Características técnicas aplicación e estándares dos reactores de derivación secos de 500kV en Brasil

1 Características técnicas e referencias estándar dos reactivos secos de 500kV
1.1 Características técnicas

O reactivo seco de 500kV, un dispositivo eléctrico sin aceite para sistemas de transmisión de ultra alta tensión, destaca por características como aislamiento avanzado, disipación de calor innovadora, diseño electromagnético optimizado y estructura modular. Estas ventajas, superiores a las de los reactores tradicionales sumergidos en aceite, también impulsan nuevas demandas de estándares técnicos.

• Aislamiento avanzado: Utilizando resina epoxi fundida y nanocompuestos (con partículas de nano-SiO₂ que aumentan la resistencia a la ruptura de la epoxi en un ~40% y la tensión inicial de descarga parcial en un 25%), mejora el aislamiento y la resistencia a la descarga parcial. Este avance requiere redefinir los niveles de aislamiento y los métodos de prueba de descarga parcial en los estándares.

• Disipación de calor innovadora: Una estructura compuesta (refrigeración forzada de aire multicanal + disipación de calor asistida por material de cambio de fase) mantiene el aumento de temperatura en puntos calientes dentro de 60K (bien por debajo de los límites del IEC, verificado mediante análisis por elementos finitos y experimentos). Se necesitan nuevos métodos/limites de prueba de aumento de temperatura en los estándares.

• Diseño electromagnético optimizado: El bobinado de capas múltiples escalonadas y el aislamiento gradiente optimizan la distribución del campo eléctrico, mejorando la resistencia a cortocircuitos. El análisis por elementos finitos muestra una reducción del ~20% en la intensidad máxima del campo eléctrico en los bobinados. Los estándares deberían añadir métodos de evaluación para la distribución del campo eléctrico y la resistencia a cortocircuitos.

• Estructura modular: Compuesta por unidades básicas idénticas conectadas en serie, facilitando la fabricación, el transporte y la instalación en el sitio. Los estándares necesitan requisitos de prueba para la fiabilidad de la conexión intermodular y la consistencia del rendimiento general.

1.2 Referencia y formulación de estándares técnicos

En la aplicación de la tecnología de reactivo seco de 500kV en Brasil, los estándares técnicos jugaron un papel clave. El equipo de investigación profundizó en el estándar eléctrico brasileño ABNT NBR 5356 - 6 Transformador Parte 6: Reactores, y combinó estándares internacionales como IEC 60076 - 6 Transformadores de potencia - Parte 6: Reactores y IEEE Std C57.12.90 - 2021 Procedimientos de prueba estándar para transformadores de distribución, potencia y regulación sumergidos en líquido, para desarrollar una especificación técnica de reactivo seco de 500kV adaptada al contexto de Brasil.

Aspectos clave durante la formulación de la especificación:

• Nivel de aislamiento: Adaptado a la red de Brasil, se incrementaron los requisitos de aislamiento (tensión de soporte de impulso de rayo: 1550kV; tensión de soporte de impulso operativo: 1175kV - superior a los estándares chinos pero adecuado para la red). Según NBR5356 - 6, la prueba de impulso de conmutación Tz ≥ 1000 μs y Td ≥ 200 μs.

• Aumento de temperatura y disipación de calor: Para el entorno de alta temperatura de Brasil, se ajustó el límite de aumento de temperatura promedio de 60K a 50K (mediante un diseño de refrigeración innovador, mejorando la seguridad). Se añadió el análisis térmico y el monitoreo de temperatura a largo plazo para la estructura de refrigeración compuesta.

• Requisitos y cálculo de pérdidas: Diseñado según los estándares de Brasil con un límite de pérdida de interferencia del 0,3%. Usando el Anexo B.2 de IEEE Std C57.12.90 - 2021, se construyó un modelo de conversión de pérdidas de 50Hz-60Hz, asegurando cálculos de pérdidas precisos y comparables entre frecuencias.

