Diseño de Esquema de Transmisión Mecánica de Tres Fases para Interruptor de Corte de Alta Tensión a 252kV de Tipo Tanque con Hexafluoruro de Azufre

Diseño y Aplicación de la Trifásica Mecánica para Interruptores de SF₆ de Tipo Tanque de 252kV en la Red Eléctrica de Alta Tensión de China

En la red de transmisión de alta tensión de China, se adoptan universalmente sistemas de transmisión trifásica, con equipos eléctricos de alta tensión también configurados en disposiciones trifásicas. La mayoría de los interruptores de SF₆ de tipo tanque de 252kV existentes presentan diseños por fases separadas, donde cada fase está equipada con un mecanismo de operación independiente motor-resorte. La interconexión trifásica mecánica se logra a través de conexiones eléctricas mediante una caja de control de conexión. Sin embargo, las conexiones eléctricas son susceptibles a influencias externas, lo que a menudo conduce a problemas como la operación no trifásica completa y la mala sincronización del cambio de fases. Estos problemas tienen un impacto significativo en la estabilidad de la red eléctrica debido al aumento de las tensiones de sobretensión en las líneas de transmisión. Para abordar estos desafíos y mejorar la confiabilidad operativa, se ha desarrollado una estructura de interconexión trifásica mecánica para garantizar el accionamiento sincronizado por un solo mecanismo, mejorando así la sincronización trifásica y previniendo fallos por pérdida de fase.

Esquema de Diseño
Comparación entre Interconexiones Eléctricas y Mecánicas

• Interconexión Trifásica Eléctrica: Utiliza tres mecanismos de operación independientes (por ejemplo, mecanismos CT20 motor-resorte para productos LW24-252), con la coordinación interfasial lograda a través de conexiones eléctricas en la caja de conexión. El eje de accionamiento de cada fase se conecta directamente a su respectiva cámara de extinción de arco. Los sistemas de protección emplean relés de desfase trifásico para activar el salto.

• Interconexión Trifásica Mecánica: Emplea un solo mecanismo de operación hidráulico-resorte, con las cámaras de extinción de arco trifásicas conectadas mediante varillas de conexión mecánica. Para los interruptores de 252kV de tipo tanque con disposiciones horizontales de las cámaras de extinción de arco (comunes en subestaciones exteriores), el mecanismo de operación y el sistema de accionamiento se colocan frente a las cámaras, requiriendo un rediseño optimizado para el montaje del mecanismo, los trenes de accionamiento y las estructuras de soporte.

Retrofit de los Interruptores LW24-252

El original LW24-252 presenta operación por fases separadas con tres mecanismos CT20. Para lograr la interconexión mecánica:

• Mecanismo de Operación Mejorado: Reemplazado con un mecanismo hidráulico-resorte de alta potencia (por ejemplo, CYA5-5) para satisfacer los requisitos de energía operativa aumentados (la energía de conmutación monofásica calculada requiere un diseño hidráulico robusto).

• Mejora de la Estructura de Sellado: Convertido de sellos de acción directa (usando juntas V de PTFE comprimido con alta fricción y costo) a sellos labiales rotativos para reducir la fuerza de operación y mejorar la confiabilidad.

• Fijación Rígida Interfásica: Instaladas placas de conexión para mantener el espaciamiento interfásico y aumentar la rigidez del accionamiento.

• Sistema de Varillas Doble: Empleado varillas dobles para transmitir torque y prevenir deformaciones durante la conmutación, asegurando el movimiento sincronizado.

• Caja de Mecanismo Integrada: Rediseñada para alojar el único mecanismo hidráulico, simplificando las interfaces de control y mecánicas.

Principio de Funcionamiento y Estructura

El mecanismo hidráulico-resorte impulsa un pistón en movimiento lineal, que se convierte en movimiento rotativo a través de un brazo de accionamiento. Este movimiento se transmite a través de varillas para sincronizar las tres fases. Una caja de brazo de accionamiento luego convierte el movimiento rotativo nuevamente en lineal para actuar sobre los contactos móviles dentro de las cámaras de extinción de arco.

• Proceso de Cierre: El pistón se mueve hacia la derecha, impulsando el brazo de accionamiento para girar el eje de accionamiento en sentido antihorario. Este movimiento se transfiere a través de varillas a las tres fases, empujando las varillas internas hacia adentro hasta que los contactos se cierran completamente.

• Proceso de Apertura: Los movimientos se invierten, con el pistón retraído para separar los contactos.

Diseño de Resistencia de los Componentes de Accionamiento

Para mantener las características mecánicas originales bajo la interconexión trifásica, la alta energía operativa del mecanismo hidráulico-resorte (por ejemplo, 10,000J de energía total de conmutación) requiere el refuerzo de los brazos de accionamiento y las varillas. El análisis por elementos finitos asegura la distribución de tensiones dentro de los límites del material durante las operaciones de alta energía.

Selección y Depuración del Mecanismo
Características del Mecanismo Hidráulico-Resorte

• Ventajas: Diseño compacto, alta integración, gran energía operativa (2540J para cierre, 10005J para salto), mínimo impacto térmico y alta confiabilidad.

• Parámetros Técnicos:

• Ciclo de operación nominal: Apertura - 0.3s - Cierre-apertura - 180s - Cierre-apertura

• Presión nominal de aceite: 48.7MPa ±3MPa

• Tiempo de almacenamiento de energía: ≤60s por ciclo

• Vida mecánica: 5000 ciclos (grado M2: 10,000 ciclos)

Depuración y Rendimiento

• Ajuste de Energía: El mecanismo CYA5-5 (10,000J de energía total) cumple con los requisitos del interruptor de 252kV (6500J para salto, 3500J para cierre), con márgenes de seguridad asegurados.

• Sincronización: La sincronización de la conmutación trifásica se mejora a ≤3ms (vs. 3ms de base en el LW24-252 convencional), lograda a través de la regulación del flujo hidráulico en las válvulas solenoides.

• Eficiencia de Costo: Reemplazar tres mecanismos separados con uno reduce los costos en ~15% (85% de los diseños convencionales por fases separadas) mientras aumenta el valor de venta en 1.5x debido a la mayor confiabilidad.

Pruebas de Tipo

• Normas: Cumplimiento con DL/T593, GB1984, IEC62271-100.

• Pruebas Clave:

• Estabilidad dinámica/térmica: 50kA por 3s; 125kA por 0.3s

• Pruebas de fallas terminales (T100s): 50kA

• Vida mecánica: Completados exitosamente 5000 ciclos

• Clasificación IP: La caja del mecanismo pasa las pruebas de nivel de protección.

Conclusión

El sistema de interconexión trifásica mecánica desarrollado para interruptores de SF₆ de tipo tanque de 252kV aborda problemas críticos de confiabilidad en redes de alta tensión. Al eliminar errores de sincronización de fases y reducir la cantidad de componentes, esta innovación mejora la estabilidad de la red mientras logra ahorros de costos. Con estándares técnicos líderes internacionales y derechos de propiedad intelectual independientes, esta solución llena un vacío tecnológico nacional, proporcionando un soporte de equipos robusto para la expansión de la red eléctrica de China y ofreciendo amplias perspectivas de mercado, incluyendo aplicaciones potenciales en sistemas de interruptores híbridos.