Disseny optimitzat de gas-insulated switchgear per a àrees d'alta muntanya
Les unitats de mà principal aïllades amb gas són interruptors compactes i expandibles adequats per a sistemes d'automatització de distribució d'energia elèctrica de mitja tensió. Aquests dispositius es fan servir per a l'abastament d'energia en xarxes anulars de 12~40,5 kV, sistemes d'abastament dual radial i aplicacions d'abastament terminal, funcionant com a dispositius de control i protecció de l'energia elèctrica. També són adequats per a la instal·lació en subestacions de tipus cistella.
Distribuint i programant l'energia elèctrica, asseguren el funcionament estable dels sistemes d'energia. Els components principals d'aquests dispositius utilitzen interrumptors o combinacions de commutadors de càrrega i fusibles, oferint avantatges com una estructura simple, petita mida, baix cost, millors paràmetres i rendiment de l'abastament, i una major seguretat en l'abastament. S'utilitzen ampliament en estacions de distribució i subestacions de tipus cistella als centres de càrrega com comunitats residencials urbanes, edificis d'altesa, grans instal·lacions públiques i empreses industrials. Diversos gasos aïllants serveixen com a mitjà aïllant, incloent-hi SF₆, aire sec, nitrògen i gasos mixtes, proporcionant un alt rendiment aïllant i beneficis ambientals, conduint a una aplicació generalitzada en els sistemes d'energia.
Els components principals d'aquest tipus d'unitat de mà principal estan instal·lats dins d'un dipòsit soldat tancat ple d'gas aïllant (d'ara endavant referit com a "compartiment de gas"). El compartiment de gas és el component central de les unitats de mà principal aïllades amb gas. La seva funció principal és assegurar que els components de alta tensió interiors operin sense estar afectats pels factors ambientals externs com la contaminació, humitat i corrosió. Alhora garanteix tant l'entorn operatiu dels components com el rendiment elèctric normal. Tots els components interns estan protegits pel compartiment de gas tancat. El compartiment està equipat amb dispositius de monitorització de pressió o densitat de gas, com manòmetres o densímetres, que mesuren típicament la diferència de pressió entre l'interior i l'exterior del compartiment.
Aquest article tracta principalment problemes que afecten el rendiment mecànic i elèctric de les unitats de mà principal en entorns d'alta muntanya.
1. Esquemes de disseny comuns per a unitats de mà principal aïllades amb gas en altes muntanyes i problemes existents
Les unitats de mà principal aïllades amb gas presenten dissenys totalment aïllats, amb els seus circuits conductius principals enclosos per un sistema totalment aïllat que inclou compartiments de gas tancats, empalmes d'entrada/sortida totalment aïllades i terminacions de cable totalment aïllades. Com que l'entorn intern del compartiment de gas roman inalterat per les condicions externes, la densitat i humitat del gas romanen constants. Teòricament, el rendiment aïllant és immú a factors externs com l'humitat, la contaminació o els gasos corrosius. De manera similar, el rendiment aïllant de les empalmes i les terminacions de cable, dissenyades amb materials aïllants com la resina epoxi i el cau de silici, no queda afectat per l'entorn extern. Superficialment, les unitats de mà principal aïllades amb gas dissenyades convencionalment sembla que podrien adaptar-se a entorns d'alta muntanya, fent que molts fabricants creguin que compleixen els requisits operatius d'alta muntanya i les despleguin directament en aquestes regions.
Actualment, es fan servir dos esquemes tècnics principals quan s'apliquen les unitats de mà principal aïllades amb gas en entorns d'alta muntanya:
1.1 Implementació directa en àrees d'alta muntanya
Concepte de disseny: Aquest enfocament es basa en el principi que el circuit conductiu principal està totalment enclos per el sistema aïllat (compartiment de gas tancat, empalmes i terminacions de cable totalment aïllades), fet que fa que el rendiment aïllant no estigui afectat per les condicions d'alta muntanya.
Problemes existents: En la operació real, la pressió atmosfèrica externa reduïda en les altes muntanyes augmenta la diferència de pressió entre l'interior i l'exterior del compartiment de gas. Això provoca una deformació significativa del compartiment, afectant el rendiment mecànic de components elèctrics com els interrumptors i els separadors. Això pot portar a bloquejos operatius i canvis en les característiques mecàniques.