• Adaptabilidad ambiental: Para el clima caliente y húmedo de Brasil, se añadieron requisitos de resistencia a la niebla salina, a la contaminación y a los rayos UV para mejorar la confiabilidad a largo plazo. Se formularon pruebas como la aceleración del envejecimiento y los ciclos de humedad-calor.

2 Práctica de aplicación de reactores secos de 500kV en Brasil
2.1 Desafíos en la introducción tecnológica y adaptación de estándares

La aplicación de la tecnología de reactivo seco de 500kV en el sistema eléctrico de Brasil plantea varios desafíos, requiriendo soluciones a estos problemas clave:

• Diferencias en estándares técnicos: El ABNT NBR 5356 - 6 Transformador Parte 6: Reactores de Brasil y el GB/T 1094.6 - 2017 Transformadores de potencia - Parte 6: Reactores de China son estructuralmente similares, pero difieren en requisitos específicos y detalles de implementación. Ambos se basan en el IEC 60076 - 6, pero están localizados para necesidades nacionales, variando en niveles de aislamiento, límites de aumento de temperatura y métodos de cálculo de pérdidas. Estas diferencias exigen un manejo cuidadoso durante la adaptación tecnológica.

• Adaptabilidad climática: El clima tropical de Brasil (por ejemplo, región de Silvânia: temperatura media anual >25°C, humedad relativa ≥80%) impone mayores demandas de disipación de calor y aislamiento. Este entorno caliente y húmedo supone un desafío severo para el aislamiento y la vida útil del equipamiento eléctrico tradicional.

• Adaptación a las características de la red: La red de 500kV de Brasil tiene fluctuaciones de tensión ~15% superiores a las de las redes chinas del mismo nivel, con diferentes ambientes armónicos. Los reactores necesitan mayor adaptabilidad a la tensión y mejor rendimiento antiarmónico.

• Necesidades locales de operación y mantenimiento (O&M): Para garantizar una operación fiable a largo plazo, es necesario considerar las capacidades/hábitos locales de O&M, incluyendo la formación técnica, el suministro de repuestos y servicios localizados.

2.2 Ajuste e innovación de estándares técnicos

Para abordar los desafíos mencionados, esta investigación tomó medidas innovadoras, siendo la más crucial el ajuste de los estándares técnicos y especificaciones previos al proyecto, basándose en el uso real y las pruebas del nuevo reactivo seco. Esto resolvió los problemas de adaptación técnica y proporcionó una referencia clave para proyectos similares.

Modificaciones clave de los estándares técnicos:

• Cancelación de la prueba de descarga parcial: La interferencia externa de corona en los reactores secos supera con creces sus descargas parciales internas. Sin métodos/criterios de prueba maduros para la descarga parcial de interferencia, y considerando que NBR 5356 - 11 - 2016 solo se aplica a transformadores secos de baja tensión (sin interferencia externa) y que IEEE C57.21 exime a los reactores secos de estas pruebas, se cancela la prueba de descarga parcial para reactores secos de 500kV.

• Optimización del aislamiento y tiempo de prueba: Según los estándares brasileños, la tensión de soporte de impulso de rayo es 1550kV y la tensión de soporte de impulso operativo es 1175kV. Debido a la impedancia del reactor, los parámetros de tiempo de la prueba de impulso de conmutación se ajustan a Td ≥ 120 μs y Tz ≥ 500 μs.

• Mejora de la disipación de calor: Para el clima caliente y húmedo de Brasil, se desarrolló una nueva estructura de disipación de calor compuesta utilizando aislamiento de clase H (180°C), que aumenta la resistencia al calor en 30°C en comparación con los diseños tradicionales. Las simulaciones térmicas muestran que el aumento de temperatura en puntos calientes se mantiene dentro de 60K (por debajo de los límites de diseño).

