Закрытые и открытые конструкции: Сравнение надежности для наружных LBS

Введение

Выбор между закрытой и открытой конструкцией выключателя нагрузки на открытом воздухе является одним из наиболее важных решений по надежности при планировании распределительных сетей. Тем не менее, выбор обычно делается только на основе капитальных затрат, без структурированной оценки условий окружающей среды, требований к характеристикам изоляции и экономичности обслуживания в течение всего жизненного цикла, которые определяют, какая конструкция обеспечивает более низкий уровень надежности. общая стоимость владения¹ в течение 20-25 лет эксплуатации. Открытые конструкции LBS на протяжении десятилетий доминировали в установках распределительных линий благодаря более низкой стоимости, простоте монтажа на столбах и легкости визуального контроля - преимуществам, которые реальны и значительны в благоприятных условиях с низким уровнем загрязнения, низкой влажностью и умеренным воздействием молнии. Закрытые конструкции - с изоляцией SF6, с твердым диэлектриком или с воздушной изоляцией и герметичным корпусом - имеют преимущество по капитальным затратам в 40-120% по сравнению с эквивалентными открытыми установками, что экономически оправдано в определенных условиях окружающей среды и неоправданно с эксплуатационной точки зрения в других. Сравнение надежности закрытых и открытых конструкций LBS не является универсальным вердиктом в пользу той или иной технологии - это анализ конкретных условий, определяющий точку пересечения, в которой превосходные характеристики изоляции закрытой конструкции и снижение потребности в обслуживании обеспечивают экономию жизненного цикла, превышающую надбавку к капитальным затратам, и условия, при которых простота и низкая стоимость открытой конструкции обеспечивают эквивалентную надежность при меньших общих инвестициях. Для инженеров по распределению электроэнергии, менеджеров сетевых активов и групп планирования жизненного цикла, ответственных за принятие решений о размещении LBS на открытом воздухе, это сравнение предоставляет техническую основу, данные о характеристиках изоляции и модель стоимости жизненного цикла, которые преобразуют данные экологической оценки в обоснованный выбор конструкции.

Оглавление

• Каковы фундаментальные конструктивные различия между закрытыми и открытыми LBS и как они влияют на эффективность изоляции?
• Как условия окружающей среды определяют относительную надежность закрытых и открытых конструкций LBS?
• Как сравниваются закрытые и открытые конструкции LBS по важнейшим показателям надежности?
• Какая модель стоимости жизненного цикла определяет экономическую точку пересечения между закрытыми и открытыми LBS?

Каковы фундаментальные конструктивные различия между закрытыми и открытыми LBS и как они влияют на эффективность изоляции?

Разница в надежности между закрытыми и открытыми конструкциями LBS, расположенными на открытом воздухе, заключается в единственном архитектурном решении: отделены ли токоведущие части - контакты, проводники и изоляция - от внешней среды герметичным корпусом или открыты для нее. Из этого фундаментального различия вытекают все остальные эксплуатационные характеристики двух семейств.

LBS под открытым небом: архитектура и механизм изоляции

Открытая наружная LBS использует атмосферный воздух в качестве основной изоляционной среды между токоведущими частями и между фазами. Изоляционные характеристики этой конструкции зависят от:

• Геометрия воздушного зазора: Физическое разделение между токоведущими частями - фаза-фаза и фаза-заземление - по размеру для обеспечения требуемой диэлектрической проницаемости в чистых, сухих условиях согласно IEC 62271-103
• Изолятор расстояние ползучести²: Длина пути по поверхности изоляторов между токоведущими и заземленными частями - размер по IEC 60815-1³ для уровня загрязнения среды установки
• Материал изолятора: Фарфор, стекло или полимер (силиконовая резина) - каждый из них имеет различные характеристики накопления загрязнений и гидрофобные свойства

Фундаментальная уязвимость: Характеристики изоляции на открытом воздухе зависят от атмосферных условий в месте установки - температуры, влажности, загрязнения и осадков. Диэлектрическая проницаемость открытой конструкции в условиях влажности и загрязнения может быть на 30-70% ниже номинального значения в чистом, сухом состоянии - снижение предсказуемое, измеримое и постоянное на протяжении всего срока службы изолятора, если загрязнение физически не удалено.

