Caratteristiche tecniche applicazioni e standard dei reattori a secco di 500kV in Brasile

1 Caratteristiche tecniche e riferimenti normativi dei reattori shunt a secco da 500kV
1.1 Caratteristiche tecniche

Il reattore shunt a secco da 500kV, un dispositivo di potenza senza olio per sistemi di trasmissione ad ultra-alta tensione, presenta caratteristiche fondamentali come isolamento avanzato, dissipazione del calore innovativa, progettazione elettromagnetica ottimizzata e struttura modulare. Questi vantaggi, che superano quelli dei tradizionali reattori immersi in olio, stimolano nuove esigenze standardizzative.

• Isolamento avanzato: Utilizzando la colata in resina epoxidica e nanocompositi (con particelle di nano-SiO₂ che aumentano la resistenza all'isolamento della resina epoxidica di circa il 40% e la tensione iniziale di scarica parziale del 25%), si migliora l'isolamento e la resistenza alla scarica parziale. Questa svolta richiede una ridefinizione dei livelli di isolamento e dei metodi di prova per le scariche parziali nelle norme.

• Dissipazione del calore innovativa: Una struttura composita (raffreddamento forzato a canali multipli + dissipazione del calore assistita da materiali a cambiamento di fase) mantiene l'aumento di temperatura nei punti caldi entro i 60K (ben al di sotto dei limiti IEC, verificati tramite analisi agli elementi finiti ed esperimenti). Sono necessari nuovi metodi/limiti di prova per l'aumento di temperatura nelle norme.

• Progettazione elettromagnetica ottimizzata: Avvolgimento stratificato multiplo e isolamento a gradiente ottimizzano la distribuzione del campo elettrico, migliorando la resistenza ai cortocircuiti. L'analisi agli elementi finiti mostra una riduzione di circa il 20% della tensione massima nel campo elettrico degli avvolgimenti. Le norme dovrebbero aggiungere metodi di valutazione per la distribuzione del campo elettrico e la resistenza ai cortocircuiti.

• Struttura modulare: Composta da unità di base identiche connesse in serie, facilitando la produzione, il trasporto e l'installazione sul sito. Le norme devono includere requisiti di prova per l'affidabilità delle connessioni intermodulari e la coerenza delle prestazioni complessive.

1.2 Riferimenti e formulazione di norme tecniche

Nell'applicazione della tecnologia dei reattori shunt a secco da 500kV in Brasile, le norme tecniche hanno giocato un ruolo chiave. Il team di ricerca ha approfondito la norma elettrica brasiliana ABNT NBR 5356 - 6 Trasformatori Parte 6: Reattori, e ha combinato norme internazionali come IEC 60076 - 6 Trasformatori di potenza - Parte 6: Reattori e IEEE Std C57.12.90 - 2021 Procedure standard di prova per trasformatori di distribuzione, potenza e regolazione a immersione in liquido, per sviluppare una specifica tecnica per i reattori shunt a secco da 500kV adatta al contesto brasiliano.

I punti chiave durante la formulazione della specifica:

• Livello di isolamento: Adattato alla rete brasiliana, i requisiti di isolamento sono stati elevati (tensione di resistenza a impulso atmosferico: 1550kV; tensione di resistenza a impulso operativo: 1175kV - superiore alle norme cinesi ma adatto alla rete). Secondo la NBR5356 - 6, il test di impulso di commutazione Tz ≥ 1000 µs e Td ≥ 200 µs.

• Aumento di temperatura e dissipazione del calore: Per l'ambiente a alta temperatura del Brasile, il limite medio di aumento di temperatura è stato ridotto da 60K a 50K (grazie a un design di raffreddamento innovativo, migliorando la sicurezza). Sono state aggiunte analisi termografiche e monitoraggio a lungo termine della struttura di raffreddamento composita.

• Requisiti e calcolo delle perdite: Progettato secondo le norme brasiliane con un limite di perdite per interferenza del 0,3%. Utilizzando l'Allegato B.2 dello standard IEEE Std C57.12.90 - 2021, è stato costruito un modello di conversione delle perdite da 50Hz a 60Hz, garantendo calcoli delle perdite accurati e comparabili tra le frequenze.

