Característiques tècniques aplicacions i normes dels reactors de desviació secos de 500kV al Brasil

1 Característiques tècniques i referències normatives dels reactors de derivació sec de 500kV
1.1 Característiques tècniques

El reactor de derivació sec de 500kV, un dispositiu elèctric sense oli per a sistemes de transmissió d'ultra-alta tensió, destaca per característiques com aïllament avançat, dissipació de calor innovadora, disseny electromagnètic optimitzat i estructura modular. Aquests avantatges, superiors als reactors tradicionals immersos en oli, també impulsen noves demandes de normes tècniques.

• Aïllament avançat: Utilitzant col·locació d'epoxi i nanocomposites (amb partícules de nano-SiO₂ que augmenten la resistència a la ruptura de l'epoxi en un ~40% i la tensió inicial de descàrrega parcial en un 25%), es millora l'aïllament i la resistència a les descàrregues parcials. Aquesta innovació requereix redefinir els nivells d'aïllament i els mètodes de prova de descàrregues parcials en les normes.

• Dissipació de calor innovadora: Una estructura composta (refredament forçat multicanal + dissipació de calor assistida per materials de canvi de fase) manté l'augment de temperatura en els punts calents dins de 60K (ben per sota dels límits IEC, verificat mitjançant anàlisi d'elements finits i experiments). Són necessaris nous mètodes/llindars de prova de l'augment de temperatura en les normes.

• Disseny electromagnètic optimitzat: Bobinat estratificat desplaçat i aïllament gradual optimitzen la distribució del camp elèctric, millorant la resistència a curtes circuits. L'anàlisi d'elements finits mostra una reducció d'un ~20% en la força màxima del camp elèctric en els bobinats. Les normes haurien d'afegir mètodes d'avaluació per a la distribució del camp elèctric i la resistència a curtes circuits.

• Estructura modular: Compost per unitats bàsiques idèntiques connectades en sèrie, facilitant la fabricació, el transport i la instal·lació in situ. Les normes necessiten requisits de prova per a la fiabilitat de la connexió entre mòduls i la consistència del rendiment general.

1.2 Referències i formulació de normes tècniques

En l'aplicació de la tecnologia del reactor de derivació sec de 500kV al Brasil, les normes tècniques van tenir un paper clau. L'equip de recerca va profunditzar en la norma elèctrica brasileira ABNT NBR 5356 - 6 Transformador Part 6: Reactors, i va combinar normes internacionals com l'IEC 60076 - 6 Transformadors d'energia - Part 6: Reactors i l'IEEE Std C57.12.90 - 2021 Procediments estàndard de prova per a transformadors de distribució, d'energia i de regulació immersos en líquid, per desenvolupar una especificació tècnica del reactor de derivació sec de 500kV adaptada al context del Brasil.

Focusos clau durant la formulació de l'especificació:

• Nivell d'aïllament: Adaptat a la xarxa elèctrica del Brasil, els requisits d'aïllament van ser elevats (tensió de resistència a impuls de llamp: 1550kV; tensió de resistència a impuls operatiu: 1175kV - superior als estàndards xinesos però adequat per a la xarxa). Segons la NBR5356 - 6, la prova d'impuls de commutació Tz ≥ 1000 μs i Td ≥ 200 μs.

• Augment de temperatura i dissipació de calor: Per a l'entorn de alta temperatura del Brasil, el límit d'augment de temperatura mitjana va ser reduït de 60K a 50K (gràcies a un disseny de refredament innovador, augmentant la seguretat). S'han afegit anàlisi de termografia i monitorització de temperatura a llarg termini per a l'estructura de refredament composta.

• Requisits de pèrdues i càlcul: Dissenyat segons els estàndards del Brasil amb un límit de pèrdues d'interferència del 0,3%. Utilitzant l'Annex B.2 de l'IEEE Std C57.12.90 - 2021, s'ha construït un model de conversió de pèrdues de 50Hz a 60Hz, assegurant càlculs de pèrdues precisos i comparables en diferents freqüències.