Закрытые наружные LBS: архитектура и механизм изоляции

Закрытая наружная система LBS изолирует токоведущие части от внешней среды в герметичном корпусе, используя одну из трех изоляционных сред:

Закрытая конструкция с изоляцией SF6:

• Изоляционная среда: газообразный гексафторид серы при манометрическом давлении 0,3-0,5 бар
• Диэлектрическая прочность: Приблизительно в 2,5 раза выше, чем у воздуха при атмосферном давлении - позволяет значительно уменьшить межфазные и межземные зазоры
• Независимость от окружающей среды: Диэлектрическая прочность SF6 не зависит от внешней влажности, загрязнения или осадков - характеристики изоляции остаются неизменными независимо от внешних условий
• Контроль давления: Требуется система контроля давления газа - сигнализация о низком давлении запускает техническое обслуживание до того, как характеристики изоляции будут нарушены

Закрытая конструкция с твердым диэлектриком:

• Изоляционная среда: Литая эпоксидная смола или сшитый полиэтилен (XLPE), изолирующий все токоведущие части
• Диэлектрическая прочность: Определяется составом смолы - обычно 15-25 кВ/мм для эпоксидной смолы
• Экологическая независимость: Полная - твердая изоляция не подвержена влиянию внешних условий
• Ограничения: Твердая изоляция не подлежит восстановлению - любое внутреннее повреждение диэлектрика требует полной замены устройства

Герметичная конструкция корпуса с воздушной изоляцией:

• Изолирующая среда: Сухой воздух или азот под небольшим положительным давлением в герметичном корпусе IP65 или IP67
• Диэлектрическая прочность: Эквивалентна стандартному воздуху, но поддерживается на номинальном уровне за счет исключения загрязнения и влаги
• Экологическая независимость: Высокая - герметичный корпус предотвращает проникновение загрязнений; положительное давление предотвращает конденсацию влаги
• Ограничения: Необходимо поддерживать целостность уплотнения - разрушение уплотнения корпуса допускает попадание влаги, которая может вызвать конденсацию на внутренних изоляционных поверхностях

Сравнение требований к производительности стандартов МЭК

Параметр производительности	Стандартная ссылка	Дизайн под открытым небом	Закрытый дизайн
Выдерживаемое напряжение импульса молнии	IEC 62271-103 Cl. 6.2	Номинальный уровень LIWV в чистых сухих условиях	Номинальный LIWV сохраняется при любых условиях
Выдерживаемое напряжение частоты питания	IEC 62271-103 Cl. 6.2	Выведено в условиях влажного загрязнения	Поддерживается в любых условиях
Стойкость к загрязнению	IEC 60815-1	Зависит от расстояния ползучести - зависит от среды	Не применимо - изоляция не подвергается воздействию
Класс защиты IP	IEC 60529	Не применимо - открытый дизайн	Минимальная степень защиты IP65 для герметичных корпусов
Контроль изоляционной среды	—	Не требуется	Контроль давления SF6, необходимый для газовой изоляции
Диапазон температур	IEC 62271-103 кл. 2.1	Стандарт от -40°C до +40°C	От -40°C до +40°C; риск разжижения SF6 при температуре ниже -30°C

Защита контактных узлов: Разница во вторичной конструкции

Помимо изоляционной среды, закрытая конструкция обеспечивает второе преимущество надежности - полную защиту контактного узла от воздействия окружающей среды. Открытые контактные узлы LBS подвергаются воздействию:

• Окисление: Серебряное покрытие окисляется во влажной, загрязненной атмосфере - сопротивление контактов со временем увеличивается пропорционально степени загрязнения атмосферы.
• Коррозия: Прибрежный солевой туман и пары промышленных химикатов воздействуют на материалы контактных пружин и клеммное оборудование, ускоряя механическую деградацию
• Биологический рост: Насекомые, птицы и растительность поселяются в контактных сборках под открытым небом в тропической среде, вызывая загрязнение изоляции и механические помехи

Закрытые конструкции исключают все три механизма воздействия - деградация контактного сопротивления в закрытых устройствах обусловлена эксплуатационным износом (циклами переключения), а не воздействием окружающей среды, что обеспечивает более предсказуемую и медленную траекторию деградации.

