Projeto Otimizado de Equipamento de Comutação Isolado a Gás para Áreas de Grande Altitude
As unidades de anel isoladas a gás são equipamentos de comutação compactos e expansíveis adequados para sistemas de automação de distribuição de energia de média tensão. Esses dispositivos são usados para fornecimento de energia em rede de anel de 12~40,5 kV, sistemas de alimentação radial dupla e aplicações de alimentação terminal, servindo como dispositivos de controle e proteção de energia elétrica. Elas também são adequadas para instalação em subestações montadas em plataforma.
Ao distribuir e programar a energia elétrica, elas garantem o funcionamento estável dos sistemas de energia. Os componentes principais desses dispositivos empregam disjuntores ou combinações de chaves de carga e fusíveis, oferecendo vantagens como estrutura simples, tamanho reduzido, baixo custo, melhorias nos parâmetros e no desempenho do fornecimento de energia e aumento da segurança do fornecimento. São amplamente utilizadas em estações de distribuição e subestações montadas em plataforma em centros de carga como comunidades residenciais urbanas, edifícios altos, grandes instalações públicas e empresas industriais. Vários gases isolantes servem como meio isolante, incluindo SF₆, ar seco, nitrogênio ou gases mistos, proporcionando alto desempenho isolante e benefícios ambientais, levando a uma aplicação generalizada em sistemas de energia.
Os principais componentes deste tipo de unidade de anel são instalados dentro de um tanque selado e soldado preenchido com gás isolante (aqui denominado "compartimento de gás"). O compartimento de gás é o componente principal das unidades de anel isoladas a gás. Sua função principal é garantir que os componentes de alta tensão operem sem ser afetados por fatores ambientais externos, como contaminação, umidade e corrosão. Ao mesmo tempo, garante tanto o ambiente operacional dos componentes quanto o desempenho elétrico normal. Todos os componentes internos estão protegidos pelo compartimento de gás selado. O compartimento está equipado com dispositivos de monitoramento de pressão ou densidade de gás, como manômetros ou medidores de densidade, geralmente medindo a diferença de pressão entre o interior e o exterior do compartimento.
Este artigo aborda principalmente problemas que afetam o desempenho mecânico e elétrico das unidades de anel em ambientes de alta altitude.
1. Esquemas de Design Comuns para Unidades de Anel Isoladas a Gás em Altas Altitudes e Problemas Existentes
As unidades de anel isoladas a gás apresentam designs totalmente isolados, com seus circuitos principais de condução encerrados por um sistema totalmente isolante composto por compartimentos de gás selados, bushings totalmente isolados para linhas de entrada/saída e terminações de cabo totalmente isoladas. Como o ambiente interno do compartimento de gás permanece inalterado pelas condições externas, a densidade e a umidade do gás permanecem constantes. Teoricamente, o desempenho isolante é imune a fatores externos, como umidade, contaminação ou gases corrosivos. Da mesma forma, o desempenho isolante dos bushings e terminações de cabo, projetados com materiais isolantes como resina epóxi e borracha de silicone, não é afetado pelo ambiente externo. Superficialmente, as unidades de anel isoladas a gás projetadas convencionalmente parecem adaptáveis a ambientes de planalto, levando muitos fabricantes a acreditar que atendem aos requisitos de operação em altas altitudes e a implantá-las diretamente nessas regiões.
Atualmente, dois esquemas técnicos principais são usados quando se aplicam unidades de anel isoladas a gás em ambientes de alta altitude:
1.1 Implantação Direta em Áreas de Alta Altitude
Conceito de Design: Esta abordagem se baseia no princípio de que o circuito principal de condução está totalmente encerrado pelo sistema isolante (compartimento de gás selado, bushings totalmente isolados e terminações de cabo), tornando o desempenho isolante imune às condições de alta altitude.
Problemas Existentes: Na operação real, a redução da pressão atmosférica externa em altas altitudes aumenta a diferença de pressão entre o interior e o exterior do compartimento de gás. Isso causa uma deformação significativa de balonamento do compartimento, afetando o desempenho mecânico de componentes elétricos, como disjuntores e seccionadores. Isso pode levar a travamentos operacionais e alterações nas características mecânicas.
