Diseño optimizado de interruptores aislados por gas para zonas de gran altitud
Las unidades de anillo aisladas por gas son equipos de conmutación compactos y expansibles adecuados para sistemas de automatización de distribución de energía eléctrica de media tensión. Estos dispositivos se utilizan para el suministro de energía en redes de anillo de 12~40.5 kV, sistemas de alimentación radial doble y aplicaciones de suministro terminal, actuando como dispositivos de control y protección de la energía eléctrica. También son adecuados para instalarse en subestaciones compactas.
Al distribuir y programar la energía eléctrica, aseguran el funcionamiento estable de los sistemas de energía. Los componentes principales de estos dispositivos emplean interruptores o combinaciones de interruptores de carga y fusibles, ofreciendo ventajas como una estructura simple, un tamaño reducido, un bajo costo, mejoras en los parámetros y el rendimiento del suministro de energía, y una mayor seguridad en el suministro. Se utilizan ampliamente en estaciones de distribución y subestaciones compactas en centros de carga como comunidades residenciales urbanas, edificios altos, grandes instalaciones públicas y empresas industriales. Varios gases aislantes sirven como medio aislante, incluyendo SF₆, aire seco, nitrógeno o gases mezclados, proporcionando un alto rendimiento de aislamiento y beneficios ambientales, lo que lleva a su aplicación generalizada en sistemas de energía.
Los componentes principales de este tipo de unidad de anillo están instalados dentro de un tanque soldado y sellado lleno de gas aislante (en adelante, "compartimento de gas"). El compartimento de gas es el componente principal de las unidades de anillo aisladas por gas. Su función principal es garantizar que los componentes de alta tensión operen sin ser afectados por factores ambientales externos como la contaminación, la humedad y la corrosión. Al mismo tiempo, garantiza tanto el entorno operativo de los componentes como el rendimiento eléctrico normal. Todos los componentes internos están protegidos por el compartimento de gas sellado. El compartimento está equipado con dispositivos de monitoreo de presión o densidad de gas, como manómetros o densímetros, que generalmente miden la diferencia de presión entre el interior y el exterior del compartimento.
Este artículo aborda principalmente los problemas que afectan el rendimiento mecánico y eléctrico de las unidades de anillo en entornos de gran altura.
1. Esquemas de Diseño Comunes para Unidades de Anillo Aisladas por Gas en Alturas Elevadas y Problemas Existentes
Las unidades de anillo aisladas por gas presentan diseños totalmente aislados, con sus circuitos conductores principales encerrados por un sistema totalmente aislado que comprende compartimentos de gas sellados, empalmes totalmente aislados para líneas de entrada/salida y terminaciones de cable totalmente aisladas. Dado que el entorno interno del compartimento de gas permanece inalterado por las condiciones externas, la densidad del gas y la humedad se mantienen constantes. Teóricamente, el rendimiento de aislamiento es inmune a factores externos como la humedad, la contaminación o los gases corrosivos. De manera similar, el rendimiento de aislamiento de los empalmes y las terminaciones de cable, diseñados con materiales aislantes como resina epoxi y caucho de silicona, no se ve afectado por el entorno externo. Superficialmente, las unidades de anillo aisladas por gas diseñadas convencionalmente parecen adaptarse a los entornos de meseta, lo que lleva a muchos fabricantes a creer que cumplen con los requisitos de operación en altitudes elevadas y a desplegarlas directamente en tales regiones.
Actualmente, se utilizan dos esquemas técnicos principales al aplicar unidades de anillo aisladas por gas en entornos de gran altura:
1.1 Despliegue Directo en Áreas de Gran Altura
Concepto de Diseño: Este enfoque se basa en el principio de que el circuito conductor principal está completamente encerrado por el sistema aislado (compartimento de gas sellado, empalmes totalmente aislados y terminaciones de cable), lo que hace que el rendimiento de aislamiento no se vea afectado por las condiciones de gran altura.
Problemas Existentes: En la operación real, la presión atmosférica externa reducida en altitudes elevadas aumenta la diferencia de presión entre el interior y el exterior del compartimento de gas. Esto causa una deformación significativa del compartimento, afectando el rendimiento mecánico de los componentes eléctricos como interruptores y seccionadores. Esto puede llevar a atascos operativos y cambios en las características mecánicas.
