Deseño optimizado de interruptores de gas aislado para zonas de gran altitud
As unidades de anel aisladas por gas son conmutadores compactos e expansibles adecuados para sistemas de automatización de distribución de enerxía eléctrica de media tensión. Estes dispositivos úsanse para o suministro de enerxía en redes de anel de 12~40,5 kV, sistemas de suministro dual radial e aplicacións de suministro terminal, actuando como dispositivos de control e protección da enerxía eléctrica. Tamén son adecuados para instalación en subestacións empotradas.
Ao distribuír e programar a enerxía eléctrica, aseguran o funcionamento estable dos sistemas de enerxía. Os compoñentes centrais destes dispositivos empregan interruptores de circuito ou combinacións de interruptores de carga e fusibles, ofrecendo vantaxes como unha estrutura simple, tamaño pequeno, baixo custo, melloramento dos parámetros e rendemento do suministro de enerxía e aumento da seguridade do suministro. Son ampliamente utilizados en postos de distribución e subestacións empotradas en centros de carga como comunidades residenciais urbanas, edificios altos, grandes instalacións públicas e empresas industriais. Diversos gases aislantes actúan como medio aislante, incluíndo SF₆, aire seco, nitróxeno ou gases mixtos, proporcionando un alto rendemento de aislamento e beneficios ambientais, o que leva a unha amplia aplicación en sistemas de enerxía.
Os compoñentes principais deste tipo de unidade de anel están instalados dentro dun tanque soido e soldado cheo de gas aislante (a partir de agora denominado "compartimento de gas"). O compartimento de gas é o compoñente central das unidades de anel aisladas por gas. A súa función principal é asegurar que os compoñentes de alta tensión no seu interior operen sen ser afectados por factores ambientais externos como a contaminación, a humidade e a corrosión. Ao mesmo tempo, garante tanto o ambiente de funcionamento dos compoñentes como o rendemento eléctrico normal. Todos os compoñentes internos están protexidos polo compartimento de gas soido. O compartimento está equipado con dispositivos de monitorización de presión ou densidade de gas, como manómetros ou densímetros, que xeralmente miden a diferenza de presión entre o interior e o exterior do compartimento.
Este artigo aborda principalmente os problemas que afectan ao rendemento mecánico e eléctrico das unidades de anel en entornos de gran altura.
1. Esquemas de deseño comúns para unidades de anel aisladas por gas en alturas elevadas e problemas existentes
As unidades de anel aisladas por gas caracterízanse por diseños totalmente aislados, coas súas principais circuitos conductores encerrados nun sistema totalmente aislado que comprende compartimentos de gas soidos, bushings totalmente aislados para líneas de entrada/saída e terminais de cable totalmente aislados. Como o ambiente interno do compartimento de gas permanece inalterado polas condicións externas, a densidade de gas e a humidade mantéñense constantes. Teoricamente, o rendemento de aislamento é inmune a factores externos como a humidade, a contaminación ou gases corrosivos. De maneira similar, o rendemento de aislamento dos bushings e terminais de cable, deseñados con materiais aislantes como resina epoxi e caucho de silicón, non se ve afectado polo ambiente externo. Superficialmente, as unidades de anel aisladas por gas deseñadas convencionalmente parecen adaptarse a entornos de meseta, levando a que moitos fabricantes crean que cumpren os requisitos de funcionamento en alturas elevadas e as implanten directamente nestas rexións.
Actualmente, hai dous esquemas técnicos principais que se usan ao aplicar unidades de anel aisladas por gas en entornos de gran altura:
1.1 Implementación directa en áreas de gran altura
Concepto de deseño: Este enfoque basease no principio de que o circuito conductor principal está totalmente encerrado polo sistema aislante (compartimento de gas soido, bushings totalmente aislados e terminais de cable), facendo que o rendemento de aislamento non se vea afectado polas condicións de gran altura.
Problemas existentes: Na operación real, a redución da presión atmosférica externa en alturas elevadas aumenta a diferenza de presión entre o interior e o exterior do compartimento de gas. Isto causa unha deformación significativa do compartimento, afectando o rendemento mecánico de compoñentes eléctricos como interruptores de circuito e desconnectores. Esto pode levar a atascamentos operativos e cambios nas características mecánicas.