1.2 Redução da Pressão de Gás de Fábrica
Conceito de Design: Para abordar o aumento da diferença de pressão interna-externa em altas altitudes, este esquema reduz a pressão de gás no interior do compartimento na fábrica. Quando a unidade chega ao local de alta altitude, a redução da pressão atmosférica faz com que a diferença de pressão aumente para o valor exigido pelas especificações técnicas, fazendo com que o manômetro exiba a pressão de operação necessária.
Problemas Existentes: Este design efetivamente reduz a densidade do gás isolante no interior do compartimento. Embora o manômetro mostre o valor projetado em altas altitudes, o desempenho isolante dos gases está intrinsecamente ligado à densidade do gás, conforme a curva Paschen (ver Figura 1) formulada pelo físico alemão Friedrich Paschen. A curva Paschen traça a função derivada da Lei de Paschen. Seu significado físico: A tensão de ruptura U (kV) é uma função do produto da distância entre os eletrodos d (cm) e a pressão do gás P (Torr), expressa como U = apd / [ln(Pd) + b] (ver Figura 1), onde a e b são constantes.
A principal importância da curva: Para uma distância de isolamento fixa, o aumento da pressão ou a redução da pressão em direção ao vácuo (por exemplo, 10⁻⁶ Torr) ambos aumentam a tensão de ruptura do intervalo. Em pressões próximas ao vácuo, a redução do nível de vácuo (ou seja, o aumento da densidade do ar) torna mais fácil a ruptura elétrica entre os eletrodos. Além de um determinado limiar de pressão, o desempenho isolante melhora gradualmente à medida que a pressão aumenta. Nesta fase (além do ponto a na Figura 1), a redução da pressão - e, portanto, da densidade do gás - diminui a tensão de ruptura, o que significa que o desempenho isolante se deteriora. A faixa de pressão operacional das unidades de anel isoladas a gás cai inteiramente nesta região (a seção além do ponto a na Figura 1).
1.3 Resumo dos Problemas com Designs Convencionais de Alta Altitude
O aumento da diferença de pressão entre o interior e o exterior do compartimento de gás causa maior deformação do compartimento, afetando a operação mecânica e o desempenho dos interruptores.
Sob condições de maior diferença de pressão interna-externa, os dispositivos de alívio de pressão são mais propensos a serem ativados.
Os manômetros medem a diferença de pressão relativa entre o interior e o exterior do compartimento de gás. Os medidores de densidade de gás adicionam funcionalidade de compensação de temperatura aos manômetros. Nenhum deles pode exibir com precisão a densidade real do gás dentro do compartimento em grandes altitudes, embora a densidade do gás esteja intrinsecamente ligada ao desempenho de isolamento.
A redução da densidade atmosférica em grandes altitudes degrada simultaneamente o desempenho geral de isolamento dos componentes de isolamento externo do compartimento de gás.
2. Esquema de Projeto para Unidades Principais de Anel Isoladas a Gás em Altas Altitudes
Com base na análise acima, embora a estrutura totalmente isolada das unidades principais de anel isoladas a gás (com os circuitos condutores principais totalmente encapsulados por compartimentos de gás selados, isolações totalmente isolantes e terminações de cabo totalmente isolantes) teoricamente mantenha o desempenho de isolamento inalterado, é afetada por fatores que surgem em grandes altitudes: aumento da diferença de pressão interna-externa no compartimento de gás, a impossibilidade de reduzir a densidade do gás isolante dentro do compartimento e a necessidade de indicação precisa da densidade do gás. Consequentemente, a chave do projeto para as unidades principais de anel isoladas a gás em altas altitudes está no design do compartimento de gás e do dispositivo de alívio de pressão, atendendo aos requisitos ambientais de altas altitudes para manômetros do compartimento de gás e resolvendo a redução da capacidade geral de isolamento dos componentes de isolamento externo em altas altitudes.
2.1 Design do Compartimento de Gás e Dispositivo de Alívio de Pressão para Aplicações em Altas Altitudes
Para abordar as questões técnicas mencionadas, este artigo propõe um novo conceito de design para unidades principais de anel isoladas a gás em altas altitudes, diferenciando-se das unidades comuns sem design especializado ou aquelas que apenas empregam uma redução de pressão simples. Esta unidade principal de anel apresenta um design direcionado nos seguintes aspectos:
(1) Reforço da Resistência Estrutural do Compartimento de Gás
Para contrapor o aumento da diferença de pressão interna-externa causada por altas altitudes, a resistência estrutural do compartimento de gás é reforçada. Isso garante que a deformação do compartimento em altas altitudes permaneça dentro das especificações técnicas, garantindo o desempenho mecânico inalterado dos componentes de alta tensão internos.
