Projeto de Esquema de Transmissão Mecânica Trifásica para Disjuntor de Gás Sulfur Hexafluorido de Alta Tensão Tipo Tanque 252kV

Projeto e Aplicação de Acoplamento Mecânico Trifásico para Disjuntores SF₆ de Reservatório de 252kV na Rede Elétrica de Alta Tensão da China

Na rede de transmissão de alta tensão da China, sistemas de transmissão trifásica são universalmente adotados, com equipamentos elétricos de alta tensão também configurados em layouts trifásicos. A maioria dos disjuntores SF₆ de reservatório de 252kV existentes apresenta designs separados por fase, onde cada fase é equipada com um mecanismo operacional independente motor-mola. O acoplamento mecânico trifásico é alcançado através de ligações elétricas via uma caixa de controle de junção. No entanto, as ligações elétricas são suscetíveis a influências externas, frequentemente levando a problemas como operação não trifásica completa e má sincronização de comutação trifásica. Esses problemas têm impactos significativos na estabilidade da rede elétrica devido ao aumento das tensões de surto nas linhas de transmissão. Para abordar esses desafios e melhorar a confiabilidade operacional, foi desenvolvida uma estrutura de acoplamento mecânico trifásico para garantir a acionamento sincronizado por um único mecanismo, melhorando assim a sincronização trifásica e prevenindo falhas de perda de fase.

Esquema de Projeto
Comparação entre Ligações Elétricas e Mecânicas

• Ligação Elétrica Trifásica: Utiliza três mecanismos operacionais independentes (por exemplo, mecanismos CT20 motor-mola para produtos LW24-252), com coordenação interfasial alcançada através de conexões elétricas na caixa de junção. O eixo de acionamento de cada fase se conecta diretamente à sua respectiva câmara de extinção de arco. Os sistemas de proteção empregam relés de disparo de mal posicionamento trifásico para acionar o desligamento.

• Ligação Mecânica Trifásica: Emprega um único mecanismo operacional hidráulico-mola, com as câmaras de extinção de arco trifásicas ligadas através de barras de conexão mecânica. Para disjuntores de reservatório de 252kV com layout de câmara de extinção de arco horizontal (comum em subestações externas), o mecanismo operacional e o sistema de acionamento estão posicionados na frente das câmaras, exigindo um redesenho otimizado para montagem do mecanismo, trens de acionamento e estruturas de suporte.

Retrofit de Disjuntores LW24-252

O LW24-252 original possui operação separada por fases com três mecanismos CT20. Para alcançar a ligação mecânica:

• Mecanismo Operacional Atualizado: Substituído por um mecanismo hidráulico-mola de alta potência (por exemplo, CYA5-5) para atender aos requisitos aumentados de energia operacional (a energia de comutação monofásica calculada exige um design hidráulico robusto).

• Melhoria na Estrutura de Vedação: Convertida de vedações diretas (usando juntas V de PTFE comprimido com alta fricção e custo) para vedações labiais rotativas para reduzir a força de operação e melhorar a confiabilidade.

• Fixação Interfasial Rígida: Instaladas placas de conexão para manter o espaçamento interfasial e aumentar a rigidez do acionamento.

• Sistema de Barras Duplas: Empregado barras duplas para transmitir torque e evitar deformações durante a comutação, garantindo movimento sincronizado.

• Caixa de Mecanismo Integrada: Redesenho para acomodar o único mecanismo hidráulico, simplificando as interfaces de controle e mecânicas.

Princípio de Funcionamento e Estrutura

O mecanismo hidráulico-mola impulsiona um pistão em movimento linear, que é convertido em movimento rotativo através de um braço de acionamento. Este movimento é transmitido através de barras para sincronizar as três fases. Uma caixa de braço converte o movimento rotativo de volta para o movimento linear para atuar nos contatos móveis dentro das câmaras de extinção de arco.

• Processo de Fechamento: O pistão se move para a direita, impulsionando o braço de acionamento para girar o eixo de acionamento no sentido anti-horário. Este movimento é transferido através de barras para todas as três fases, empurrando as barras internas para dentro até que os contatos fechem completamente.

• Processo de Abertura: Os movimentos são invertidos, com o pistão se retraindo para separar os contatos.

Projetos de Força dos Componentes de Acionamento

Para manter as características mecânicas originais sob ligação trifásica, a alta energia operacional do mecanismo hidráulico-mola (por exemplo, 10.000J de energia total de comutação) exige braços de acionamento e barras reforçadas. A análise por elementos finitos garante a distribuição de tensões dentro dos limites do material durante operações de alta energia.

Seleção e Depuração do Mecanismo
Características do Mecanismo Hidráulico-Mola

• Vantagens: Design compacto, alta integração, grande energia operacional (2540J para fechamento, 10005J para disparo), mínimo impacto de temperatura e alta confiabilidade.

• Parâmetros Técnicos:

• Ciclo de operação nominal: Aberto - 0,3s - Fechado-aberto - 180s - Fechado-aberto

• Pressão óleo nominal: 48,7MPa ±3MPa

• Tempo de armazenamento de energia: ≤60s por ciclo

• Vida útil mecânica: 5000 ciclos (grau M2: 10.000 ciclos)

Depuração e Desempenho

• Correspondência de Energia: O mecanismo CYA5-5 (10.000J de energia total) atende aos requisitos do disjuntor de 252kV (6500J para disparo, 3500J para fechamento), com margens de segurança garantidas.

• Sincronização: A sincronização de comutação trifásica é melhorada para ≤3ms (vs. 3ms de base do LW24-252 convencional), alcançada através da regulação do fluxo hidráulico em válvulas solenoides.

• Eficiência de Custo: A substituição de três mecanismos separados por um único reduz os custos em ~15% (85% dos designs convencionais separados por fases) enquanto aumenta o valor de venda em 1,5x devido à confiabilidade aprimorada.

Testes de Tipo

• Padrões: Conforme DL/T593, GB1984, IEC62271-100.

• Testes Principais:

• Estabilidade dinâmica/termal: 50kA por 3s; 125kA por 0,3s

• Testes de falha terminal (T100s): 50kA

• Vida útil mecânica: Completados com sucesso 5000 ciclos

• Classificação IP: Caixa de mecanismo passa nos testes de nível de proteção.

Conclusão

O sistema de acoplamento mecânico trifásico desenvolvido para disjuntores SF₆ de reservatório de 252kV aborda questões críticas de confiabilidade em redes de alta tensão. Ao eliminar erros de sincronização de fase e reduzir a contagem de componentes, esta inovação melhora a estabilidade da rede, enquanto realiza economias de custo. Com padrões técnicos líderes internacionais e direitos de propriedade intelectual independentes, esta solução preenche uma lacuna tecnológica doméstica, fornecendo suporte robusto de equipamentos para a expansão da rede elétrica da China e oferecendo amplas perspectivas de mercado, incluindo aplicações potenciais em sistemas de comutação híbridos.