1.2 Reducción da presión de gas de fábrica
Concepto de deseño: Para abordar o aumento da diferenza de presión interna-externa en alturas elevadas, este esquema reduce a presión de gas dentro do compartimento na fábrica. Cando a unidade chega a sitios de gran altura, a redución da presión atmosférica fai que a diferenza de presión aumente ata o valor requerido polas especificacións técnicas, facendo que o manómetro muestre a presión de funcionamento necesaria.
Problemas existentes: Este deseño reduciña efectivamente a densidade do gas aislante dentro do compartimento. Aínda que o manómetro mostra o valor deseñado en alturas elevadas, o rendemento de aislamento dos gases está intrínsecamente ligado á densidade de gas segundo a curva de Paschen (ver Figura 1) formulada polo físico alemán Friedrich Paschen. A curva de Paschen representa a función derivada da Lei de Paschen. O seu significado físico: A tensión de ruptura U (kV) é unha función do produto da distancia entre electrodos d (cm) e a presión de gas P (Torr), expresada como U = apd / [ln(Pd) + b] (ver Figura 1), onde a e b son constantes.
A importancia principal da curva: Para unha distancia de aislamento fixa, aumentar a presión ou reducila cara ao vacío (por exemplo, 10⁻⁶ Torr) ambos aumentan a tensión de ruptura do intervalo. A presións próximas ao vacío, unha menor nivel de vacío (ou sexa, maior densidade de aire) facilita a ruptura eléctrica entre os electrodos. Máis allá dun certo limiar de presión, o rendemento de aislamento mellora gradualmente a medida que a presión aumenta. Nesta fase (máis allá do punto a na Figura 1), reducir a presión - e, polo tanto, a densidade de gas - diminúe a tensión de ruptura, o que significa que o rendemento de aislamento empeora. O rango de presión de funcionamento das unidades de anel aisladas por gas cae completamente nesta rexión (a sección máis allá do punto a na Figura 1).
1.3 Resumo dos problemas cos deseños convencionais de gran altura
O aumento da diferenza de presión entre o interior e o exterior do compartimento de gas causa unha maior deformación do compartimento, afectando a operación e o rendemento mecánico dos interruptores.
Baxas condicións de diferenza de presión interna-externa, os dispositivos de alivio de presión son máis propensos a activarse.
Os manómetros miden a diferenza de presión relativa entre o interior e o exterior do compartimento de gas. Os medidores de densidade de gas engaden funcionalidade de compensación de temperatura aos manómetros. Ningún deles pode mostrar con precisión a densidade real de gas no interior do compartimento a grandes altitudes, aínda que a densidade de gas estea intrínsecamente ligada ao rendemento da aislación.
A menor densidade atmosférica a grandes altitudes degrada simultaneamente o rendemento integral da aislación dos componentes aislantes externos do compartimento de gas.
2. Esquema de deseño para unidades de anel principal aisladas por gas en grandes altitudes
Basándonos no análise anterior, aínda que a estrutura totalmente aislada das unidades de anel principal aisladas por gas (con circuitos conductivos principais totalmente encerrados por compartimentos de gas selados, empalmeiros totalmente aislados e terminais de cabos totalmente aislados) manteña teoricamente o rendemento da aislación inalterado, está afectada por factores que se producen a grandes altitudes: aumento da diferencial de presión interno-externo no compartimento de gas, a incapacidade de reducir a densidade de gas aislante no interior do compartimento e a necesidade de indicación precisa da densidade de gas. Polo tanto, a clave do deseño para as unidades de anel principal aisladas por gas en grandes altitudes está no deseño do compartimento de gas e do dispositivo de alivio de presión, cumprindo os requisitos ambientais de grandes altitudes para os manómetros do compartimento de gas e resolvendo a capacidade de aislación integral reducida dos componentes aislantes externos a grandes altitudes.
2.1 Deseño do compartimento de gas e do dispositivo de alivio de presión para aplicacións en grandes altitudes
Para abordar as mencionadas cuestións técnicas, este artigo propón un novo concepto de deseño para as unidades de anel principal aisladas por gas en grandes altitudes, diferente das unidades ordinarias sen deseño especializado ou as que só empregan unha simple redución de presión. Esta unidade de anel principal ten un deseño específico nos seguintes aspectos:
(1) Reforzo da forza estrutural do compartimento de gas
Para contrarrestar o aumento da diferencial de presión interno-externo debido ás grandes altitudes, a forza estrutural do compartimento de gas é reforzada. Isto asegura que a deformación do compartimento a grandes altitudes permanezca dentro das especificacións técnicas, garantindo que o rendemento mecánico dos componentes de alta tensión no interior non se vea afectado.
