Disseny d'una nova unitat de distribució anellada aïllada amb gas ecològica de 12kV

1. Disseny Específic

1.1 Concepte de Disseny

La Corporació d'Electricitat Estatal de Xina promou activament l'estalvi energètic i el desenvolupament de baixes emissions de carboni en la xarxa per aconseguir els objectius nacionals de pico de carboni (2030) i neutralitat (2060). Les unitats de distribució anulars aïllades amb gas ecològiques representen aquesta tendència. S'ha dissenyat una nova unitat de distribució anular aïllada amb gas ecològica integrada de 12kV que combina la tecnologia dels interruptors a buit amb desconnectors de tres posicions i interruptors de circuit a buit. El disseny utilitzà SolidWorks per al modelatge 3D amb una estructura modular (dipòsit de gas, càmaras de descàrrega de pressió, cos del quadre, habitacions d'instruments). L'unitat consta de compartiments metàl·lics tancats separats (habitació de mecanisme, habitació d'interruptor de circuit, habitació de cablaments, habitació d'instruments), cadascun amb canals de descàrrega de pressió independents. El disseny suporta configuracions d'unitat independent i de caixa comuna.

1.2 Integració del Desconnector de Tres Posicions i l'Interruptor de Circuit a Buit

La integració dels desconnectors de tres posicions i els interruptors de circuit a buit és clau en aquest disseny, que inclou desconnectors superiors de tres posicions interconnectats i dispositius inferiors d'interruptor de circuit de dues posicions. El desconnector de tres posicions funciona en les posicions de terra, tancat i isolat, mentre que l'interruptor de circuit funciona en estats oberts/tancats. El marc de suport de la lamina d'isolació utilitza material de nailon d'alta resistència amb bona tenacitat i resistència al calor. La tecnologia de muelles de disc Mubea proporciona la pressió de contacte.

Una cobertura uniforme sobre els contactes mòbils assegura l'uniformitat del camp elèctric i redueix la descàrrega parcial. Les cobertures aïllants en les tres fases augmenten l'aïllament entre fases. Durant les proves, múltiples optimitzacions van assegurar les característiques mecàniques adequades (profunditat d'enganx, rebot, sincronització de les tres fases, velocitat d'operació). L'interruptor de circuit a buit disposa de columnes de pols sòlidament sellades amb quatre torns.

El terminal de l'interruptor a buit serveix com a centre de rotació per a la lamina del desconnector, amb un braç de palanca de plàstic en forma de Z que utilitza el principi de la palanca per a l'operació. Les barres de cobre amb superfícies vulcanitzades connecten els terminals inferiors de l'interruptor de circuit. Com es mostra a la Figura 1, aquest disseny integrat reconeix l'interruptor a buit com el component central que determina la fiabilitat general, amb la estructura de contacte i el mètode d'extinció de l'arc sent elements crítics de disseny.

Per aconseguir la miniaturització i una major fiabilitat, s'han implementat contactes de forma de gota amb camp magnètic longitudinal, bobines i nuclei ferrosos. A diferència dels camps magnètics transversals, els camps longitudinals incrementen la corrent de transició de l'arc difús a l'arc concentrat, oferint un desgast elèctric mínim, una vida útil més llarga i una capacitat de trencament superior. El camp magnètic rotatori generat per la corrent alternada de tres fases es combina amb el camp longitudinal del contacte de forma de gota per formar corrents de Foucault que redueixen la tensió de l'arc i distribueixen l'arc uniformement a la superfície de l'ànoda. Aquest disseny augmenta la capacitat de trencament de curts circuits de 20kA a 25kA en un volum idèntic.

1.3 Mecanisme d'Operació del Commutador

El mecanisme d'operació del commutador, muntat directament a la part frontal del dipòsit d'aïllament, acciona tant l'interruptor de circuit a buit com el desconnector de tres posicions mitjançant connexions directes d'eix sense components intermedis. Aquest disseny minimitza el temps d'obertura de l'interruptor de circuit a buit per prevenir l'eròsió dels contactes. El mecanisme suporta operació manual i elèctrica amb emmagatzematge d'energia mitjançant el principi de la rueda lliure. El desconnector de tres posicions utilitza un propulsor de molla de torsió amb un disseny de rotació coaxial que assegura la sincronització de les tres fases i un rendiment fiable del commutador de terra. Les seves dobles obertures d'operació controlen separadament les funcions de terra i isolament.

1.4 Circuit Principal

El circuit principal, que consta de bornes de cable, lamines de desconnectors, contactes d'interruptors a buit, connexions flexibles i barres de cobre, està tancat dins d'un dipòsit d'acer inoxidable utilitzant juntes labials per a les parts dinàmiques i juntes toroidals per a l'aïllament estàtic, omplert amb 0,02 MPa de nitrògen o aire sec. El disseny longitudinal integrat del desconnector de tres posicions i l'interruptor de circuit a buit permet la retirada modular. Les distàncies entre fases es mantenen a 150 mm per assegurar un aïllament adequat. El terminal de l'interruptor a buit serveix com a centre de rotació per a la lamina del desconnector, amb braços de palanca de plàstic en forma de Z que tradueixen el moviment del mecanisme d'operació al moviment dels contactes.

1.5 Dipòsit de Gas i Línia de Producció

El disseny del dipòsit de gas va prioritzar la fabricació precisa i l'estanqueïtat. El tall amb llaser assegura components d'acer inoxidable sense rebuts, mentre que la soldadura robòtica garanteix la integritat de les costures i la resistència mecànica. La producció utilitza una disposició lineal amb vehicles de transport sobre rails que es mouen entre les estacions de treball per optimitzar l'eficiència del flux de treball.

2 Anàlisi de l'Aïllament

2.1 Aïllament del Desconnector de Tres Posicions

El disseny de desconnector de tres posicions de tipus cuchillo proporciona punts de desconnexió visibles i aterrissament fiable. Utilitzar material de nailon d'alta resistència per a l'eix rotatori i cobertures igualadores d'alumini a les caps de les lamines millora l'uniformitat del camp. Les simulacions i les proves confirmaren que el rendiment de l'aïllament suporta una tensió d'impuls d'aterrissament de 90 kV.

2.2 Aïllament General al Terra

L'anàlisi es va centrar en àrees crítiques: les distàncies entre fases i entre fase i dipòsit (distància mínima del centre de 125 mm), i els components aïllants. La col·locació estratègica de l'aïllament sòlid en àrees de camp elevat i l'aïllament de gas en àrees de camp baix optimitzen la distribució del camp. Mesures addicionals incloen l'encapsulació d'epoxi dels contactes, la millora dels materials dels braços Z, rodes aïllants de fibra i cobertures protectora a les connexions de les barres de cobre per prevenir la concentració del camp.

3 Conclusió

La nova unitat principal de llaços amb aïllament per gas ecològic combina la extinció d'arc al buit amb l'aïllament per gas ecològic, presentant un aïllament complet, una operació sense necessitat de manteniment, un tamany compacte i un aïllament total. Tots els components d'alta tensió estan tancats dins del dipòsit d'acer inoxidable, el que la fa adequada per a aplicacions interiors i exteriors, incloent-hi estacions de commutació, sales de distribució i subestacions en caixa. Dissenyada per a sistemes de 50Hz, 12kV tri-fàsics, ofereix una distribució d'energia fiable per a aplicacions residencials, comercials, industrials, de transport i d'infraestructures, amb excel·lents característiques de fiabilitat, adaptabilitat ambiental i seguretat.