1.2 Reducción de la Presión de Gas de Fábrica
Concepto de Diseño: Para abordar el aumento de la diferencia de presión interna-externa en altitudes elevadas, este esquema reduce la presión de gas dentro del compartimento en la fábrica. Cuando la unidad llega a los sitios de gran altura, la presión atmosférica reducida hace que la diferencia de presión aumente hasta el valor requerido por las especificaciones técnicas, haciendo que el manómetro muestre la presión operativa requerida.
Problemas Existentes: Este diseño reduce efectivamente la densidad del gas aislante dentro del compartimento. Aunque el manómetro muestra el valor diseñado en altitudes elevadas, el rendimiento de aislamiento de los gases está intrínsecamente vinculado a la densidad del gas según la curva de Paschen (ver Fig. 1) formulada por el físico alemán Friedrich Paschen. La curva de Paschen representa la función derivada de la Ley de Paschen. Su significado físico: El voltaje de ruptura U (kV) es una función del producto de la distancia entre electrodos d (cm) y la presión del gas P (Torr), expresado como U = apd / [ln(Pd) + b] (ver Fig. 1), donde a y b son constantes.
La importancia principal de la curva: Para una distancia de aislamiento fija, aumentar la presión o reducirla hacia el vacío (por ejemplo, 10⁻⁶ Torr) ambos aumentan el voltaje de ruptura del espacio. A presiones cercanas al vacío, un nivel de vacío reducido (es decir, una mayor densidad de aire) hace que la ruptura eléctrica entre los electrodos sea más fácil. Más allá de cierto umbral de presión, el rendimiento de aislamiento mejora gradualmente a medida que la presión aumenta. En esta fase (más allá del punto a en la Fig. 1), reducir la presión, y por lo tanto la densidad del gas, disminuye el voltaje de ruptura, lo que significa que el rendimiento de aislamiento empeora. El rango de presión operativa de las unidades de anillo aisladas por gas se encuentra completamente en esta región (la sección más allá del punto a en la Fig. 1).
1.3 Resumen de Problemas con Diseños Convencionales en Alturas Elevadas
El aumento de la diferencia de presión entre el interior y el exterior del compartimento de gas causa una mayor deformación del compartimento, afectando la operación mecánica y el rendimiento de los interruptores.
Bajo condiciones de mayor diferencia de presión interna-externa, los dispositivos de alivio de presión son más propensos a activarse.
Los manómetros miden la diferencia de presión relativa entre el interior y el exterior del compartimento de gas. Los medidores de densidad de gas añaden funcionalidad de compensación de temperatura a los manómetros. Ninguno puede mostrar con precisión la densidad real del gas en el interior del compartimento a gran altitud, aunque la densidad del gas está intrínsecamente ligada al rendimiento del aislamiento.
La disminución de la densidad atmosférica a gran altitud degrada simultáneamente el rendimiento integral del aislamiento de los componentes externos aislados del compartimento de gas.
2. Esquema de Diseño para Unidades de Anillo Aisladas por Gas de Alta Altitud
Basado en el análisis anterior, aunque la estructura totalmente aislada de las unidades de anillo aisladas por gas (con circuitos conductores principales completamente encerrados por compartimentos de gas sellados, bujes totalmente aislados y terminaciones de cable totalmente aisladas) mantiene teóricamente un rendimiento de aislamiento inalterado, se ve afectada por factores que surgen a gran altitud: aumento de la diferencia de presión interna-externa en el compartimento de gas, la imposibilidad de reducir la densidad del gas aislante en el interior del compartimento, y la necesidad de una indicación precisa de la densidad del gas. En consecuencia, la clave del diseño para las unidades de anillo aisladas por gas de alta altitud radica en el diseño del compartimento de gas y del dispositivo de alivio de presión, cumpliendo con los requisitos ambientales de alta altitud para los manómetros del compartimento de gas, y resolviendo la reducción de la capacidad integral de aislamiento de los componentes aislantes externos a gran altitud.
2.1 Diseño del Compartimento de Gas y del Dispositivo de Alivio de Presión para Aplicaciones de Alta Altitud
Para abordar los problemas técnicos mencionados, este documento propone un concepto de diseño novedoso para las unidades de anillo aisladas por gas de alta altitud, que difiere de las unidades ordinarias sin diseño especializado o aquellas que simplemente emplean una reducción de presión simple. Esta unidad de anillo presenta un diseño específico en los siguientes aspectos:
(1) Reforzamiento de la Resistencia Estructural del Compartimento de Gas
Para contrarrestar el aumento de la diferencia de presión interna-externa causada por la alta altitud, se refuerza la resistencia estructural del compartimento de gas. Esto asegura que la deformación del compartimento a gran altitud permanezca dentro de las especificaciones técnicas, garantizando un rendimiento mecánico inalterado de los componentes de alta tensión en su interior.