Как условия окружающей среды определяют относительную надежность закрытых и открытых конструкций LBS?

Относительное преимущество закрытой конструкции по надежности над открытой не является постоянным - оно изменяется в зависимости от тяжести окружающей среды. В благоприятных условиях разница в надежности невелика, и повышение капитальных затрат на закрытую конструкцию трудно оправдать. В суровых условиях разница в надежности велика, и экономичность закрытой конструкции на протяжении всего жизненного цикла становится убедительной.

Экологический фактор 1: Степень загрязнения

Загрязнение - это единственный фактор окружающей среды, оказывающий наибольшее влияние на надежность LBS под открытым небом, и фактор, который наиболее сильно различает два семейства конструкций.

Влияние загрязнений на характеристики изоляции LBS под открытым небом:

Напряжение вспышки мокрого загрязнения изолятора на открытом воздухе уменьшается с увеличением ESDD (эквивалентная плотность отложения солей)⁴ в соответствии с:

$U_{flashover_wet} = U_{flashover_dry} \times \left(\frac{ESDD_{reference}}{ESDD_{actual}}\right)^{0.22}$

Для изолятора с напряжением сухой вспышки 150 кВ и эталонным ESDD 0,01 мг/см²:

ESDD (мг/см²)	Напряжение мокрой вспышки (кВ)	Уменьшение от сухого
0,01 (очень легкий)	150 кВ	0%
0,05 (свет)	122 кВ	19%
0,20 (средний)	99 кВ	34%
0.50 (тяжелый)	85 кВ	43%
1.00 (очень тяжелый)	73 кВ	51%

Закрытая конструкция полностью защищена от этого механизма деградации - Загрязнения на внешней поверхности корпуса не влияют на характеристики внутренней изоляции.

Экологический фактор 2: влажность и тропический климат

Высокая влажность окружающей среды, определяемая как относительная влажность, постоянно превышающая 85%, ускоряет три механизма деградации в конструкциях LBS, находящихся под открытым небом:

• Конденсат на поверхности изоляторов: Утренний конденсат на холодных поверхностях изоляторов создает проводящую водяную пленку, которая снижает напряжение вспышки до уровня влажного загрязнения даже без осадков
• Ускоренное окисление серебра: Высокая влажность ускоряет образование оксида серебра на контактных поверхностях, увеличивая контактное сопротивление на 3-5× выше, чем в условиях низкой влажности
• Коррозия пружинных материалов: Усталостная долговечность пружин из нержавеющей стали 20-40% снижается в условиях постоянной влажности из-за механизмов коррозионного растрескивания под напряжением

Влагозащищенность в закрытом корпусе: Закрытые конструкции с изоляцией SF6 и твердым диэлектриком совершенно не подвержены влиянию влажности на характеристики изоляции. Герметичные корпуса с воздушной изоляцией сохраняют устойчивость к влажности при условии сохранения целостности уплотнения корпуса - проверка уплотнения является критически важным мероприятием по техническому обслуживанию для этого варианта исполнения в тропической среде.

Экологический фактор 3: Частота возникновения молний

В условиях высокой плотности наземных вспышек (GFD) наружные блоки LBS подвергаются более частым грозовым перенапряжениям, что увеличивает кумулятивную энергию перенапряжения, поглощаемую ОПН, и частоту событий, возникающих после устранения грозовых замыканий, в результате которых энергия дуги попадает на контактный узел LBS.

Влияние дизайна: И закрытая, и открытая конструкции требуют правильно согласованных разрядников - закрытая конструкция не устраняет необходимость во внешней защите от перенапряжений. Однако более высокие характеристики изоляции в закрытой конструкции обеспечивают больший запас между уровнем защиты ОПН и выдерживаемым напряжением грозового импульса (LIWV) оборудования - это означает, что ошибки в координации ОПН или ухудшение характеристик ОПН, которые могут привести к вспышке изолятора в открытой конструкции, все еще могут быть в пределах выдерживаемых возможностей закрытой конструкции.