1.2 Reducció de la pressió de gas de fàbrica
Concepte de disseny: Per abordar l'augment de la diferència de pressió interna-externa en les altes muntanyes, aquest esquema redueix la pressió de gas dins del compartiment a la fàbrica. Quan la unitat arriba a llocs d'alta muntanya, la pressió atmosfèrica reduïda fa que la diferència de pressió augmenti fins al valor requerit per les especificacions tècniques, fent que el manòmetre mostri la pressió operativa requerida.
Problemes existents: Aquest disseny redueix efectivament la densitat del gas aïllant dins del compartiment. Tot i que el manòmetre mostra el valor dissenyat en les altes muntanyes, el rendiment aïllant dels gasos està inherentment vinculat a la densitat del gas segons la corba de Paschen (vegeu Fig. 1) formulada pel físic alemany Friedrich Paschen. La corba de Paschen representa la funció derivada de la Llei de Paschen. El seu significat físic: La tensió de ruptura U (kV) és una funció del producte de la distància entre els electrodes d (cm) i la pressió del gas P (Torr), expressada com U = apd / [ln(Pd) + b] (vegeu Fig. 1), on a i b són constants.
El significat principal de la corba: Per a una distància d'aïllament fixa, l'augment de pressió o la reducció cap al buit (per exemple, 10⁻⁶ Torr) augmenten la tensió de ruptura del forat. A pressions properes al buit, una reducció del nivell de buit (és a dir, un increment de la densitat d'aire) facilita la ruptura elèctrica entre els electrodes. Més enllà d'un cert llindar de pressió, el rendiment aïllant millora gradualment a mesura que augmenta la pressió. En aquesta fase (més enllà del punt a a la Fig. 1), la reducció de la pressió - i, per tant, la densitat del gas - baixa la tensió de ruptura, el que significa que el rendiment aïllant es deteriora. El rang operatiu de pressió de les unitats de mà principal aïllades amb gas cau completament dins d'aquesta regió (la part més enllà del punt a a la Fig. 1).
1.3 Resum dels problemes amb els dissenys convencionals d'alta muntanya
L'augment de la diferència de pressió entre l'interior i l'exterior del compartiment de gas provoca una major deformació del compartiment, afectant l'operació mecànica i el rendiment dels commutadors.
Sota condicions d'augment de la diferència de pressió interna-externa, els dispositius de descàrrega de pressió són més propensos a activar-se.
Els manòmetres de pressió mesuren la diferència de pressió relativa entre l'interior i l'exterior del compartiment de gas. Els medidors de densitat de gas afegeixen funcionalitat de compensació de temperatura als manòmetres de pressió. Cap d'ells pot mostrar amb precisió la densitat real de gas a l'interior del compartiment a grans altituds, encara que la densitat de gas estigui inherentment vinculada al rendiment aïllant.
La reducció de la densitat atmosfèrica a grans altituds deteriora simultàniament el rendiment aïllant global dels components aïllants externs del compartiment de gas.
2. Esquema de disseny per a unitats principals anulars aïllades amb gas per a grans altituds
Basat en l'anàlisi anterior, tot i que l'estructura totalment aïllada de les unitats principals anulars aïllades amb gas (amb els circuits conductius principals totalment tancats per compartiments de gas tancats, empotracions totalment aïllades i terminacions de cablal totalment aïllades) teòricament manté el rendiment aïllant sense afectar, és impactada per factors que sorgeixen a grans altituds: augment de la diferència de pressió interna-externa en el compartiment de gas, la incapacitat de reduir la densitat de gas aïllant a l'interior del compartiment, i la necessitat d'indicació precisa de la densitat de gas. En conseqüència, la clau del disseny per a les unitats principals anulars aïllades amb gas a grans altituds es troba en el disseny del compartiment de gas i del dispositiu de descàrrega de pressió, complint els requisits ambientals a grans altituds per als manòmetres de pressió del compartiment de gas, i resolent la reducció de la capacitat aïllant global dels components aïllants externs a grans altituds.
2.1 Disseny del compartiment de gas i del dispositiu de descàrrega de pressió per a aplicacions a grans altituds
Per abordar les qüestions tècniques mencionades, aquest article proposa un nou concepte de disseny per a les unitats principals anulars aïllades amb gas a grans altituds, diferent de les unitats normals sense disseny especialitzat o aquelles que només utilitzen una reducció de pressió simple. Aquesta unitat principal anular té un disseny específic en els següents aspectes:
(1) Reforç de la resistència estructural del compartiment de gas
Per contrarestar l'augment de la diferència de pressió interna-externa causada per les grans altituds, es reforça la resistència estructural del compartiment de gas. Això assegura que la deformació del compartiment a grans altituds romangui dins de les especificacions tècniques, garantint que el rendiment mecànic dels components de alta tensió a l'interior no s'afecti.