De acordo com o modelo da Atmosfera Padrão Internacional, a pressão atmosférica padrão em uma determinada altitude pode ser calculada usando a fórmula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
onde P é a pressão atmosférica em uma determinada altitude; P₀ é a pressão atmosférica padrão ao nível do mar; H é a altitude.
Tomando como exemplo uma altitude de 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Usando como exemplo uma típica unidade principal de anel isolada a SF₆ de 10 kV, a pressão de design do compartimento de gás em áreas não altas é geralmente de 0.07 MPa. Considerando a redução da pressão atmosférica em altas altitudes, a pressão de design real para o compartimento de gás em 4000 m de altitude pode ser calculada como:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Design do Dispositivo de Alívio de Pressão para Aplicações em Altas Altitudes
Conforme a norma nacional mais recente GB/T 3906—2020 "Equipamentos de distribuição e controle metálicos fechados para tensões nominais acima de 3.6 kV e até e incluindo 40.5 kV", a Seção 7.103 estipula que o compartimento de gás das unidades principais de anel isoladas a gás deve suportar 1.3 vezes a pressão de design (P₁) por 1 minuto sem ativar o dispositivo de alívio de pressão. Se a pressão continuar a aumentar entre 1.3 vezes (P₁) e 3 vezes (P₂) a pressão de design, o dispositivo de alívio de pressão pode ser ativado. Isso é aceitável desde que atenda às especificações de design do fabricante. Após o teste, o compartimento de gás pode se deformar, mas não deve romper-se.
O design da resistência do compartimento de gás e do dispositivo de alívio de pressão de acordo com esses requisitos atende às normas nacionais. Compartimentos de gás e dispositivos de alívio de pressão para diferentes altitudes podem ser calculados e projetados usando este método:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Através do reforço estrutural do compartimento de gás—como o uso de chapas de aço mais espessas ou a adição de reforços—o compartimento atende plenamente aos requisitos de resistência impostos pelo aumento da diferença de pressão interna-externa em altas altitudes. Isso evita impactos no desempenho mecânico e elétrico dos disjuntores de alta tensão internos causados pela deformação, garantindo operação estável sob pressão de gás nominal e fornecendo desempenho mecânico e elétrico idêntico em ambientes de altas altitudes como em áreas planas.
Através de cálculos de design e validação experimental, o aumento da espessura e resistência da membrana de alívio de pressão melhora sua capacidade de tolerância à pressão. Isso garante que a faixa de alívio de pressão do compartimento de gás cumpra os requisitos de faixa de pressão especificados, evitando a ativação prematura do dispositivo de alívio de pressão devido ao aumento da diferença de pressão interna-externa em ambientes de altas altitudes. Isso mantém o nível de isolamento interno e garante o desempenho elétrico da unidade principal de anel.
2.2 Design do Dispositivo de Indicação de Densidade de Gás para Aplicações em Altas Altitudes
O dispositivo de indicação de densidade de gás isolante utiliza um medidor de densidade selado. Seu valor exibido não é afetado por mudanças de temperatura ou variações de pressão atmosférica externa.
Para as unidades principais de anel isoladas a gás em altas altitudes, o medidor de densidade selecionado para o compartimento de gás é um medidor de densidade selado de condições totais, imune a efeitos de temperatura e altitude. Seu princípio de funcionamento envolve um elemento de compensação dentro do medidor de densidade que permite a compensação de temperatura (não afetado pela temperatura). Simultaneamente, a cabeça do medidor possui uma estrutura selada onde a câmara selada mantém a pressão atmosférica padrão. O valor de pressão exibido pelo medidor de densidade representa a diferença de pressão entre o interior do compartimento de gás e a pressão atmosférica padrão.