Количественная разница в марже:

Для системы 12 кВ с ОПН остаточное напряжение 35 кВ при разряде 10 кА:

• LBS LIWV под открытым небом: 75 кВ → защитная граница: 75 - 35 = 40 кВ (граница 53%)
• Закрытый SF6 LBS LIWV: 95 кВ (выше из-за изоляции SF6) → защитный запас: 95 - 35 = 60 кВ (запас 63%)

Увеличенный защитный запас в закрытой конструкции допускает более значительную деградацию разрядника, прежде чем этот запас будет ликвидирован, что обеспечивает более длительное окно для вмешательства в обслуживание разрядника до наступления события отказа.

Экологический фактор 4: экстремальные температуры

Учет особенностей холодного климата:
Газ SF6 сжижается при температурах ниже примерно -30°C при стандартном давлении заполнения - критическое ограничение для закрытых конструкций с изоляцией SF6 в арктических или субарктических распределительных сетях. Ниже температуры сжижения давление газа падает, и диэлектрическая прочность атмосферы SF6 снижается. Варианты смягчения последствий включают:

• Повышение давления наполнения SF6 (повышает температуру сжижения, но увеличивает требования к номинальному давлению корпуса)
• Использование газовой смеси SF6/N2 (более низкая температура сжижения, но сниженная диэлектрическая прочность на единицу давления)
• Выбор закрытой конструкции с твердым диэлектриком для арктических условий эксплуатации - без риска разжижения

Учет особенностей жаркого климата:
Температура окружающей среды выше 40°C требует снижения номинального нормального тока как для открытых, так и для закрытых LBS в соответствии с IEC 62271-1 - коэффициент снижения тока одинаков для обоих семейств конструкций. Однако при использовании закрытых конструкций в условиях высокой температуры окружающей среды необходимо оценивать повышение внутренней температуры: герметичный корпус снижает теплоотдачу по сравнению с открытой конструкцией, и внутренняя температура может превысить номинальный тепловой класс контактной сборки при номинальном токе в условиях высокой температуры окружающей среды.

При сильном холоде риск Сжижение SF6⁵ необходимо учитывать при выборе конструкции, чтобы обеспечить бесперебойную работу.

Матрица экологического выбора

Тип окружающей среды	Загрязнение	Влажность	GFD	Рекомендуемый дизайн	Оправдание
Внутренние сельские районы, умеренный климат	Очень легкий	Низкий	Низкий	Под открытым небом	Благоприятные условия; решающее значение имеет преимущество в стоимости капитала
Прибрежные, тропические	Тяжелый-очень тяжелый	Высокий	Умеренный	Закрытый	Сочетание загрязнения и влажности устраняет преимущество в надежности открытого воздуха
Промышленный коридор	Средне-тяжелый	Переменная	Низкоуровневые	Закрытый	Химическое загрязнение ускоряет деградацию под открытым небом
Пустыня, засушливый	Светло-средний	Очень низкий	Высокий	Открытый воздух (высокая степень просачивания)	Низкая влажность исключает риск влажного загрязнения; высокий уровень зазора справляется с пылью
Арктика, субарктика	Очень легкий	Низкий	Низкий	Твердое диэлектрическое покрытие	Риск разжижения SF6; открытое пространство допустимо при наличии достаточной герметичности
Тропический дождевой лес	Светло-средний	Очень высокий	Очень высокий	Закрытый	Постоянная высокая влажность + высокий GFD оправдывают премию за упаковку

Как сравниваются закрытые и открытые конструкции LBS по важнейшим показателям надежности?

После установления экологической зависимости сравнение надежности по пяти важнейшим показателям производительности позволяет определить количественную величину различий в конструкции, а также условия, при которых эти различия являются значимыми для эксплуатации, а не незначительными.

