Projeto de um Novo Unidade Principal de Anel Isolada a Gás Amigável ao Meio Ambiente de 12kV

1. Projeto Específico

1.1 Conceito de Design

A State Grid Corporation of China promove ativamente a conservação de energia e o desenvolvimento de baixo carbono na rede para alcançar as metas nacionais de pico de carbono (2030) e neutralidade (2060). As unidades de anel principal isoladas a gás ambientalmente amigáveis representam essa tendência. Uma nova unidade de anel principal integrada e ambientalmente amigável de 12kV foi projetada, combinando tecnologia de interrompedor a vácuo com seccionadores de três posições e disjuntores a vácuo. O design utilizou SolidWorks para modelagem 3D com estrutura modular (tanque de gás, câmaras de alívio de pressão, corpo do gabinete, salas de instrumentos). A unidade consiste em compartimentos metálicos separados (sala de mecanismo, sala de disjuntor, sala de cabos, sala de instrumentos), cada um com canais de alívio de pressão independentes. O design suporta configurações de unidade independente e caixa comum.

1.2 Integração de Seccionador de Três Posições e Disjuntor a Vácuo

A integração de seccionadores de três posições e disjuntores a vácuo é fundamental para este design, compreendendo dispositivos de seccionadores superiores de três posições e disjuntores inferiores de duas posições. O seccionador de três posições opera nas posições de terra, fechado e isolamento, enquanto o disjuntor funciona nos estados aberto/fechado. O suporte da lâmina de isolamento usa material de nylon de alta resistência com boa tenacidade e resistência ao calor. A tecnologia de mola de disco Mubea fornece pressão de contato.

Uma cobertura uniforme nos contatos móveis garante a uniformidade do campo elétrico e reduz a descarga parcial. Coberturas isolantes nos bushings trifásicos aumentam a isolação entre fases. Durante os testes, múltiplas otimizações garantiram as características mecânicas adequadas (profundidade de engate, rebote, sincronização trifásica, velocidade de operação). O disjuntor a vácuo possui colunas de pólos seladas solidamente montadas com quatro parafusos.

O terminal do interrompedor a vácuo serve como centro de rotação para a lâmina do seccionador, com uma alavanca plástica em forma de Z utilizando o princípio da alavanca para operação. Barras de cobre com superfícies vulcanizadas conectam os terminais inferiores do disjuntor. Como mostrado na Figura 1, este design integrado reconhece o interrompedor a vácuo como o componente central que determina a confiabilidade geral, com a estrutura de contato e o método de extinção do arco sendo elementos críticos de design.

Para alcançar a miniaturização e confiabilidade aprimorada, foram implementados contatos em forma de copo com campo magnético longitudinal, bobinas e núcleos de ferro. Diferentemente dos campos magnéticos transversais, os campos longitudinais aumentam a corrente de transição de arcos difusos para arcos restritos, oferecendo desgaste elétrico mínimo, vida útil prolongada e capacidade de interrupção superior. O campo magnético rotativo gerado pela corrente alternada trifásica combina com o campo longitudinal do contato em forma de copo para formar correntes de fuga que reduzem a tensão do arco e distribuem o arco uniformemente na superfície do ânodo. Este design aumenta a capacidade de interrupção de curto-circuito de 20kA para 25kA no mesmo volume.

1.3 Mecanismo de Operação do Interruptor

O mecanismo de operação do interruptor, montado diretamente na frente do tanque de isolamento, aciona tanto o disjuntor a vácuo quanto o seccionador de três posições por meio de conexões diretas de eixo, sem componentes intermediários. Este design minimiza o tempo de abertura do disjuntor a vácuo para prevenir a erosão dos contatos. O mecanismo suporta operação manual e elétrica, com armazenamento de energia através do princípio de embreagem livre. O seccionador de três posições utiliza acionamento por mola de torção com design de rotação coaxial, garantindo sincronização trifásica e desempenho confiável do interruptor de aterramento. Suas duas aberturas de operação controlam separadamente as funções de aterramento e isolamento.

1.4 Circuito Principal

O circuito principal—composto por bushings de cabo, lâminas de seccionador, contatos do interrompedor a vácuo, conexões flexíveis e barras de cobre—é selado dentro de um tanque de aço inoxidável, usando juntas labiais para partes dinâmicas e juntas O para vedação estática, preenchido com nitrogênio ou ar seco a 0,02 MPa. O design integrado longitudinal do seccionador de três posições e do disjuntor a vácuo permite a retirada modular. As distâncias entre fases são mantidas em 150mm para isolamento adequado. O terminal do interrompedor a vácuo serve como centro de rotação para a lâmina do seccionador, com braços de alavanca plásticos em forma de Z traduzindo o movimento do mecanismo de operação para o movimento dos contatos.

1.5 Tanque de Gás e Linha de Produção

O design do tanque de gás priorizou a fabricação precisa e a estanqueidade. O corte a laser garante componentes de aço inoxidável sem rebarbas, enquanto a soldagem robótica garante a integridade das costuras e a resistência mecânica. A produção emprega layout linear com veículos de transporte em trilhos movendo-se entre estações de trabalho para otimizar a eficiência do fluxo de trabalho.

2 Análise de Isolamento

2.1 Isolamento do Seccionador de Três Posições

O design de seccionador de três posições tipo faca proporciona pontos de desconexão visíveis e aterramento confiável. O uso de material de nylon de alta resistência para o eixo de rotação e tampas niveladoras de alumínio nas cabeças das lâminas melhora a uniformidade do campo. Simulações e testes confirmaram que o desempenho de isolamento suporta 90kV de tensão de impulso de raio.

2.2 Isolamento Geral ao Solo

A análise focou em áreas críticas: distâncias entre fases e entre fase e tanque (distância mínima de 125mm no centro), e componentes isolantes. O posicionamento estratégico de isolamento sólido em áreas de alto campo e isolamento a gás em áreas de baixo campo otimiza a distribuição do campo. Medidas adicionais incluem encapsulamento de epóxi dos contatos, materiais melhorados para os braços Z, varas isolantes de fibra e tampas de blindagem nas conexões de barras de cobre para prevenir a concentração do campo.

3 Conclusão

A nova unidade de anel principal isolada a gás e respeitosa do meio ambiente combina o extintor de arco a vácuo com o isolamento a gás ecológico, apresentando vedação completa, operação sem manutenção, tamanho compacto e isolamento total. Todos os componentes de alta tensão estão selados dentro do tanque de aço inoxidável, tornando-o adequado para aplicações externas e internas, incluindo estações de chaveamento, salas de distribuição e subestações tipo caixa. Projetado para sistemas trifásicos CA 50Hz, 12kV, oferece distribuição de energia confiável para aplicações residenciais, comerciais, industriais, de transporte e de infraestrutura, com excelentes características de confiabilidade, adaptabilidade ambiental e segurança.