• Adattabilità ambientale: Per il clima caldo e umido del Brasile, sono stati aggiunti requisiti antifog salino, antiflashover da inquinamento e anti-UV per migliorare l'affidabilità a lungo termine. Sono state formulate prove come l'invecchiamento accelerato e i cicli di umidità-calore.

2 Pratica applicativa dei reattori shunt a secco da 500kV in Brasile
2.1 Sfide nella introduzione della tecnologia e nell'adattamento delle norme

L'applicazione della tecnologia dei reattori shunt a secco da 500kV nel sistema elettrico brasiliano presenta molteplici sfide, richiedendo soluzioni per questi problemi chiave:

• Differenze di norme tecniche: La norma brasiliana ABNT NBR 5356 - 6 Trasformatori Parte 6: Reattori e la norma cinese GB/T 1094.6 - 2017 Trasformatori di potenza - Parte 6: Reattori sono simili strutturalmente ma differiscono in requisiti specifici e dettagli di implementazione. Entrambe fanno riferimento all'IEC 60076 - 6 ma sono localizzate per esigenze nazionali, variando in termini di livelli di isolamento, limiti di aumento di temperatura e metodi di calcolo delle perdite. Queste differenze richiedono una gestione attenta durante l'adattamento tecnologico.

• Adattabilità climatica: Il clima tropicale del Brasile (ad esempio, regione di Silvânia: temperatura media annuale >25°C, umidità relativa ≥80%) impone requisiti più elevati di dissipazione del calore e isolamento. Un ambiente così caldo e umido pone gravi sfide all'isolamento e alla durata di vita dell'equipaggiamento elettrico tradizionale.

• Adattamento alle caratteristiche della rete: La rete a 500kV del Brasile presenta fluttuazioni di tensione ~15% superiori rispetto alle reti cinesi dello stesso livello, con ambienti armonici diversi. I reattori necessitano di maggiore adattabilità alla tensione e di prestazioni antiharmoniche migliori.

• Esigenze locali di manutenzione e operazione (M&O): Per garantire un'operazione affidabile a lungo termine, devono essere prese in considerazione le capacità e abitudini M&O locali, coprendo formazione tecnica, fornitura di pezzi di ricambio e servizi locali.

2.2 Ajustamento e innovazione delle norme tecniche

Per affrontare queste sfide, questa ricerca ha adottato misure innovative, la più cruciale delle quali è stata l'adattamento delle norme tecniche e specifiche pre-progetto sulla base dell'uso effettivo e dei test del nuovo reattore a secco. Ciò ha risolto i problemi di adattamento tecnico e ha fornito un riferimento chiave per progetti simili.

Modifiche chiave alle norme tecniche:

• Annullamento del test di scarica parziale: L'interferenza corona esterna sui reattori a secco supera di gran lunga le loro scariche parziali interne. Non essendoci metodi di prova/criteri maturi per le scariche parziali d'interferenza, e considerando che la NBR 5356 - 11 - 2016 si applica solo a trasformatori a secco a bassa tensione (senza interferenza esterna) e l'IEEE C57.21 esclude i reattori shunt a secco da tali prove, il test di scarica parziale per i reattori a secco da 500kV è annullato.

• Ottimizzazione dell'isolamento e del tempo di prova: Secondo le norme brasiliane, la tensione di resistenza a impulso atmosferico è di 1550kV e la tensione di resistenza a impulso operativo è di 1175kV. A causa dell'impedenza del reattore, i parametri di tempo del test di impulso di commutazione sono stati modificati a Td ≥ 120 µs e Tz ≥ 500 µs.

• Miglioramento della dissipazione del calore: Per il clima caldo e umido del Brasile, è stata sviluppata una nuova struttura di dissipazione del calore composita utilizzando l'isolamento di Classe H (180°C) (che aumenta la resistenza al calore di 30°C rispetto ai disegni tradizionali). Le simulazioni termiche mostrano che l'aumento di temperatura nei punti caldi rimane entro i 60K (sotto i limiti di progettazione).

