Deseño dun novo caixa de anel principal aislada ao ga con 12kV amigable co medio ambiente

1. Diseño específico

1.1 Conceito de diseño

A Corporación Estatal da Rede eléctrica de China promove activamente a conservación de enerxía na rede e o desenvolvemento de baixo carbono para lograr os obxectivos nacionais de pico de carbono (2030) e neutralidade (2060). As unidades de anel principal aisladas a gas ambientalmente amigables representan esta tendencia. Unha nova unidade de anel principal integrada aislada a gas ambientalmente amigable de 12kV foi deseñada combinando a tecnoloxía do interrumpidor de vacío con desconnectores de tres posicións e interruptores de circuito de vacío. O deseño utilizou SolidWorks para o modelado 3D con estrutura modular (tanque de gas, cámaras de alivio de presión, corpo do armario, salas de instrumentos). A unidade consta de compartimentos metálicos separados (sala de mecanismo, sala de interruptor de circuito, sala de cables, sala de instrumentos), cada un coas súas propias canles de alivio de presión. O deseño admite configuracións de unidade independente e de caixa común.

1.2 Integración do desconnector de tres posicións e o interruptor de circuito de vacío 

A integración dos desconnectores de tres posicións e os interruptores de circuito de vacío é clave neste deseño, composto por desconnectores superiores de tres posicións interconectados e dispositivos inferiores de interruptor de circuito de dúas posicións. O desconnector de tres posicións funciona en posicións de terra, cerrado e aislamento, mentres que o interruptor de circuito funciona en estados aberto/cerrado. O marco de soporte da lâmina de aislamento usa material de nailon de alta resistencia con boa tenacidade e resistencia ao calor. A tecnoloxía de molas de disco Mubea proporciona a presión de contacto. 

Unha cuberta uniforme nos contactos móveis asegura a uniformidade do campo eléctrico e reduz a descarga parcial. As cubertas aislantes nas bushings trifásicas melloran o aislamento entre fases. Durante as probas, múltiples optimizacións aseguraron as características mecánicas adecuadas (profundidade de encaixe, rebote, sincronización trifásica, velocidade de funcionamento). O interruptor de circuito de vacío presenta columnas de polo seladas sólidamente montadas con catro tornillos. 

O terminal do interrumpidor de vacío serve como centro de rotación para a lâmina do desconnector, cun brazo de palanca de plástico en forma de Z que utiliza o principio de palanca para a operación. As barras de cobre coas superficies vulcanizadas conectan os terminais inferiores do interruptor de circuito. Como se mostra na Figura 1, este deseño integrado reconoce o interrumpidor de vacío como o componente central que determina a fiabilidade global, sendo a estrutura de contacto e o método de extinción de arco elementos críticos de deseño.

Para lograr a miniaturización e a maior fiabilidade, implementáronse contactos en forma de copo con campos magnéticos longitudinais, bobinas e núcleos de ferro. Ao contrario dos campos magnéticos transversais, os campos longitudinais aumentan a corrente de transición de arcos difusos a confinados, ofrecendo un desgaste eléctrico mínimo, unha vida útil prolongada e unha capacidade de interrupción superior. O campo magnético rotatorio xerado pola corrente alternativa trifásica combínase co campo longitudinal do contacto en forma de copo para formar correntes de Foucault que reducen a tensión do arco e distribúen o arco uniformemente na superficie do ánodo. Este deseño aumenta a capacidade de interrupción de curto-circuito de 20kA a 25kA no mesmo volume.

1.3 Mecanismo de operación do interruptor

O mecanismo de operación do interruptor, montado directamente na parte frontal do tanque de aislamento, acciona tanto o interruptor de circuito de vacío como o desconnector de tres posicións mediante conexiones directas de eixo sen componentes intermedios. Este deseño minimiza o tempo de apertura do interruptor de circuito de vacío para evitar a erosión dos contactos. O mecanismo admite operación manual e eléctrica coa almacenamento de enerxía mediante o principio de embrague de sobrepaso. O desconnector de tres posicións emprega unha tracción de mola de torsión con un deseño de rotación coaxial que asegura a sincronización trifásica e o rendemento fiable do interruptor de terra. Os seus dous orificios de operación controlan separadamente as funcións de terra e aislamento.

1.4 Circuíto principal 

O circuíto principal—compuesto por bushings de cable, lâminas de desconnector, contactos do interrumpidor de vacío, conexións flexibles e barras de bus—está sellado dentro dun tanque de acero inoxidable usando juntas labiais para partes dinámicas e juntas tóricas para o sellado estático, recheado con 0.02 MPa de nitróxeno ou aire seco. O deseño longitudinal integrado do desconnector de tres posicións e o interruptor de circuito de vacío permitem a retirada modular. As distancias entre fases mantéñense en 150mm para un aislamento adecuado. O terminal do interrumpidor de vacío serve como centro de rotación para a lâmina do desconnector, cunhas palancas de plástico en forma de Z que traducen o movemento do mecanismo de operación ao movemento dos contactos.

1.5 Tanque de gas e liña de produción

O deseño do tanque de gas priorizou a fabricación de precisión e a estanquidade. O corte láser asegura componentes de acero inoxidable sen rebabas, mentres que a soldadura robótica garante a integridade das costuras e a resistencia mecánica. A produción emprega un deseño linear con vehículos de transporte en raíl que se moven entre as postas de traballo para optimizar a eficiencia do fluxo de traballo.

2 Análise de aislamento 

2.1 Aislamento do desconnector de tres posicións

O deseño de tres posicións tipo cuchillo proporciona puntos de desconexión visibles e unha terra fiable. O uso de material de nailon de alta resistencia para o eixo de rotación e cubertas de nivelación de aluminio nas cabezas das lâminas mellora a uniformidade do campo. A simulación e as probas confirmaron que o rendemento de aislamento resiste unha tensión de impulsión de raio de 90kV.

2.2 Aislamento xeral do terra

A análise centrouse nas áreas críticas: claridades entre fases e entre fase e tanque (distancia mínima de 125mm no centro), e componentes aislantes. A colocación estratégica de aislamiento sólido en zonas de alto campo e aislamiento a gas en zonas de baixo campo optimiza a distribución do campo. Medidas adicionais inclúen o encapsulamento de epoxy dos contactos, a mellora dos materiais das palancas Z, varillas aislantes de fibra e cubertas de escudo nas conexións de barras de bus para prevenir a concentración do campo.

3 Conclusión 

A nova unidade de anel principal aislada a gas ecolóxico combina a extinción do arco no vacío co aislamento a gas ecolóxico, destacando por un selado completo, operación sen manutención, tamaño compacto e aislamento integral. Todos os compoñentes de alta tensión están selados dentro do tanque de acero inoxidable, o que a fai axeitada para aplicacións ao aire libre e en interiores, incluíndo estacións de comutación, salas de distribución e subestacións tipo caja. Diseñada para sistemas de CA trifásico de 50Hz, 12kV, ofrece unha distribución de enerxía confiable para aplicacións residenciais, comerciais, industriais, de transporte e de infraestrutura, con excelentes características de fiabilidade, adaptabilidade ambiental e seguridade.