Метрика надежности 1: коэффициент незапланированных отказов

Данные по надежности, полученные от операторов распределительных сетей в различных условиях, постоянно показывают, что частота незапланированных отказов открытых конструкций LBS превышает частоту отказов закрытых конструкций в тяжелых условиях, но величина разницы резко меняется в зависимости от степени тяжести окружающей среды:

Окружающая среда	Коэффициент отказов в открытом состоянии (на единицу в год)	Коэффициент отказов в закрытых помещениях (на единицу в год)	Коэффициент надежности
Внутренние сельские районы, умеренный климат	0.008	0.006	1.3×
Прибрежный, умеренное загрязнение	0.035	0.009	3.9×
Тяжелая промышленность, высокая степень загрязнения	0.078	0.011	7.1×
Тропическое побережье, очень сильное загрязнение	0.142	0.013	10.9×

В благоприятных условиях сельской местности разница в надежности между конструкциями незначительна - более низкая частота отказов закрытой конструкции в 1,3 раза не оправдывает увеличение капитальных затрат на 40-120% для большинства операторов сетей. В тропических прибрежных районах с очень сильным загрязнением разница в надежности в 10,9× представляет собой фундаментальное эксплуатационное различие - открытая конструкция требует бюджета на обслуживание и замену, который в течение 5-7 лет превосходит капитальные затраты на закрытую конструкцию.

Метрика надежности 2: Скорость деградации характеристик изоляции

Открытый дизайн ухудшает изоляцию:
Изоляционные характеристики открытых блоков LBS постоянно ухудшаются с момента ввода в эксплуатацию по мере накопления загрязнений на поверхности изоляторов. Скорость деградации зависит от условий окружающей среды, но следует предсказуемой кривой накопления:

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

Где $ESDD_{annual}$ годовая скорость накопления загрязнения и $\tau_{saturation}$ постоянная времени насыщения загрязнения (обычно 3-5 лет). После насыщения ESDD стабилизируется на уровне, определяемом балансом между накоплением и естественным вымыванием осадками.

Изоляционные характеристики закрытой конструкции:
Характеристики изоляции в закрытом исполнении не ухудшаются при накоплении загрязнений - механизмы ухудшения ограничиваются:

• Потеря давления газа SF6 (конструкции SF6) - обнаруживается с помощью контроля давления до того, как это скажется на производительности
• Разрушение уплотнения корпуса (герметичные воздушные конструкции) - обнаруживается с помощью внутреннего контроля влажности
• Старение твердой изоляции (конструкции с твердым диэлектриком) - чрезвычайно медленное; незначительное в течение 25-летнего срока службы

Метрика надежности 3: Скорость деградации контактного сопротивления

Деградация контактного сопротивления в наружных конструкциях LBS происходит по разным траекториям для двух семейств конструкций:

Траектория контактного сопротивления в открытом исполнении:

$R_{contact}(t) = R_{commissioning} \times (1 + k_{env} \times t^{0.5})$

Где $k_{env}$ константа деградации, специфичная для окружающей среды:

• Внутренняя сельская местность: $k_{\text{env}} = 0,03\,\text{year}^{0,5}$
• Прибрежный умеренный: $k_{\text{env}} = 0,08\,\text{year}^{0,5}$
• Тропическое сильное загрязнение: $k_{\text{env}} = 0,18\,\text{year}^{0,5}$

Для прибрежной умеренной среды контактное сопротивление на 10-й год:
$R_{контакт}(10) = R_{комиссия} \times (1 + 0,08 \times \sqrt{10}) = 1,25 \times R_{комиссия}$

Траектория контактного сопротивления в закрытом исполнении:
Сопротивление контактов в закрытых конструкциях ухудшается в первую очередь с количеством циклов переключения, а не со временем - скорость ухудшения, не зависящая от окружающей среды, составляет приблизительно:

$R_{контакт}(N) = R_{пусконаладка} \times (1 + 0.0001 \times N^{0.7})$

Где $N$ суммарное количество циклов переключения. Для фидера, переключаемого 50 раз в год в течение 10 лет (500 циклов):
$R_{контакт}(500) = R_{пусконаладка} \times (1 + 0,0001 \times 500^{0,7}) = 1,04 \times R_{комиссия}$

Практическое значение: В прибрежной и тропической среде сопротивление контактов на открытом воздухе достигает порога обслуживания 150% через 5-8 лет; сопротивление контактов в закрытых помещениях достигает того же порога через 15 000-20 000 циклов переключения - порог, к которому большинство распределительных фидеров не приближается в течение 25-летнего срока службы.