Segundo o modelo da Atmósfera Estandard Internacional, a presión atmosférica estándar a unha determinada altitude pode calcularse usando a fórmula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
onde P é a presión atmosférica a unha determinada altitude; P₀ é a presión atmosférica estándar ao nivel do mar; H é a altitude.
Tomando como exemplo unha altitude de 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Usando como exemplo unha típica unidade de anel principal aislada por SF₆ de 10 kV, a presión de deseño do compartimento de gas en áreas non de gran altura é xeralmente de 0.07 MPa. Considerando a menor presión atmosférica en grandes altitudes, a presión de deseño real do compartimento de gas a 4000 m de altitude pode calcularse como:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Deseño do dispositivo de alivio de presión para aplicacións en grandes altitudes
Segundo a última norma nacional GB/T 3906—2020 "Interruptores e controladores metálicos de corrente alterna para voltaxes nominais superiores a 3.6 kV e até e incluíndo 40.5 kV", a sección 7.103 establece que o compartimento de gas das unidades de anel principal aisladas por gas debe resistir 1.3 veces a presión de deseño (P₁) durante 1 minuto sen activar o dispositivo de alivio de presión. Se a presión continua aumentando entre 1.3 veces (P₁) e 3 veces (P₂) a presión de deseño, o dispositivo de alivio de presión pode activarse. Isto é aceptable sempre que cumpra as especificacións de deseño do fabricante. Despois das probas, o compartimento de gas pode deformarse pero non debe romperse.
Deseñar a forza do compartimento de gas e do dispositivo de alivio de presión segundo estas rexurias satisfai as normas nacionais. Os compartimentos de gas e os dispositivos de alivio de presión para diferentes altitudes poden calcularse e deseñarse usando este método:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
A través do reforzo estrutural do compartimento de gas—como usar placas de acero máis espesas ou engadir refuerzos—o compartimento cumpre completamente os requisitos de forza impostos polo aumento da diferencial de presión interno-externo en grandes altitudes. Isto evita impactos no rendemento mecánico e eléctrico dos interruptores de alta tensión no interior do compartimento debido á deformación, asegurando un funcionamento estable á presión de gas nominal e entregando un rendemento mecánico e eléctrico idéntico en entornos de gran altura como en áreas planas.
A través de cálculos de deseño e validación experimental, aumentar o espesor e a forza da membrana de alivio de presión mellora a súa capacidade de tolerancia á presión. Isto asegura que o rango de alivio de presión do compartimento de gas cumpra cos requisitos do rango de presión especificado, evitando a activación prematura do dispositivo de alivio de presión debido ao aumento da diferencial de presión interno-externo en entornos de gran altura. Isto mantén o nivel de aislación interna e asegura o rendemento eléctrico da unidade de anel principal.
2.2 Deseño do dispositivo de indicación de densidade de gas para aplicacións en grandes altitudes
O dispositivo de indicación de densidade de gas aislante emprega un medidor de densidade selado. O seu valor mostrado non se ve afectado por cambios de temperatura ou variacións de presión atmosférica externa.
Para as unidades de anel principal aisladas por gas en grandes altitudes, o medidor de densidade seleccionado para o compartimento de gas é un medidor de densidade selado de condición completa, inmune a efectos de temperatura e altitude. O seu principio de funcionamento implica un elemento de compensación dentro do medidor de densidade que permite a compensación de temperatura (non afectado pola temperatura). Ao mesmo tempo, a cabeza do medidor presenta unha estrutura selada onde a cámara selada mantén a presión atmosférica estándar. O valor de presión mostrado polo medidor de densidade representa a diferenza de presión entre o interior do compartimento de gas e a presión atmosférica estándar.