Segons el model de l'Atmosfera Estàndard Internacional, la pressió atmosfèrica a una determinada altitud es pot calcular utilitzant la fórmula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
on P és la pressió atmosfèrica a una determinada altitud; P₀ és la pressió atmosfèrica estàndard al nivell del mar; H és l'altitud.
Prenent com a exemple una altitud de 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0,064 MPa.
Utilitzant com a exemple una unitat principal anular aïllada amb SF₆ de 10 kV típica, la pressió de disseny del compartiment de gas en àrees no a grans altituds sol ser 0,07 MPa. Tenint en compte la reducció de la pressió atmosfèrica a grans altituds, la pressió de disseny real del compartiment de gas a 4000 m d'altitud es pot calcular com:
P₁ = P₀ – 0,064 + 0,07 = 0,107 MPa.
(2) Disseny del dispositiu de descàrrega de pressió per a aplicacions a grans altituds
Segons la norma nacional més recent GB/T 3906—2020 "Equipaments metàl·lics tancats de corrent alternada i control per a tensions nominals superiors a 3,6 kV i fins a i inclosos 40,5 kV", la secció 7.103 estableix que el compartiment de gas de les unitats principals anulars aïllades amb gas ha de suportar 1,3 vegades la pressió de disseny (P₁) durant 1 minut sense activar el dispositiu de descàrrega de pressió. Si la pressió continua augmentant entre 1,3 vegades (P₁) i 3 vegades (P₂) la pressió de disseny, el dispositiu de descàrrega de pressió pot activar-se. Això és acceptable si compleix les especificacions de disseny del fabricant. Després de la prova, el compartiment de gas pot deformar-se però no ha de romandre.
Dissenyar la resistència del compartiment de gas i el dispositiu de descàrrega de pressió segons aquests requisits satisfà les normes nacionals. Els compartiments de gas i els dispositius de descàrrega de pressió per a diferents altituds es poden calcular i dissenyar utilitzant aquest mètode:
P₁ = 0,107 × 1,3 = 0,139 MPa
P₂ = 0,107 × 3 = 0,321 MPa
A través del reforç estructural del compartiment de gas—com l'ús de plaques d'acer més gruixudes o l'afegir refuers—el compartiment compleix plenament els requisits de resistència imposats pel increment de la diferència de pressió interna-externa a grans altituds. Això evita els impactes en el rendiment mecànic i elèctric dels commutadors de alta tensió a l'interior del compartiment causats per la deformació, assegurant una operació estable a la pressió de gas nominal i oferint el mateix rendiment mecànic i elèctric en entorns a grans altituds com en zones planes.
A través de càlculs de disseny i validació experimental, augmentar l'espessor i la resistència de la membrana de descàrrega de pressió millora la seva capacitat de tolerància a la pressió. Això assegura que el rang de descàrrega de pressió del compartiment de gas compleixi amb els requisits especificats de rang de pressió, prevenint l'activació prematura del dispositiu de descàrrega de pressió degut a l'increment de la diferència de pressió interna-externa en entorns a grans altituds. Això manté el nivell d'aïllament intern i assegura el rendiment elèctric de la unitat principal anular.
2.2 Disseny del dispositiu d'indicació de densitat de gas per a aplicacions a grans altituds
El dispositiu d'indicació de densitat de gas aïllant utilitza un densímetre tancat. El seu valor mostrat roman inalterat per canvis de temperatura o variacions de pressió atmosfèrica externa.
Per a les unitats principals anulars aïllades amb gas a grans altituds, el densímetre seleccionat per al compartiment de gas és un densímetre tancat total-condition, immuni a efectes de temperatura i altitud. El seu principi de funcionament implica un element de compensació a l'interior del densímetre que permet la compensació de temperatura (independent de la temperatura). Alhora, la capçalera del densímetre disposa d'una estructura tancada on la cambra tancada manté la pressió atmosfèrica estàndard. El valor de pressió mostrat pel densímetre representa la diferència de pressió entre l'interior del compartiment de gas i la pressió atmosfèrica estàndard.
