Diseño de una Nueva Unidad Principal de Anillo Aislada con Gas Amigable con el Medio Ambiente de 12kV

1. Diseño Específico

1.1 Concepto de Diseño

La Corporación Estatal de la Red Eléctrica de China promueve activamente la conservación de energía y el desarrollo de bajo carbono en la red para alcanzar las metas nacionales de pico de carbono (2030) y neutralidad (2060). Las unidades de anillo principal aisladas con gas ecológico representan esta tendencia. Se diseñó una nueva unidad de anillo principal integrada ecológica de 12kV combinando tecnología de interrumpidores de vacío con seccionadores de tres posiciones e interruptores de circuito de vacío. El diseño utilizó SolidWorks para modelado 3D con estructura modular (tanque de gas, cámaras de alivio de presión, cuerpo del gabinete, salas de instrumentos). La unidad consta de compartimentos metálicos cerrados separados (sala de mecanismo, sala de interruptor de circuito, sala de cable, sala de instrumentos), cada uno con canales de alivio de presión independientes. El diseño admite configuraciones tanto de unidad independiente como de caja común.

1.2 Integración del Seccionador de Tres Posiciones y el Interruptor de Circuito de Vacío 

La integración de seccionadores de tres posiciones e interruptores de circuito de vacío es clave en este diseño, compuesta por dispositivos de seccionadores superiores de tres posiciones y dispositivos de interruptor de circuito inferiores de dos posiciones. El seccionador de tres posiciones opera en posiciones de tierra, cerrado e aislamiento, mientras que el interruptor de circuito funciona en estados abierto/cerrado. El marco de soporte de la hoja de aislamiento utiliza material de nailon de alta resistencia con buena tenacidad y resistencia al calor. La tecnología de resortes de disco Mubea proporciona la presión de contacto. 

Una cubierta uniforme en los contactos móviles asegura la uniformidad del campo eléctrico y reduce la descarga parcial. Cubiertas aislantes en los bornes trifásicos mejoran el aislamiento entre fases. Durante las pruebas, múltiples optimizaciones aseguraron las características mecánicas adecuadas (profundidad de enganche, rebote, sincronización trifásica, velocidad de operación). El interruptor de circuito de vacío presenta columnas de polo selladas sólidamente montadas con cuatro tornillos. 

El terminal del interrumpidor de vacío sirve como centro de rotación para la hoja del seccionador, con un brazo de palanca plástico en forma de Z que utiliza el principio de palanca para la operación. Barras colectoras de cobre con superficies vulcanizadas conectan los terminales inferiores del interruptor de circuito. Como se muestra en la Figura 1, este diseño de integración reconoce al interrumpidor de vacío como el componente central que determina la confiabilidad general, siendo la estructura de contacto y el método de extinción de arco elementos críticos de diseño.

Para lograr la miniaturización y mayor confiabilidad, se implementaron contactos en forma de taza con campos magnéticos longitudinales, bobinados y núcleos de hierro. A diferencia de los campos magnéticos transversales, los campos longitudinales aumentan la corriente de transición de arcos difusos a arcos restringidos, ofreciendo un desgaste eléctrico mínimo, una vida útil extendida y una capacidad de interrupción superior. El campo magnético rotatorio generado por la corriente alterna trifásica se combina con el campo longitudinal del contacto en forma de taza para formar corrientes de Foucault que reducen el voltaje del arco y distribuyen el arco uniformemente sobre la superficie del ánodo. Este diseño aumenta la capacidad de interrupción de cortocircuitos de 20kA a 25kA en el mismo volumen.

1.3 Mecanismo de Operación del Interruptor

El mecanismo de operación del interruptor, montado directamente en la parte frontal del tanque de aislamiento, acciona tanto el interruptor de circuito de vacío como el seccionador de tres posiciones a través de conexiones de eje directo sin componentes intermedios. Este diseño minimiza el tiempo de apertura del interruptor de circuito de vacío para prevenir la erosión de los contactos. El mecanismo admite operación manual y eléctrica con almacenamiento de energía mediante el principio de embrague de sobrecorrida. El seccionador de tres posiciones utiliza accionamiento por resorte de torsión con diseño de rotación coaxial que asegura la sincronización trifásica y el rendimiento confiable del interruptor de tierra. Sus dos orificios de operación controlan separadamente las funciones de tierra y aislamiento.

1.4 Circuito Principal 

El circuito principal—compuesto por bornes de cable, hojas de seccionador, contactos de interrumpidores de vacío, conexiones flexibles y barras colectoras—está sellado dentro de un tanque de acero inoxidable utilizando juntas labiales para partes dinámicas y juntas tóricas para sellado estático, lleno con nitrógeno o aire seco a 0,02 MPa. El diseño longitudinal integrado del seccionador de tres posiciones e interruptor de circuito de vacío permite la extracción modular. Las distancias entre fases se mantienen en 150mm para un aislamiento adecuado. El terminal del interrumpidor de vacío sirve como centro de rotación para la hoja del seccionador, con brazos de palanca plásticos en forma de Z que traducen el movimiento del mecanismo de operación al movimiento de los contactos.

1.5 Tanque de Gas y Línea de Producción

El diseño del tanque de gas priorizó la fabricación de precisión y la estanqueidad. El corte láser asegura componentes de acero inoxidable sin rebabas, mientras que la soldadura robótica garantiza la integridad de las costuras y la resistencia mecánica. La producción emplea un diseño lineal con vehículos de transporte en vía que se mueven entre estaciones de trabajo para optimizar la eficiencia del flujo de trabajo.

2 Análisis de Aislamiento 

2.1 Aislamiento del Seccionador de Tres Posiciones

El diseño de seccionador de tres posiciones tipo cuchilla proporciona puntos de desconexión visibles y un aterramiento confiable. El uso de material de nailon de alta resistencia para el eje de rotación y cubiertas de aluminio de igualación en las cabezas de las hojas mejora la uniformidad del campo. Las simulaciones y pruebas confirmaron que el rendimiento de aislamiento resiste 90kV de tensión de impulso por rayo.

2.2 Aislamiento General al Suelo

El análisis se centró en áreas críticas: distancias entre fases y entre fase y tanque (distancia mínima de 125mm en el centro), y componentes aislantes. La colocación estratégica de aislamiento sólido en áreas de alto campo y aislamiento gaseoso en áreas de bajo campo optimiza la distribución del campo. Medidas adicionales incluyen encapsulación epoxi de los contactos, materiales mejorados para los brazos Z, varillas aislantes de fibra y cubiertas de escudo en las conexiones de las barras colectoras para prevenir la concentración del campo.

3 Conclusión 

La nueva unidad de anillo principal aislada por gas ecológica combina la extinción del arco por vacío con el aislamiento por gas ecológico, destacándose por su sellado completo, operación sin mantenimiento, tamaño compacto y aislamiento total. Todos los componentes de alta tensión están sellados dentro del tanque de acero inoxidable, lo que la hace adecuada para aplicaciones en exteriores e interiores, incluyendo estaciones de conmutación, salas de distribución y subestaciones tipo caja. Diseñada para sistemas trifásicos CA 50Hz, 12kV, ofrece una distribución de energía confiable para aplicaciones residenciales, comerciales, industriales, de transporte e infraestructura, con excelentes características de confiabilidad, adaptabilidad al medio ambiente y seguridad.