Este projeto garante que a escala do medidor de densidade instalado no compartimento de gás do disjuntor em anel reflita sempre com precisão a densidade real do gás no interior do compartimento. O valor exibido permanece inalterado pelas variações de temperatura e altitude, atendendo plenamente aos requisitos operacionais em regiões de alta altitude. 2.3 Projeto de buchas totalmente isoladas para disjuntores em anel isolados a gás em altitudes elevadas
Além de afetar o compartimento de gás e os instrumentos de medição, as grandes altitudes também impactam componentes externos totalmente isolados, como buchas de entrada/saída e conexões terminais de cabos. O desempenho dielétrico desses componentes externos totalmente isolados é influenciado tanto pela resistência dielétrica do material isolante quanto pela resistência de isolação ao longo da superfície (creepage) em relação à terra. Em altitudes elevadas, a reduzida densidade do ar diminui a resistência de isolação ao longo da superfície em relação à terra. Em aplicações práticas, unidades convencionais de disjuntores em anel isoladas a gás frequentemente não conseguem passar nos testes de tensão suportável em frequência industrial para componentes isolantes externos (por exemplo, buchas isolantes ou barramentos superiores expandidos) após instalação em altitudes elevadas.
Para resolver isso, este artigo propõe um novo esquema de projeto para buchas totalmente isoladas em disjuntores em anel isolados a gás em altitudes elevadas: adicionar uma camada blindada aterrada na superfície externa desses componentes isolantes. Este projeto melhora a uniformidade do campo elétrico e evita descargas à terra provenientes dos barramentos do circuito principal.
Em um projeto de subestação aérea de 10 kV em Nagqu, Tibete, uma empresa enfrentou durante os testes de aceitação uma situação em que os equipamentos conseguiam passar apenas em um teste de tensão suportável em frequência industrial de 29 kV/1 min em relação à terra. Após a adição de uma camada blindada aterrada ao isolamento externo das buchas de entrada/saída e dos barramentos externos do compartimento de gás, os equipamentos atenderam ao requisito da norma nacional de 42 kV/1 min para tensão suportável em frequência industrial em relação à terra.
2.4 Resumo dos pontos técnicos principais
Os aspectos críticos de projeto para disjuntores em anel isolados a gás em altitudes elevadas são os seguintes:
Reforçar a resistência estrutural do compartimento de gás aumentando a espessura da chapa de aço ou adicionando reforços, para atender aos requisitos de faixa de pressão suportável e limites de deformação causados pelo aumento da diferença de pressão interna-externa em altitudes elevadas.
Aprimorar o projeto de resistência da membrana de alívio de pressão no dispositivo de alívio de pressão do compartimento de gás. Após o reforço, ela satisfaz os requisitos de faixa de pressão suportável para o dispositivo de alívio de pressão sob maior diferença de pressão interna-externa em altitudes elevadas.
Adotar medidores de densidade selados para dispositivos de indicação de pressão. Seus valores exibidos não são afetados por mudanças de temperatura ou variações de pressão atmosférica externa, tornando-os adequados para ambientes de alta altitude.
Projetar uma camada blindada aterrada na superfície externa dos componentes isolantes externos do compartimento de gás para melhorar a uniformidade do campo elétrico e prevenir descargas à terra provenientes dos barramentos do circuito principal.
3. Importância do projeto de disjuntores em anel isolados a gás em altitudes elevadas
Este esquema de projeto visa fornecer disjuntores em anel isolados a gás que realmente atendam aos requisitos operacionais em altitudes elevadas. Ao reforçar simultaneamente a resistência do compartimento de gás, melhorar a capacidade de suporte de pressão dos dispositivos de alívio de pressão, permitir a medição precisa da densidade interna do gás e projetar racionalmente os componentes isolantes relacionados, o disjuntor em anel alcança total adaptabilidade técnica ao ambiente de alta altitude. Isso garante o desempenho mecânico e elétrico do disjuntor em anel e permite a operação normal de disjuntores em anel isolados a gás em ambientes de alta altitude.
As regiões de alta altitude da China são vastas, gerando uma enorme demanda por equipamentos elétricos adaptados a condições de alta altitude. A padronização e racionalidade do projeto de produtos precisam urgentemente ser aprimoradas. As variações ambientais reais nas regiões de alta altitude impõem novos requisitos ao projeto de produtos. Este esquema técnico fornece uma nova teoria e metodologia de projeto, representando uma exploração significativa.
