasutusajast. Mõõtke enne konstruktsiooniperekonna määramist ESDD-d igas välitingimustes asuva LBSi paigalduskohas, kohaldage TCO-künnise analüüsi, et teha kindlaks lõigud, kus suletud konstruktsioon on majanduslikult põhjendatud, määrake tahke dielektriline suletud konstruktsioon arktiliste rakenduste jaoks, kus SF6 veeldumise oht välistab gaasiga isoleeritud variandi, integreerida suletud konstruktsiooni spetsifikatsioon igasse võrgu uuendamise projekti, mis laiendab liine kõrgematesse saastatuse raskusastme tsoonidesse, ja kasutada suletud konstruktsiooni seirevõimet, et muuta plaanivälised katkestused planeeritud hooldustöödeks - see on täielik distsipliin, mis sobitab LBSi väliskonstruktsiooni valiku keskkonnareaalsusega ja tagab madalaima elutsükli kogukulu kogu 20-25-aastase elektrienergia jaotamise teenindusperioodi jooksul.

Korduma kippuvad küsimused kinnise ja vabaõhu LBS-i usaldusväärsuse kohta

1. “Omaniku kogukulu (TCO)”, https://www.investopedia.com/terms/t/totalcostofownership.asp. Finantshinnang, mille eesmärk on aidata ostjatel ja omanikel määrata toote või süsteemi otseseid ja kaudseid kulusid. Tõendite roll: general_support; Allikatüüp: standard. Toetab: omandi kogukulu 20-25 aasta perspektiivis. ↩

2. “Creepage Distance”, https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/creepage-distance. Elektriisolatsiooni hiilimisdistantsi määratlus ja tehniline ülevaade. Tõendusmaterjali roll: general_support; Allikatüüp: standard. Toetused: Isolatsiooni libisemisdistants. ↩

3. “IEC 60815-1 väljaanne 1.0”, https://webstore.iec.ch/publication/3565. Saastunud tingimustes kasutamiseks mõeldud kõrgepinge isolaatorite valik ja dimensioneerimine. Tõendusmaterjali roll: standard; Allikatüüp: standard. Toetused: mõõtmed vastavalt IEC 60815-1 saastetasemele. ↩

4. “Isolaatorite reostuse ülejooks”, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/9780470496251.app1. Ekvivalentse soola ladestumise tiheduse analüüs ja selle mõju isolaatori leekimisele. Tõendite roll: mehhanism; Allikatüüp: teadusuuringud. Toetused: väheneb ESDD (ekvivalentse soolakihi tiheduse) suurenemisega. ↩

5. “IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation”, https://ieeexplore.ieee.org/document/8695026. SF6 lagunemisomaduste uurimine madalatel temperatuuridel. Tõendite roll: mehhanism; Allikatüüp: teadusuuringud. Toetab: SF6 veeldumise oht. ↩