Este deseño asegura que a escala do densímetro instalado no compartimento de gas da unidade de anel sempre reflicta con precisión a densidade real de gas dentro do compartimento. O valor mostrado permanece inalterado pola temperatura e a altitude, cumprindo completamente os requisitos operativos para rexións de alta altitude.2.3 Deseño de bushings totalmente aislados para unidades de anel aisladas por gas en altas altitudes
Ademais de afectar ao compartimento de gas e aos instrumentos de medida, as altas altitudes tamén impactan nos compoñentes totalmente aislados montados externamente, como os bushings de entrada/saída e as emendas de terminais de cabo. O rendemento de aislamento destes compoñentes externos totalmente aislados está influenciado tanto pola resistencia dieléctrica do material aislante como pola resistencia dieléctrica de arrastre respecto ao terreo. A altas altitudes, a diminución da densidade do aire reduce a resistencia dieléctrica de arrastre respecto ao terreo. Nas aplicacións prácticas, as unidades de anel aisladas por gas deseñadas convencionalmente suelen fallar nas probas de resistencia a tensión de frecuencia de rede para compoñentes aislantes externos (por exemplo, bushings aislantes ou barras de expansión superior) despois de ser implantadas en altas altitudes.
Para abordar isto, neste artigo propónse un novo esquema de deseño para bushings totalmente aislados en unidades de anel aisladas por gas en altas altitudes: engadir unha capa de blindaxe aterrada á superficie exterior destes compoñentes aislantes. Este deseño mellora a uniformidade do campo eléctrico e prevén a descarga ao terreo das barras de circuito principal.
Nun proxecto de estación de comutación ao aire libre de 10 kV en Nagqu, Tibet, unha empresa atopou durante as probas de aceptación que o equipo só podia pasar unha proba de resistencia a tensión de frecuencia de rede de 29 kV/1 min respecto ao terreo. Despois de engadir unha capa de blindaxe aterrada ao aislamento exterior dos bushings de entrada/saída e as barras externas do compartimento de gas, o equipo cumpriu o requisito estándar nacional de 42 kV/1 min para a resistencia a tensión de frecuencia de rede respecto ao terreo.
2.4 Resumo dos puntos clave técnicos
Os aspectos críticos de deseño para unidades de anel aisladas por gas en altas altitudes son os seguintes:
Fortalecer a resistencia estrutural do compartimento de gas aumentando o grosor da chapa de acero ou engadindo reforzos para cumprir os requisitos de rango de tolerancia de presión e límites de deformación causados polo aumento da diferencial de presión interior-exterior en altas altitudes.
Melorar o deseño de resistencia da membrana de alivio de presión no dispositivo de alivio de presión do compartimento de gas. Despois do reforzo, satisfai os requisitos de rango de tolerancia de presión para o dispositivo de alivio de presión baixo unha maior diferencial de presión interior-exterior en altas altitudes.
Adoptar densímetros selados para dispositivos indicadores de presión. Os valores mostrados permanecen inalterados polas cambios de temperatura ou variacións de presión atmosférica externa, facendo-os adecuados para entornos de alta altitude.
Deseñar unha capa de blindaxe aterrada na superficie exterior dos compoñentes aislantes externos do compartimento de gas para mellorar a uniformidade do campo eléctrico e prevenir a descarga ao terreo das barras de circuito principal.
3. Significado do deseño de unidades de anel aisladas por gas en altas altitudes
Este esquema de deseño ten como obxectivo proporcionar unidades de anel aisladas por gas que realmente cumpran os requisitos operativos en altas altitudes. Ao fortalecer simultaneamente a resistencia do compartimento de gas, mellorar a capacidade de tolerancia de presión dos dispositivos de alivio de presión, permitir a medida precisa da densidade de gas interna e deseñar racionalmente os compoñentes aislantes relacionados, a unidade de anel logra unha adaptabilidade técnica completa a entornos de alta altitude. Isto asegura o rendemento mecánico e eléctrico da unidade de anel e permite a operación normal das unidades de anel aisladas por gas en entornos de alta altitude.
As rexións de alta altitude de China son vastas, creando unha demanda enorme de equipos de enerxía adaptados a condicións de alta altitude. A estandarización e a racionalidade do deseño de produtos necesitan urgentemente melloras. As variacións ambientais reais en rexións de alta altitude imponen novos requisitos ao deseño de produtos. Este esquema técnico ofrece unha nova teoría e metodoloxía de deseño, representando unha exploración significativa.
