Visión General Completa de Líneas de Transmisión UHV e Isoladores Compuestos: Desafíos Diseño y Aplicaciones

1 Características y componentes de las líneas de transmisión de alta tensión

1.1 Características de las líneas de transmisión de alta tensión

Las líneas de transmisión de alta tensión se caracterizan por su costo relativamente bajo debido a la menor cantidad de información que requieren. Generalmente utilizan dos conductores, uno conectado al polo positivo y el otro al polo negativo. Las líneas de transmisión de corriente directa tienen durabilidad y pueden transmitir corriente a largas distancias. En algunas instalaciones de transmisión de alta tensión en China, también se utiliza ampliamente la transmisión de corriente alterna, lo cual es particularmente evidente en la vida diaria.

1.2 Las líneas de transmisión de alta tensión como un componente principal del diseño eléctrico

En el trabajo de diseño básico, los planos de ingeniería necesarios para la construcción deben prepararse y seguirse cuidadosamente según los procedimientos de trabajo. La selección de materias primas para los planes de construcción, así como el diseño razonable de las rutas, métodos de construcción y desafíos de almacenamiento correspondientes por parte del equipo de construcción, garantizan el funcionamiento normal de las líneas de energía, mejoran la eficiencia del trabajo y aumentan la efectividad del trabajo de construcción.

2 Estado de desarrollo de las líneas de transmisión de ultra-alta tensión

En comparación con las líneas ordinarias, las líneas de ultra-alta tensión (UAT) tienen requisitos más altos, como los niveles de aislamiento externo, tecnologías de ingeniería eléctrica y medidas de protección de las líneas. Si el nivel de aislamiento externo de las líneas de transmisión de UAT no cumple con los estándares o las medidas de protección son insuficientes, aumentarán los fallos como el flashover por contaminación, sobretensión y ruptura. Por lo tanto, el uso de aisladores compuestos en las líneas de transmisión de UAT es esencial e indispensable para la construcción de redes modernas.

3 Problemas con los aisladores compuestos en las líneas de transmisión de UAT

3.1 Ruptura de interfaz

Los problemas de daño eléctrico de los aisladores compuestos están principalmente causados por rayos, lo que representa más de la mitad de todos los daños. Aunque los materiales continúan mejorando, el problema de la repetición del daño de la interfaz aún existe. Durante la producción, tanto las varillas centrales como las cubiertas muestran fenómenos significativos de desprendimiento, y las interfaces de las cubiertas y los diámetros de las varillas pueden ser erosionadas, lo que potencialmente puede llevar a daños de interfaz y afectar la vida útil de los aisladores. Es necesario un continuo optimización y mejora de los productos para reducir la probabilidad de fallo de la interfaz.

3.2 Fractura frágil de la varilla central

La fractura frágil de la varilla central es un tipo común de fallo de aislador compuesto que se encuentra frecuentemente en las líneas de transmisión de UAT. Durante el proceso de fractura frágil de la varilla central, debido a la erosión ácida, las fibras de la varilla central se rompen gradualmente bajo la acción de la erosión ácida, incluso causando la fractura completa de la varilla central bajo pequeñas cargas. Las principales razones son las siguientes:

Primero, generalmente ocurre en posiciones donde la intensidad del campo terminal de alta tensión es relativamente alta. Invertir el anillo de gradiente puede llevar a la fractura frágil de los aisladores compuestos. Para resolver este problema, el diseño y procesamiento de los anillos de gradiente debe asegurar que la intensidad del campo magnético alcance el nivel especificado, evitando eficazmente la fractura frágil del material.

Segundo, pueden ocurrir grietas cuando la cubierta o la cara final están dañadas. Sin embargo, el uso de nuevas varillas centrales resistentes al ácido sin boro mejora significativamente la resistencia al ácido en general, reduciendo enormemente este problema. Es importante señalar que no todas las varillas centrales de fibra poseen excelentes características de resistencia al ácido; por lo tanto, es necesaria una evaluación de rendimiento y selección. Aunque las fracturas frágiles tienen un impacto significativo en las operaciones, su probabilidad de ocurrencia es baja y puede reducirse mediante diversas intervenciones.