• Ajuste del método de cálculo de pérdidas: La pérdida de un reactor comprende la pérdida de resistencia continua de su bobinado (Pdc) y la pérdida adicional del bobinado (Pa). Para una estructura de reactor dada, tanto Pdc como Pa son proporcionales al cuadrado de la corriente. Usando conductores transpuestos, y con solo unos pocos componentes metálicos conductores pequeños (como conectores) en los puntos de conexión (no magnéticos), la pérdida adicional representa una proporción baja de la pérdida de DC. Los resultados de las pruebas muestran que la pérdida adicional del prototipo es de ~9%–12%, por lo que la fórmula de cálculo de pérdidas es la siguiente:

• Mejora de la adaptabilidad a la tensión: Optimizando el diseño electromagnético, se amplió el rango de adaptabilidad a la tensión del equipo para hacer frente a las grandes fluctuaciones de tensión en la red eléctrica brasileña. Al mismo tiempo, se mejoró el rendimiento antiarmónico del equipo, y se redujeron los modos armónicos mediante un diseño especial de bobinado.

3 Evaluación de los efectos prácticos y estándares técnicos
3.1 Análisis de los efectos prácticos

A través de la aplicación en la subestación de Silvânia, el reactivo seco de 500kV demostró un excelente rendimiento. Según el informe de prueba CEPRI-EETC03-2022-0880 (E), los indicadores clave son:

• Nivel de pérdidas: Pérdida medida: 58,367 kW @ 80°C (por debajo del límite de 60 kW), lo que verifica los métodos eficaces de cálculo y control de pérdidas.

• Control de ruido: Ruido medido: 57 dB(A) (muy por debajo del requisito de 80 dB(A)), gracias a un diseño enfocado en el control de ruido.

• Rendimiento de aumento de temperatura: Aumento de temperatura promedio: 22,9 K; aumento de temperatura en puntos calientes: 26,5 K (ambos por debajo de los límites de diseño), validando el nuevo diseño de refrigeración para el clima de Brasil.

• Rendimiento eléctrico: Buena actuación en las pruebas (impulso de rayo/operativo). Se utilizaron los parámetros ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) para el impulso operativo, teniendo en cuenta la impedancia del reactor.

Estos resultados demuestran la aplicabilidad y superioridad del reactor en la red eléctrica de Brasil, especialmente en términos de eficiencia energética y protección ambiental, apoyando el desarrollo sostenible. Los resultados también verifican la especificación técnica científica y visionaria.

3.2 Evaluación de la optimización de los estándares técnicos

Basándose en la práctica y la operación, el equipo propone las siguientes optimizaciones:

• Límites de pérdidas: Reducir el límite de pérdidas del reactor de 500kV/20 Mvar de 60 kW @ 80°C a 58 kW @ 80°C; usar 75°C como referencia para el cálculo de pérdidas.

• Estándares de ruido: Refinar los estándares (por ejemplo, 75 dB(A) para subestaciones cercanas a viviendas); considerar el ruido bajo diferentes tensiones (por ejemplo, 600 kV).

• Límites de aumento de temperatura: Ajustar el límite de aumento de temperatura promedio de 60K a 50K; especificar aislamiento de clase B (índice de temperatura 130°C, aumentos de temperatura promedio/puntos calientes 60/90°C).

• Coordinación de aislamiento: Aumentar la tensión de soporte de impulso de rayo a 1600 kV (debido a los frecuentes rayos en Brasil); usar 140 kV de aislamiento seco de frecuencia de red para el aislamiento del punto neutro. Definir la frecuencia de prueba (≥48 Hz, 80% de la nominal) y la duración (≥60 s).

• Adaptabilidad ambiental: Añadir requisitos de resistencia a la niebla salina (zonas costeras); considerar el impacto del EMF, establecer espaciamiento. Usar escudos, recubrimientos anticontaminación y anti-UV en el diseño.

Estas sugerencias mejoran el rendimiento y la confiabilidad del reactor, guían los futuros estándares y ayudan a que la red eléctrica de Brasil se desarrolle de manera eficiente, fiable y sostenible.