Según el modelo de la Atmósfera Estándar Internacional, la presión atmosférica estándar en una altitud dada se puede calcular utilizando la fórmula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
donde P es la presión atmosférica en una altitud dada; P₀ es la presión atmosférica estándar a nivel del mar; H es la altitud.
Tomando como ejemplo una altitud de 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Usando como ejemplo una unidad de anillo aislada por gas SF₆ típica de 10 kV, la presión de diseño del compartimento de gas en áreas no de alta altitud suele ser de 0.07 MPa. Considerando la disminución de la presión atmosférica a gran altitud, la presión de diseño real del compartimento de gas a 4000 m de altitud se puede calcular como:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Diseño del Dispositivo de Alivio de Presión para Aplicaciones de Alta Altitud
De acuerdo con la norma nacional más reciente GB/T 3906—2020 "Equipos de conmutación y control metálicos cerrados para tensiones nominales superiores a 3.6 kV y hasta e incluyendo 40.5 kV", la Sección 7.103 estipula que el compartimento de gas de las unidades de anillo aisladas por gas debe soportar 1.3 veces la presión de diseño (P₁) durante 1 minuto sin activar el dispositivo de alivio de presión. Si la presión continúa aumentando entre 1.3 veces (P₁) y 3 veces (P₂) la presión de diseño, el dispositivo de alivio de presión puede activarse. Esto es aceptable siempre y cuando cumpla con las especificaciones de diseño del fabricante. Después de las pruebas, el compartimento de gas puede deformarse pero no debe romperse.
Diseñar la resistencia del compartimento de gas y del dispositivo de alivio de presión según estos requisitos satisface las normas nacionales. Los compartimentos de gas y los dispositivos de alivio de presión para diferentes altitudes pueden calcularse y diseñarse utilizando este método:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
A través del refuerzo estructural del compartimento de gas—como el uso de placas de acero más gruesas o la adición de refuerzos—el compartimento cumple plenamente con los requisitos de resistencia impuestos por el aumento de la diferencia de presión interna-externa a gran altitud. Esto evita impactos en el rendimiento mecánico y eléctrico de los interruptores de alta tensión en el interior del compartimento debido a la deformación, garantizando un funcionamiento estable a la presión de gas nominal y entregando un rendimiento mecánico y eléctrico idéntico en entornos de alta altitud como en áreas llanas.
A través de cálculos de diseño y validación experimental, aumentar el grosor y la resistencia de la membrana de alivio de presión mejora su capacidad de tolerancia a la presión. Esto asegura que el rango de alivio de presión del compartimento de gas cumpla con los requisitos de rango de presión especificados, evitando la activación prematura del dispositivo de alivio de presión debido al aumento de la diferencia de presión interna-externa en entornos de alta altitud. Esto mantiene el nivel de aislamiento interno y asegura el rendimiento eléctrico de la unidad de anillo.
2.2 Diseño del Dispositivo de Indicación de Densidad de Gas para Aplicaciones de Alta Altitud
El dispositivo de indicación de densidad de gas aislante utiliza un medidor de densidad hermético. Su valor mostrado no se ve afectado por cambios de temperatura o variaciones de presión atmosférica externa.
Para las unidades de anillo aisladas por gas de alta altitud, el medidor de densidad seleccionado para el compartimento de gas es un medidor de densidad hermético de condiciones totales, inmune a los efectos de la temperatura y la altitud. Su principio de funcionamiento implica un elemento de compensación dentro del medidor de densidad que permite la compensación de temperatura (independiente de la temperatura). Simultáneamente, la cabeza del medidor presenta una estructura hermética donde la cámara hermética mantiene la presión atmosférica estándar. El valor de presión mostrado por el medidor de densidad representa la diferencia de presión entre el interior del compartimento de gas y la presión atmosférica estándar.