• Ajustamento del metodo di calcolo delle perdite: Le perdite di un reattore comprendono la perdita di resistenza continua dell'avvolgimento (Pdc) e la perdita addizionale dell'avvolgimento (Pa). Per una data struttura del reattore, sia Pdc che Pa sono proporzionali al quadrato della corrente. Utilizzando conduttori trasposti, e con solo pochi piccoli componenti metallici conduttori (come connettori) ai punti di connessione (non magnetici), la perdita addizionale rappresenta una bassa percentuale della perdita continua. I risultati dei test mostrano che la perdita addizionale del prototipo è di ~9%-12%, quindi la formula di calcolo delle perdite è la seguente:

• Miglioramento dell'adattabilità alla tensione: Ottimizzando la progettazione elettromagnetica, l'intervallo di adattabilità della tensione dell'equipaggiamento è stato ampliato per far fronte alle grandi fluttuazioni di tensione nella rete elettrica brasiliana. Nel frattempo, le prestazioni antiharmoniche dell'equipaggiamento sono state migliorate, e le modalità armoniche sono state ridotte attraverso un design speciale dell'avvolgimento.

3 Valutazione degli effetti pratici e delle norme tecniche
3.1 Analisi degli effetti pratici

Attraverso l'applicazione presso la sottostazione di Silvânia, il reattore shunt a secco da 500kV ha dimostrato un'ottima performance. Secondo il rapporto di prova CEPRI-EETC03-2022-0880 (E), gli indicatori chiave:

• Livello di perdite: Perdita misurata: 58,367kW @ 80°C (sotto il limite di 60kW), confermando metodi di calcolo e controllo delle perdite efficaci.

• Controllo del rumore: Rumore misurato: 57dB(A) (ben al di sotto del requisito di 80dB(A)), grazie a un design focalizzato sul controllo del rumore.

• Prestazioni di aumento di temperatura: Aumento medio di temperatura: 22,9K; aumento nei punti caldi: 26,5K (entrambi sotto i limiti di progettazione), validando il nuovo design di raffreddamento per il clima brasiliano.

• Prestazioni elettriche: Buona performance nei test (impulso atmosferico/operativo). Parametri ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) per l'impulso operativo, tenendo conto dell'impedenza del reattore.

Questi risultati dimostrano l'applicabilità e la superiorità del reattore nella rete elettrica brasiliana, in particolare in termini di efficienza energetica e protezione ambientale, supportando lo sviluppo sostenibile. I risultati confermano anche specifiche tecniche scientifiche e futuristiche.

3.2 Valutazione dell'ottimizzazione delle norme tecniche

In base alla pratica e all'operazione, il team propone le seguenti ottimizzazioni:

• Limiti di perdita: Ridurre il limite di perdita per reattori da 500kV/20Mvar da 60kW @ 80°C a 58kW @ 80°C; utilizzare 75°C come riferimento per il calcolo delle perdite.

• Standard di rumore: Affinare gli standard (ad esempio, 75dB(A) per sottostazioni vicine a zone residenziali); considerare il rumore a varie tensioni (ad esempio, 600kV).

• Limiti di aumento di temperatura: Modificare il limite medio di aumento di temperatura da 60K a 50K; specificare l'isolamento di Classe B (indice di temperatura 130°C, aumenti medi/punti caldi 60/90°C).

• Coordinazione dell'isolamento: Aumentare la tensione di resistenza a impulso atmosferico a 1600kV (per la frequente presenza di fulmini in Brasile); utilizzare 140kV di resistenza a impulso di alimentazione secca per l'isolamento del punto neutro. Definire la frequenza di prova (≥48Hz, 80% della nominale) e la durata (≥60s).

• Adattabilità ambientale: Aggiungere requisiti antifog salino (zone costiere); considerare l'impatto del campo elettromagnetico, stabilire spaziature. Utilizzare schermi, rivestimenti antinquinamento/antiraggi UV nel design.

Queste suggerimenti migliorano le prestazioni e l'affidabilità del reattore, guidano le future norme e aiutano lo sviluppo efficiente, affidabile e sostenibile della rete elettrica brasiliana.