3.3 Problemas de envejecimiento

Después de un período de uso, los aisladores pueden experimentar problemas de envejecimiento principalmente causados por factores de temperatura y descargas superficiales. Aunque los materiales de caucho de silicona tienen un ciclo de envejecimiento más largo, aún puede ocurrir envejecimiento operativo temprano debido a la contaminación ambiental y la tecnología de formulación de materiales. Aunque la mayoría de las regiones pueden mantener buenas condiciones y características a través del gel de silicona, el envejecimiento es inevitable. Para garantizar el funcionamiento seguro de los aisladores, es necesario realizar pruebas tempranas. Por lo tanto, se requieren inspecciones periódicas de aisladores compuestos para prevenir un mayor deterioro.

3.4 Problemas mecánicos

Los aisladores compuestos muestran una degradación significativa del rendimiento mecánico durante su uso. Actualmente, se utilizan aisladores internos de tipo tapón, pero estos tienen altos requisitos para los métodos de unión, con diferencias significativas en la pendiente de flujo en comparación con los diseños de aisladores enrollados en los bordes.

4 Determinación de la longitud de la cadena de aisladores y la distancia mínima de aire para las líneas de UAT

4.1 Distancia de aislamiento eléctrico considerada en el diseño de las líneas de UAT

Los requisitos de compatibilidad de aislamiento para las líneas de UAT de 1000kV AC deben garantizar un funcionamiento seguro y confiable bajo diversas condiciones, como frecuencia de red, sobretensión de conmutación y sobretensión por rayo. El flashover de frecuencia de red de los aisladores es el factor de control principal para las cadenas de aisladores. Las estructuras de aislamiento externo generalmente se calculan basándose en la tolerancia a la contaminación, combinada con la experiencia existente en ingeniería, considerando factores como la altitud y la cobertura de hielo. Para la sobretensión de conmutación, se toman múltiples de sobretensión de 1.6p.u. y 1.7p.u.; cuando la tensión operativa máxima del sistema es de 1100kV, si la sobretensión de conmutación no puede controlar el número de piezas de aislador y el valor calculado es inferior al 50% de la tensión de descarga de impulso de la cadena de aisladores, existe el riesgo de descarga de impulso. En sistemas de UAT, la sobretensión por rayo no tiene relación directa con la tensión de operación, y el alto nivel de aislamiento externo hace que la sobretensión por rayo no sea un factor determinante.

4.2 Longitud de la cadena de aisladores

Bajo condiciones contaminadas, la longitud de la cadena de aisladores se determina utilizando métodos anticontaminación. Esto incluye: (1) medir la tensión de flashover por contaminación de diferentes aisladores bajo condiciones atmosféricas para obtener la relación entre la tensión de flashover por contaminación del 50% y la densidad de sal de diferentes aisladores; (2) medir la tensión de soporte de los aisladores; (3) corregir y calcular la densidad de sal de sales solubles; (4) calibrar el efecto de la relación ceniza-sal en la contaminación superficial de los aisladores; (5) corregir la irregularidad de las superficies superior e inferior; (6) realizar correcciones de elevación a gran altitud; y (7) calcular el número de secciones de aisladores bajo condiciones de tensión máxima de trabajo.

4.3 Determinación de la distancia mínima de aire para las líneas de UAT

4.3.1 Cálculo del número mínimo de piezas de aislador para operación normal

Este documento se centra en el tema científico clave de la selección del claro mínimo para las líneas de transmisión de UAT, utilizando líneas de transmisión monofásica como objeto de estudio. Se estudia la influencia de la distancia de aire en las dimensiones de las torres de transmisión bajo tensión de frecuencia de red y efectos de rayo, se determina el claro mínimo de las torres de transmisión utilizando distancias de aire medidas, y se considera el impacto de la degradación de los aisladores en las estructuras de las torres de transmisión, proponiendo un claro mínimo para las torres de transmisión considerando la degradación de los aisladores.

4.3.2 Determinación del claro de sobretensión de conmutación

Esto implica determinar el factor de coordinación estadística para la operación de sobretensión de conmutación basándose en el cálculo de la tensión de descarga de impulso de trabajo U50% para brechas de aire individuales.