Aquest disseny assegura que la escala del densímetre instal·lat al compartiment de gas de la unitat principal en anell sempre reflecteixi amb precisió la densitat real de gas dins del compartiment. El valor mostrat roman inalterat per les variacions de temperatura i altitud, complint totalment els requisits operatius per a regions d'alta muntanya.2.3 Disseny de forats completament aïllats per a unitats principals en anell aïllades amb gas per a àrees d'alta muntanya
A més d'affectar el compartiment de gas i els instruments de mesura, les altes muntanyes també tenen un impacte sobre els components externs totalment aïllats com els forats d'entrada/sortida i les juntes terminals de cable. El rendiment d'aïllament d'aquests components externs totalment aïllats està influït tant per la resistència a l'aïllament del material aïllant com per la resistència a l'aïllament de rastreig relativa al terra. A les altes muntanyes, la reducció de la densitat de l'aire disminueix la resistència a l'aïllament de rastreig relativa al terra. En aplicacions pràctiques, les unitats principals en anell aïllades amb gas dissenyades convencionalment sovint no superen els ensayos de resistència a la tensió de freqüència industrial per a components externs aïllants (per exemple, forats aïllants o barras d'expansió superior) després de ser desplegades a altes muntanyes.
Per abordar això, aquest article proposa un nou esquema de disseny per als forats totalment aïllats en unitats principals en anell aïllades amb gas per a àrees d'alta muntanya: afegir una capa d'escorça a terra a la superfície exterior d'aquests components aïllants. Aquest disseny millora la uniformitat del camp elèctric i evita la descàrrega al terra des de les barras de circuit principal.
En un projecte de subestació de commutació al aire lliure de 10 kV a Nagqu, Tibet, una empresa va trobar durant els ensayos d'acceptació que l'equipament només podia passar un ensayo de resistència a la tensió de freqüència industrial de 29 kV/1 min relatiu al terra. Després d'afegir una capa d'escorça a terra a l'aïllament exterior dels forats d'entrada/sortida i les barras externes del compartiment de gas, l'equipament va complir el requisit estàndard nacional de 42 kV/1 min per a la resistència a la tensió de freqüència industrial relativa al terra.
2.4 Resum dels punts clau tècnics
Els aspectes crítics del disseny per a unitats principals en anell aïllades amb gas per a àrees d'alta muntanya són els següents:
Fortaleix la resistència estructural del compartiment de gas augmentant l'espessor de la placa d'acer o afegint refors per a satisfer els requisits de rang de tolerància de pressió i límits de deformació causats pel diferencial de pressió interior-exterior incrementat a les altes muntanyes.
Millora el disseny de resistència de la membrana de llançament de pressió en el dispositiu de llançament de pressió del compartiment de gas. Després del reforç, compleix els requisits de rang de tolerància de pressió per al dispositiu de llançament de pressió sota un diferencial de pressió interior-exterior incrementat a les altes muntanyes.
Adopta densímetres hermètics per a dispositius indicadors de pressió. Els valors mostrats romandran inalterats pels canvis de temperatura o les variacions de pressió atmosfèrica externa, fent-los adequats per a entorns d'alta muntanya.
Disseny d'una capa d'escorça a terra a la superfície exterior dels components aïllants externs del compartiment de gas per millorar la uniformitat del camp elèctric i prevenir la descàrrega al terra des de les barras de circuit principal.
3. Significació del disseny de la unitat principal en anell aïllada amb gas per a àrees d'alta muntanya
Aquest esquema de disseny té com a objectiu proporcionar unitats principals en anell aïllades amb gas que realment compleixin els requisits operatius per a àrees d'alta muntanya. Millorant simultàniament la resistència del compartiment de gas, millorant la capacitat de tolerància de pressió dels dispositius de llançament de pressió, permetent la mesura precisa de la densitat interna de gas i dissenyant de manera raonable els components aïllants relacionats, la unitat principal en anell assolix la adaptabilitat tècnica completa a entorns d'alta muntanya. Això assegura el rendiment mecànic i elèctric de la unitat principal en anell i permet l'operació normal de les unitats principals en anell aïllades amb gas en entorns d'alta muntanya.
Les regions d'alta muntanya de Xina són vastes, creant una gran demanda d'equipament elèctric adaptat a condicions d'alta muntanya. La estandardització i la raonabilitat del disseny del producte necessiten urgentment millores. Les variacions ambientals reals en regions d'alta muntanya imposen nous requisits al disseny del producte. Aquest esquema tècnic proporciona una nova teoria i metodologia de disseny, representant una exploració significativa.