• Adaptabilitat ambiental: Per al clima còlt i humit del Brasil, s'han afegit requisits d'anti-neblina salina, anti-flasheig poluït i anti-UV per augmentar la fiabilitat a llarg termini. S'han formulat proves com l'envejeciment accelerat i cicles d'humitat-calor.

2 Pràctica d'aplicació dels reactors de derivació sec de 500kV al Brasil
2.1 Desafiaments en la introducció de la tecnologia i l'adaptació de normes

L'aplicació de la tecnologia del reactor de derivació sec de 500kV al sistema elèctric del Brasil planteja diversos reptes, requerint solucions a aquests problemes clau:

• Diferències en normes tècniques: La norma brasileira ABNT NBR 5356 - 6 Transformador Part 6: Reactors i la norma xinesa GB/T 1094.6 - 2017 Transformadors d'energia - Part 6: Reactors són estructuralment similars, però difereixen en requisits específics i detalls d'implementació. Ambdues referencien l'IEC 60076 - 6, però estan localitzades a les necessitats nacionals, variants en nivells d'aïllament, límits d'augment de temperatura i mètodes de càlcul de pèrdues. Aquests diferents demanen un tractament cuidados durant l'adaptació de la tecnologia.

• Adaptabilitat climàtica: El clima tropical del Brasil (per exemple, regió de Silvânia: temperatura mitjana anual >25°C, humitat relativa ≥80%) imposa requisits més elevats de dissipació de calor i aïllament. Aquest entorn còlt i humit suposa un gran repte per a l'aïllament i la vida útil de l'equipament elèctric tradicional.

• Adaptació a les característiques de la xarxa: La xarxa de 500kV del Brasil té fluctuacions de tensió ~15% superiors a les xarxes del mateix nivell a Xina, amb entorns harmònics diferents. Els reactors necessiten una major adaptabilitat a la tensió i un millor rendiment anti-harmònics.

• Necessitats locals d'operació i manteniment (O&M): Per assegurar una operació fiable a llarg termini, s'han de considerar les capacitats i hàbits locals d'O&M, cobrint formació tècnica, subministrament de peces de repòs i serveis localitzats.

2.2 Ajust i innovació de les normes tècniques

Per abordar aquests reptes, aquesta recerca va prendre mesures innovadores, essencialment ajustant les normes tècniques preprojecte i les especificacions basades en l'ús real i les proves del nou reactor sec. Això va resoldre els problemes d'adaptació tècnica i va proporcionar una referència clau per a projectes similars.

Modificacions clau de les normes tècniques:

• Cancel·lació de la prova de descàrrega parcial: La interferència de corona externa en els reactors secs és molt superior a les seves descàrregues parcials internes. Sense mètodes de prova o criteris madurs per a la descàrrega parcial d'interferència, i considerant que la NBR 5356 - 11 - 2016 només s'aplica a transformadors secs de baixa tensió (sense interferència externa) i que l'IEEE C57.21 eximeix els reactors de derivació secs d'aquestes proves, la prova de descàrrega parcial per a reactors de 500kV secs s'ha cancel·lat.

• Optimització de l'aïllament i temps de prova: Segons les normes brasileires, la tensió de resistència a impuls de llamp és de 1550kV i la tensió de resistència a impuls operatiu és de 1175kV. Degut a la impedància del reactor, els paràmetres de temps de la prova d'impuls de commutació s'han ajustat a Td ≥ 120 μs i Tz ≥ 500 μs.

• Millora de la dissipació de calor: Per al clima còlt i humit del Brasil, s'ha desenvolupat una nova estructura de dissipació de calor composta utilitzant aïllament de classe H (180°C), augmentant la resistència al calor en 30°C respecte als dissenys tradicionals. Les simulacions tèrmiques mostren que l'augment de temperatura en els punts calents roman dins de 60K (inferior als límits de disseny).