Entre estos, Us representa la sobretensión de conmutación, medida en kV; Z es una constante, por lo que se establece en 2.45; para una brecha de aire individual, σ1 se establece en 0.06; entre estos, σm es la varianza de múltiples brechas de aire, que se establece en 0.024. Por lo tanto:

Por lo tanto, el factor de coordinación estadístico kckc para la sobretensión de operación de la brecha de aire de la línea es:

5 Aplicación de aisladores compuestos en líneas de transmisión de UAT

A través de las operaciones prácticas de las líneas existentes en nuestro país, se ha encontrado que el uso de aisladores compuestos puede reducir tanto los costos de mantenimiento de las líneas como la contaminación de la red eléctrica. En áreas contaminadas, se recomienda utilizar aisladores compuestos. Para las líneas de transmisión de 1000kV, se recomienda usar aisladores de aproximadamente 9 metros de altura, y en áreas muy contaminadas, aisladores de más de 17 metros de altura. Si se adoptan conexiones en serie múltiples, la altura de los aisladores puede ajustarse aún más, pero esto también aumentará el peso y la longitud de los aisladores, incrementando el costo de la línea.

En áreas de gran altitud y muy contaminadas, los aisladores compuestos ofrecen mayores ventajas económicas y técnicas. Cuando la longitud de la cadena combinada no excede los 10 metros, puede reducir el área de la ventana de la torre, controlar la carga de la torre y disminuir la ocurrencia de accidentes de flashover. Por lo tanto, los aisladores de material compuesto tienen ventajas significativas en estos aspectos. Para garantizar el funcionamiento a largo plazo, estable y confiable de las líneas de transmisión de UAT, es necesario realizar investigaciones en profundidad.

Por un lado, se deben realizar estudios sobre las propiedades mecánicas de los aisladores compuestos de ultra-gran tonelaje para formar estándares y métodos de prueba eficientes. Además, mientras se asegura una presión uniforme en los aisladores compuestos, se deben tomar medidas apropiadas para abordar los problemas de interferencia electromagnética y descarga de corona para minimizar accidentes repentinos. Un método de arco razonable asegura una supresión de arco efectiva.

Estructuras mecánicas optimizadas garantizan que un aislador roto no caiga al suelo. Se deben establecer estrictos estándares de control de calidad para prohibir productos subestándar, con un estricto control de materiales para las varillas centrales y las faldas, y mejoras en las técnicas de fabricación desde la fuente para reducir los peligros de seguridad operativa. Durante la construcción, se debe implementar un procedimiento de almacenamiento científico para controlar estrictamente los daños potenciales. Se deben ejecutar planes de mantenimiento e inspección efectivos para identificar oportunamente los peligros de seguridad y tomar medidas correspondientes para garantizar la seguridad en la producción.

6 Conclusión

Los aisladores compuestos han ganado una aplicación cada vez mayor en la red eléctrica de China y se han convertido en un componente esencial de la construcción de la red eléctrica. Dado los requisitos de grandes secciones transversales y condiciones de alta carga en las líneas de transmisión de UAT, se deben priorizar los aisladores sintéticos sobre los aisladores de vidrio y otros tipos. A medida que se expande la escala de las líneas de transmisión de UAT, surgen más desafíos, lo que lleva a mayores demandas en su rendimiento.

Además de asegurar una presión uniforme en los aisladores compuestos, se deben tomar medidas apropiadas para abordar los problemas de interferencia electromagnética y descarga de corona para minimizar accidentes repentinos. Un método de arco razonable asegura una supresión de arco efectiva. Estructuras mecánicas optimizadas garantizan que un aislador roto no caiga al suelo. Se deben establecer estrictos estándares de control de calidad para prohibir productos subestándar, con un estricto control de materiales para las varillas centrales y las faldas, y mejoras en las técnicas de fabricación desde la fuente para reducir los peligros de seguridad operativa.

Durante la construcción, se debe implementar un procedimiento de almacenamiento científico para controlar estrictamente los daños potenciales. Se deben ejecutar planes de mantenimiento e inspección efectivos para identificar oportunamente los peligros de seguridad y tomar medidas correspondientes para garantizar la seguridad en la producción.