Progettazione di una nuova unità principale ad anello a gas isolante ecologica da 12kV

1. Progettazione Specifica

1.1 Concetto di Progettazione

La State Grid Corporation of China promuove attivamente l'energia risparmiata e lo sviluppo a basso contenuto di carbonio della rete per raggiungere gli obiettivi nazionali di picco del carbonio (2030) e neutralità (2060). Le unità principali ad anello con isolamento a gas ecologico rappresentano questa tendenza. È stata progettata una nuova unità principale ad anello integrata a 12kV con isolamento a gas ecologico, combinando la tecnologia dell'interruttore a vuoto con disgiuntori trifunzione e interruttori a vuoto. Il progetto ha utilizzato SolidWorks per il modellazione 3D con struttura modulare (serbatoio di gas, camere di rilascio di pressione, corpo dell'armadio, stanze degli strumenti). L'unità è composta da compartimenti metallici separati (stanza dei meccanismi, stanza dell'interruttore, stanza dei cavi, stanza degli strumenti), ciascuno con canali di rilascio di pressione indipendenti. La progettazione supporta sia configurazioni di unità indipendenti che di scatole comuni.

1.2 Integrazione del Disgiuntore Trifunzione e dell'Interruttore a Vuoto

L'integrazione del disgiuntore trifunzione e dell'interruttore a vuoto è fondamentale per questo progetto, comprendendo disgiuntori trifunzione superiori interconnessi e dispositivi di interruttore bifunzione inferiori. Il disgiuntore trifunzione funziona nelle posizioni di terra, chiuso e isolamento, mentre l'interruttore funziona in stati aperto/chiuso. Il telaio di supporto della lama d'isolamento utilizza materiale nylon ad alta resistenza con buona tenacità e resistenza al calore. La tecnologia delle molle a disco Mubea fornisce la pressione di contatto.

Un coperchio uniforme sui contatti mobili assicura l'uniformità del campo elettrico e riduce la scarica parziale. Coperture isolanti su bushing trifase migliorano l'isolamento tra le fasi. Durante i test, diverse ottimizzazioni hanno garantito caratteristiche meccaniche appropriate (profondità di ingaggio, rimbalzo, sincronizzazione trifase, velocità di funzionamento). L'interruttore a vuoto presenta colonne di poli saldati ermeticamente montate con quattro viti.

Il terminale dell'interruttore a vuoto funge da centro di rotazione per la lama del disgiuntore, con un braccio di leva in plastica a forma di Z che utilizza il principio della leva per l'operazione. Barre di rame con superfici vulcanizzate collegano i terminali inferiori dell'interruttore. Come mostrato nella Figura 1, questa integrazione riconosce l'interruttore a vuoto come componente chiave che determina l'affidabilità complessiva, con la struttura dei contatti e il metodo di estinzione dell'arco come elementi critici del progetto.

Per ottenere la miniaturizzazione e un'alta affidabilità, sono state implementate contatti a coppa con campo magnetico longitudinale, avvolgimenti a spirale e nuclei di ferro. A differenza dei campi magnetici trasversali, i campi longitudinali aumentano la corrente di transizione da arco diffuso a arco concentrato, offrendo un minimo usura elettrica, una vita utile prolungata e una capacità di interruzione superiore. Il campo magnetico rotante generato dalla corrente alternata trifase si combina con il campo longitudinale del contatto a coppa per formare correnti di turbolenza che riducono la tensione dell'arco e distribuiscono l'arco uniformemente sulla superficie dell'anodo. Questo progetto aumenta la capacità di interruzione a cortocircuito da 20kA a 25kA con lo stesso volume.

1.3 Meccanismo di Azionamento dello Switch

Il meccanismo di azionamento dello switch, montato direttamente sul fronte del serbatoio di isolamento, aziona sia l'interruttore a vuoto che il disgiuntore trifunzione tramite connessioni dirette di alberi senza componenti intermedi. Questo progetto minimizza il tempo di apertura dell'interruttore a vuoto per prevenire l'erosione dei contatti. Il meccanismo supporta operazioni manuali ed elettriche con accumulo di energia attraverso il principio della frizione a slittamento libero. Il disgiuntore trifunzione utilizza un'azionamento a molla elicoidale con un design di rotazione coassiale che garantisce la sincronizzazione trifase e prestazioni affidabili dello switch di messa a terra. I suoi due fori di operazione controllano separatamente le funzioni di messa a terra e di isolamento.

1.4 Circuito Principale

Il circuito principale, composto da bushing dei cavi, lame del disgiuntore, contatti dell'interruttore a vuoto, connessioni flessibili e barre di rame, è sigillato all'interno di un serbatoio in acciaio inossidabile utilizzando guarnizioni labiali per le parti dinamiche e O-ring per il sigillaggio statico, riempito con 0,02 MPa di azoto o aria secca. L'integrazione longitudinale del disgiuntore trifunzione e dell'interruttore a vuoto consente la ritirabilità modulare. Le distanze tra le fasi sono mantenute a 150 mm per un'isolazione adeguata. Il terminale dell'interruttore a vuoto funge da centro di rotazione per la lama del disgiuntore, con bracci di leva in plastica a forma di Z che traducono il movimento del meccanismo di azionamento nel movimento dei contatti.

1.5 Serbatoio di Gas e Linea di Produzione

Il progetto del serbatoio di gas ha dato priorità alla lavorazione precisa e alla strettatura. La taglio laser garantisce componenti in acciaio inossidabile privi di spigoli, mentre la saldatura robotica assicura l'integrità delle giunzioni e la resistenza meccanica. La produzione utilizza un layout lineare con veicoli di trasporto su rotaie che si muovono tra le postazioni di lavoro per ottimizzare l'efficienza del flusso di lavoro.

2 Analisi dell'Isolamento

2.1 Isolamento del Disgiuntore Trifunzione

Il design trifunzione a coltello fornisce punti di disconnessione visibili e un'accurata messa a terra. L'utilizzo di materiale nylon ad alta resistenza per l'albero di rotazione e coperture di egualizzazione in alluminio sulle teste delle lame migliora l'uniformità del campo. Simulazioni e test hanno confermato che le prestazioni di isolamento resistono a impulsi di tensione da fulmine di 90 kV.

2.2 Isolamento Generale a Terra

L'analisi si è concentrata su aree critiche: distanze tra fasi e tra fase e serbatoio (distanza centrale minima di 125 mm), e componenti isolanti. La disposizione strategica di isolamento solido in aree ad alto campo e isolamento a gas in aree a basso campo ottimizza la distribuzione del campo. Ulteriori misure includono l'incapsulamento epoxy dei contatti, materiali migliorati per il braccio Z, aste isolate in fibra e coperture schermanti alle connessioni delle barre di rame per prevenire la concentrazione del campo.

3 Conclusione

La nuova unità principale ad anello isolata a gas ecologico combina la spegnimento dell'arco al vuoto con l'isolamento a gas rispettoso dell'ambiente, caratterizzandosi per un sigillaggio completo, manutenzione zero, dimensioni compatte e isolamento totale. Tutti i componenti ad alta tensione sono sigillati all'interno della vasca in acciaio inossidabile, rendendola adatta per applicazioni esterne ed interne, incluse stazioni di commutazione, stanze di distribuzione e sottostazioni a scatola. Progettata per sistemi trifase CA 50Hz, 12kV, offre una distribuzione affidabile di energia elettrica per applicazioni residenziali, commerciali, industriali, di trasporto e infrastrutturali, con eccellenti caratteristiche di affidabilità, adattabilità ambientale e sicurezza.