Este diseño garantiza que la escala del medidor de densidad instalado en el compartimento de gas de la unidad de anillo siempre refleje con precisión la densidad real del gas dentro del compartimento. El valor mostrado permanece inalterado por la temperatura y la altitud, cumpliendo completamente con los requisitos operativos para regiones de alta altitud.2.3 Diseño de empalmes totalmente aislados para unidades de anillo de gas aisladas de alta altitud
Además de afectar al compartimento de gas e instrumentos de medición, las altas altitudes también impactan en los componentes externos totalmente aislados, como los empalmes de entrada/salida y las uniones terminales de cable. El rendimiento de aislamiento de estos componentes externos totalmente aislados se ve influenciado tanto por la resistencia aislante del material aislante como por la resistencia aislante de rastreo relativa al suelo. En altitudes elevadas, la disminución de la densidad del aire reduce la resistencia aislante de rastreo relativa al suelo. En aplicaciones prácticas, las unidades de anillo de gas aisladas convencionalmente diseñadas a menudo no superan las pruebas de tensión de frecuencia de red para componentes aislantes externos (por ejemplo, empalmes aislantes o barras colectoras de expansión superior) después de su despliegue en altitudes elevadas.
Para abordar esto, este documento propone un nuevo esquema de diseño para empalmes totalmente aislados en unidades de anillo de gas aisladas de alta altitud: agregar una capa de blindaje conectada a tierra a la superficie externa de dichos componentes aislantes. Este diseño mejora la uniformidad del campo eléctrico y previene la descarga al suelo desde las barras colectoras del circuito principal.
En un proyecto de estación de conmutación al aire libre de 10 kV en Nagqu, Tíbet, una empresa se enfrentó a una situación durante las pruebas de aceptación en la que el equipo solo podía pasar una prueba de tensión de frecuencia de red de 29 kV/1 minuto relativa al suelo. Después de agregar una capa de blindaje conectada a tierra al aislamiento externo de los empalmes de entrada/salida y las barras colectoras externas del compartimento de gas, el equipo cumplió con el requisito nacional de 42 kV/1 minuto para la tensión de frecuencia de red relativa al suelo.
2.4 Resumen de puntos clave técnicos
Los aspectos críticos de diseño para unidades de anillo de gas aisladas de alta altitud son los siguientes:
Fortalecer la resistencia estructural del compartimento de gas aumentando el grosor de la chapa de acero o agregando refuerzos para cumplir con los requisitos de rango de tolerancia de presión y límites de deformación causados por el aumento de la diferencia de presión interna-externa en altitudes elevadas.
Mejorar el diseño de resistencia de la membrana de alivio de presión en el dispositivo de alivio de presión del compartimento de gas. Después del refuerzo, satisface los requisitos de rango de tolerancia de presión para el dispositivo de alivio de presión bajo la diferencia de presión interna-externa aumentada en altitudes elevadas.
Adoptar medidores de densidad sellados para los dispositivos indicadores de presión. Sus valores mostrados permanecen inalterados por los cambios de temperatura o variaciones de la presión atmosférica externa, haciéndolos adecuados para entornos de alta altitud.
Diseñar una capa de blindaje conectada a tierra en la superficie externa de los componentes aislantes externos del compartimento de gas para mejorar la uniformidad del campo eléctrico y prevenir la descarga al suelo desde las barras colectoras del circuito principal.
3. Significado del diseño de la unidad de anillo de gas aislada de alta altitud
Este esquema de diseño tiene como objetivo proporcionar unidades de anillo de gas aisladas que realmente cumplan con los requisitos operativos de alta altitud. Al fortalecer simultáneamente la resistencia del compartimento de gas, mejorar la capacidad de tolerancia a la presión de los dispositivos de alivio de presión, permitir la medición precisa de la densidad del gas interno y diseñar racionalmente los componentes aislantes relacionados, la unidad de anillo logra una adaptabilidad técnica completa a los entornos de alta altitud. Esto asegura el rendimiento mecánico y eléctrico de la unidad de anillo y permite la operación normal de las unidades de anillo de gas aisladas en entornos de alta altitud.
Las regiones de alta altitud en China son vastas, creando una enorme demanda de equipos de energía adaptados a condiciones de alta altitud. La estandarización y racionalidad del diseño de productos necesitan urgentemente mejoras. Las variaciones ambientales reales en las regiones de alta altitud imponen nuevos requisitos al diseño de productos. Este esquema técnico proporciona una nueva teoría y metodología de diseño, representando una exploración significativa.