Метрика надежности 4: Сравнение интервалов технического обслуживания

Деятельность по техническому обслуживанию	Открытый воздух (доброкачественный)	Открытый воздух (тяжелый)	Закрытый (все среды)
Очистка изолятора	Каждые 5 лет	Каждые 6-12 месяцев	Не требуется
Измерение сопротивления контактов	Каждые 3 года	Каждые 2 года	Каждые 5 лет
Контроль контактных поверхностей	Каждые 5 лет	Каждые 2 года	Каждые 10 лет
Смазка рабочего механизма	Каждые 5 лет	Каждые 3 года	Каждые 10 лет
Испытание на сопротивление изоляции	Каждые 5 лет	Каждые 3 года	Каждые 10 лет
Проверка давления SF6	Не применимо	Не применимо	Ежегодно (только для конструкций SF6)
Проверка уплотнения корпуса	Не применимо	Не применимо	Каждые 5 лет (герметичные воздушные конструкции)
Полная замена блока (ожидается)	Год 15-20 (тяжелый)	Год 8-12 (тяжелый)	Год 20-25

Клиентский случай, демонстрирующий разницу в интервалах технического обслуживания: Менеджер по сетевым активам филиппинской распределительной компании, управляющей сетью воздушных линий 13,8 кВ в прибрежном промышленном коридоре, обратился в компанию Bepto для оценки решения о замене парка из 340 открытых наружных блоков LBS. Записи технического обслуживания показали, что открытые блоки требовали очистки изоляторов каждые 8 месяцев и вмешательства в контактное сопротивление каждые 18 месяцев, что приводило к ежегодным затратам на обслуживание каждого блока, превышающим 35% от первоначальной капитальной стоимости блока. Средний срок службы парка до замены составлял 11,3 года при расчетном показателе 20 лет. Анализ жизненного цикла, проведенный компанией Bepto, показал, что замена парка открытых установок на закрытые установки с твердым диэлектриком - при капитальных затратах в 75% - позволит сократить ежегодные эксплуатационные расходы на единицу на 82% и увеличить ожидаемый срок службы до 22 лет. Чистая приведенная стоимость закрытой конструкции в течение 20 лет была на 31% ниже, чем альтернатива открытой конструкции, при ставке дисконтирования 8%, принятой в компании, несмотря на более высокие капитальные затраты.

Метрика надежности 5: Время восстановления после сбоя

Когда наружный блок LBS выходит из строя - из-за вспышки изоляции, повреждения контактного узла или механической поломки, - время восстановления после сбоя определяет продолжительность перерыва в снабжении нижележащих потребителей. В зависимости от вида отказа этот показатель благоприятствует различным конструкциям:

• Вспышка изоляции (под открытым небом): Если вспышка произошла на поверхности без физических повреждений, устройство может восстановиться после устранения неисправности и высыхания поверхности - замена не требуется. Время восстановления: 30 минут - 4 часа
• Прокол изоляции (открытой или закрытой): Физическое повреждение корпуса изолятора требует замены блока - время восстановления: 4-24 часа в зависимости от наличия запасных блоков и доступа к ним
• Повреждение контактного узла (под открытым небом): Требуется замена блока - время восстановления: 4-24 часа
• Потери давления SF6 (закрытый SF6): Если мониторинг обнаружил повреждение изоляции до того, как оно произошло, для восстановления требуется дозаправка газом или замена блока - время восстановления: 2-8 часов при реагировании команды технического обслуживания
• Отказ твердого диэлектрика: Требуется полная замена блока - время восстановления: 4-24 часа

Ключевое преимущество закрытых конструкций - время восстановления: Возможности мониторинга в закрытых конструкциях - мониторинг давления SF6, мониторинг внутренней влажности - позволяют обнаружить неисправность до ее возникновения, что позволяет проводить плановое техническое обслуживание, а не экстренную замену, превращая незапланированные простои в плановые, со значительно меньшей продолжительностью перерыва в работе.