• Ajust del mètode de càlcul de pèrdues: Les pèrdues d'un reactor inclouen la pèrdua de resistència CC del seu bobinat (Pdc) i la pèrdua addicional del bobinat (Pa). Per a una estructura de reactor donada, tant Pdc com Pa són proporcionals al quadrat de la corrent. Utilitzant conductors transposats, i amb només algunes petites components metàl·liques conductores (com connectors) als punts de connexió (no magnètics), la pèrdua addicional representa una proporció baixa de la pèrdua CC. Els resultats de prova mostren que la pèrdua addicional del prototipus és d'uns ~9%-12%, així que la fórmula de càlcul de pèrdues és la següent:

• Millora de l'adaptabilitat a la tensió: Optimitzant el disseny electromagnètic, s'ha ampliat el rang d'adaptació a la tensió de l'equipament per fer front a les grans fluctuacions de tensió a la xarxa elèctrica del Brasil. Alhora, s'ha millorat el rendiment anti-harmònic de l'equipament, i s'han reduït els modes harmònics mitjançant un disseny especial de bobinat.

3 Avaluació dels efectes pràctics i les normes tècniques
3.1 Anàlisi dels efectes pràctics

A través de l'aplicació a la Subestació de Silvânia, el reactor de derivació sec de 500kV ha mostrat un rendiment excel·lent. Segons el informe de prova CEPRI-EETC03-2022-0880 (E), els indicadors clau són:

• Nivell de pèrdues: Pèrdues mesurades: 58,367 kW @ 80°C (inferior al límit de 60 kW), verificant els mètodes efectius de càlcul i control de pèrdues.

• Control de soroll: Soroll mesurat: 57 dB(A) (ben per sota del requisit de 80 dB(A)), gràcies a un disseny concentrat en el control de soroll.

• Rendiment d'augment de temperatura: Augment de temperatura mitjà: 22,9 K; augment de temperatura en punts calents: 26,5 K (ambdós inferiors als límits de disseny), validant el nou disseny de refredament per al clima del Brasil.

• Rendiment elèctric: Bon rendiment en les proves (impuls de llamp/operatiu). S'han utilitzat els paràmetres de la ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) per a l'impuls operatiu, tenint en compte la impedància del reactor.

Aquests resultats demostraven la aplicabilitat i superioritat del reactor en la xarxa elèctrica del Brasil, especialment en eficiència energètica i protecció ambiental, suportant el desenvolupament sostenible. També es van verificar les especificacions tècniques científiques i prospectives.

3.2 Avaluació de l'optimització de les normes tècniques

Basant-se en la pràctica i l'operació, l'equip proposa les següents optimitzacions:

• Límits de pèrdues: Reduir el límit de pèrdues del reactor de 500kV/20Mvar de 60 kW @ 80°C a 58 kW @ 80°C; utilitzar 75°C com a referència per al càlcul de pèrdues.

• Normes de soroll: Refinar les normes (per exemple, 75 dB(A) per a les subestacions properes a residències); considerar el soroll a tensions variables (per exemple, 600 kV).

• Límits d'augment de temperatura: Ajustar el límit d'augment de temperatura mitjà de 60K a 50K; especificar aïllament de classe B (índex de temperatura de 130°C, augments de temperatura mitjana/punts calents de 60/90°C).

• Coordinació d'aïllament: Augmentar la tensió de resistència a impuls de llamp a 1600 kV (per als frequents impacts de llamp al Brasil); utilitzar 140 kV d'aïllament sec a freqüència d'ona per a l'aïllament del punt neutre. Definir la freqüència de prova (≥48 Hz, 80% de la nominal) i la durada (≥60 s).

• Adaptabilitat ambiental: Afegir requisits d'anti-neblina salina (zones costaneres); considerar l'impacte del camp electromagnètic, establir separacions. Utilitzar escuts, revestiments anti-contaminació i anti-UV en el disseny.

Aquestes suggerències milloren el rendiment i la fiabilitat del reactor, orienten les normes futures i ajuden a desenvolupar la xarxa elèctrica del Brasil de manera eficient, fiable i sostenible.