Какая модель стоимости жизненного цикла определяет экономическую точку пересечения между закрытыми и открытыми LBS?

Модель совокупной стоимости владения за 20 лет

Экономическая точка пересечения - уровень экологической опасности, при превышении которого закрытая конструкция обеспечивает более низкую 20-летнюю совокупную стоимость владения, несмотря на более высокие капитальные затраты, - определяется четырьмя элементами затрат:

$TCO_{20} = C_{капитал} + C_{обслуживание} + C_{замена} + C_{outage}$

Где:

• $C_{капитал}$ = первоначальные затраты на закупку и установку
• $C_{maintenance}$ = совокупные затраты на обслуживание и материалы за 20 лет
• $C_{замена}$ = стоимость замены устройств в связи с выходом из строя или окончанием срока службы в течение 20 лет
• $C_{outage}$ = стоимость перерывов в поставках из-за незапланированных сбоев (компенсации потребителям, штрафы регулирующих органов, упущенная выгода)

Сравнение ТСО по типам окружающей среды

Элемент затрат	Открытый воздух (доброкачественный)	Открытый воздух (тяжелый)	Закрытый (доброкачественный)	Закрытый (тяжелый)
Капитальные затраты (индекс)	1.00	1.00	1.70	1.70
20-летняя стоимость обслуживания	0.45	2.80	0.18	0.22
20-летняя стоимость замены	0.30	1.60	0.15	0.20
Стоимость 20-летнего перерыва в работе	0.12	0.95	0.05	0.08
20-летняя совокупная стоимость владения (индекс)	1.87	6.35	2.08	2.20

Заключение кроссовера:

• Благоприятная среда: TCO для открытого пространства (1,87) < TCO для закрытого пространства (2,08) - открытая конструкция обеспечивает более низкую стоимость жизненного цикла; премия за капитальные затраты при закрытой конструкции не окупается
• Тяжелые условия: TCO для открытого пространства (6,35) >> TCO для закрытого пространства (2,20) - закрытая конструкция обеспечивает более низкую стоимость жизненного цикла на 65%; премия за капитальные затраты окупается в течение 4-6 лет

Экологический порог пересечения

Точка пересечения - когда ТСО для закрытых и открытых помещений равны - наступает при годовых затратах на обслуживание одного устройства, составляющих примерно 18-22% от капитальных затрат для открытого помещения. Этот порог соответствует:

• Частота очистки изолятора превышает 1 раз в 18 месяцев, или
• Частота вмешательств по контактному сопротивлению более одного раза в 24 месяца, или
• Интенсивность незапланированных отказов превышает 0,025 отказов на единицу продукции в год

Любой участок распределительной линии, на котором по данным текущего технического обслуживания превышен любой из этих порогов, является экономически оправданным кандидатом на замену закрытой конструкции - сумма капитальных затрат окупится в течение первых 5-7 лет срока службы закрытой конструкции.

Интеграция в модернизацию сети: Закрытый дизайн как инструмент модернизации сети

Проекты модернизации сетей, в ходе которых увеличивается нагрузка на линии или распределительные линии переходят в более суровые условия, изменяют рабочую точку каждого наружного LBS в коридоре модернизации - потенциально устройства могут оказаться ниже порога пересечения и выше него. Надежность закрытой конструкции, не зависящая от окружающей среды, делает ее предпочтительной спецификацией для проектов модернизации сети, где:

• Нагрузка после модернизации повышает температуру контактов, снижая тепловой запас открытых контактных узлов
• Модернизация сети позволяет протянуть линии в прибрежные, промышленные или тропические районы с более высокой степенью загрязнения, чем в существующей сети
• Автоматизация модернизации сети требует возможности дистанционного переключения - закрытые конструкции с электродвигателями обеспечивают интеграцию со SCADA и защиту герметичных механизмов, которые не могут сравниться с открытыми конструкциями с электродвигателями в суровых условиях эксплуатации

Второй клиентский случай демонстрирует ценность интеграции при модернизации сети. Инженер проекта модернизации сети в распределительной компании во Вьетнаме выбирал блоки LBS наружного исполнения для модернизации сети 22 кВ, которая расширяла существующую внутреннюю сельскую линию на 45 км в прибрежную промышленную зону. На внутреннем сельском участке (28 км) были установлены блоки LBS открытого исполнения с удовлетворительной надежностью - ежегодные затраты на обслуживание были ниже порога пересечения. На новом прибрежном промышленном участке (45 км) измеренные уровни ESDD составляли 0,35-0,65 мг/см² - классификация сильного загрязнения IEC 60815-1. Анализ жизненного цикла Bepto рекомендовал открытые блоки с полимерными изоляторами с высоким уровнем ползучести для внутреннего сельского участка (ниже порога пересечения) и закрытые блоки с твердым диэлектриком для прибрежного промышленного участка (выше порога пересечения). Дифференцированная спецификация добавила 18% к статье LBS для наружной установки по сравнению с унифицированной спецификацией для открытой установки, а модель жизненного цикла предсказала 20-летнюю экономию ТСО в размере 44% на прибрежном участке по сравнению с альтернативой для открытой установки, возместив капитальную премию за 5,2 года.

Заключение

Сравнение надежности между закрытыми и открытыми конструкциями LBS сводится к одному главному принципу: повышение капитальных затрат на закрытую конструкцию экономически оправдано тогда и только тогда, когда неблагоприятные условия окружающей среды на месте установки приводят к тому, что затраты на обслуживание и замену открытой конструкции превышают эту сумму в течение первых 5-7 лет эксплуатации. В благоприятных внутренних условиях с низким уровнем загрязнения, низкой влажностью и умеренным воздействием молний открытая конструкция обеспечивает эквивалентную надежность при более низкой общей стоимости жизненного цикла, а преимущества закрытой конструкции реальны, но недостаточны для преодоления ее недостатка в капитальных затратах. В прибрежной, тропической, промышленной и сильно загрязненной среде характеристики изоляции открытой конструкции снижаются до уровня, который приводит к возникновению бремени обслуживания, незапланированных отказов и циклов замены, что делает капитальные затраты на закрытую конструкцию 40-120% разумными экономическими инвестициями, которые окупаются в течение первого квартала срока службы конструкции. Измеряйте ESDD на каждом месте установки LBS вне помещений, прежде чем определять семейство конструкций, применяйте анализ порога пересечения TCO для выявления участков, где закрытая конструкция экономически оправдана, определяйте закрытые конструкции с твердым диэлектриком для арктических применений, где риск сжижения SF6 исключает возможность использования газовой изоляции, интегрировать спецификацию закрытой конструкции в каждый проект модернизации сети, в рамках которого линии продлеваются в зоны повышенной опасности загрязнения, и использовать возможности мониторинга закрытой конструкции для преобразования незапланированных отключений в плановые мероприятия по техническому обслуживанию - это полная дисциплина, которая позволяет согласовать выбор конструкции LBS для наружной установки с экологическими реалиями и обеспечить наименьшую общую стоимость жизненного цикла на протяжении всего 20-25-летнего срока службы распределительных сетей.

Часто задаваемые вопросы о надежности закрытых и открытых LBS

1. Узнайте, как модели TCO помогают коммунальным службам сбалансировать первоначальные капитальные затраты с долгосрочными расходами на обслуживание и надежность. ↩

2. Изучите инженерные принципы расчета расстояния ползучести изолятора для предотвращения вспышек в загрязненных средах. ↩

3. Ознакомьтесь с рекомендациями международного стандарта по выбору и определению размеров высоковольтных изоляторов, используемых в загрязненных средах. ↩

4. Поймите, как уровни ESDD определяют класс загрязнения и требования к изоляции для распределительных устройств наружной установки. ↩

5. Изучите технические проблемы сжижения газа SF6 в условиях экстремального холода и его влияние на диэлектрическую прочность. ↩