Visão Geral Abrangente de Linhas de Transmissão UHV e Isoladores Compostos: Desafios Projeto e Aplicações

1 Características e Componentes das Linhas de Transmissão de Alta Tensão

1.1 Características das Linhas de Transmissão de Alta Tensão

As linhas de transmissão de alta tensão são caracterizadas por seu custo relativamente baixo devido à menor quantidade de informações que requerem. Geralmente utilizam dois condutores, um conectado ao polo positivo e o outro ao polo negativo. As linhas de transmissão de corrente contínua têm durabilidade e podem transmitir corrente por longas distâncias. Em algumas instalações de transmissão de alta tensão na China, a transmissão de corrente alternada também é amplamente utilizada, o que é particularmente evidente no cotidiano.

1.2 Linhas de Transmissão de Alta Tensão como Componente Principal do Projeto Elétrico

No trabalho básico de projeto, os desenhos de engenharia necessários para a construção devem ser preparados e seguidos cuidadosamente de acordo com os procedimentos de trabalho. A seleção de matérias-primas para os planos de construção, bem como o design razoável de rotas, métodos de construção e desafios de armazenamento correspondentes pela equipe de construção, asseguram o funcionamento normal das linhas de energia, melhoram a eficiência do trabalho e aumentam a eficácia dos trabalhos de construção.

2 Situação de Desenvolvimento das Linhas de Transmissão de Ultra-Alta Tensão

Comparado com as linhas comuns, as linhas de ultra-alta tensão (UAT) têm requisitos mais elevados, como níveis de isolamento externo, tecnologias de engenharia elétrica e medidas de proteção de linha. Se o nível de isolamento externo das linhas de transmissão de UAT não atender aos padrões ou as medidas de proteção forem insuficientes, falhas como flashover de poluição, sobretensão e quebra aumentarão. Portanto, o uso de isoladores compostos em linhas de transmissão de UAT é essencial e uma parte indispensável da construção moderna de redes.

3 Problemas com Isoladores Compostos em Linhas de Transmissão de UAT

3.1 Quebra de Interface

Os problemas de danos elétricos em isoladores compostos são principalmente causados por raios, representando mais da metade de todos os danos. Embora os materiais estejam em constante melhoria, o problema de danos repetidos de interface ainda persiste. Durante a produção, tanto os eixos centrais quanto as mangas apresentam fenômenos significativos de descamação, e as interfaces entre as mangas e os diâmetros dos eixos podem ser erodidas, potencialmente levando a danos de interface e afetando a vida útil dos isoladores. É necessário um aperfeiçoamento contínuo e melhoria dos produtos para reduzir a probabilidade de falha de interface.

3.2 Fratura Brittle do Eixo Central

A fratura brittle do eixo central é um tipo comum de falha de isolador composto frequentemente encontrada em linhas de transmissão de UAT. Durante o processo de fratura brittle do eixo central, devido à erosão ácida, as fibras do eixo central se quebram gradualmente sob a ação da erosão ácida, podendo até causar a fratura completa do eixo central sob cargas pequenas. As principais razões são as seguintes:

Primeiro, geralmente ocorre em posições onde a intensidade do campo terminal de alta tensão é relativamente alta. Inverter o anel de graduação pode levar à fratura brittle de isoladores compostos. Para resolver esse problema, o design e processamento dos anéis de graduação devem garantir que a intensidade do campo magnético atinja o nível especificado, evitando efetivamente a fratura brittle do material.

Segundo, rachaduras podem ocorrer quando a manga ou a face final está danificada. No entanto, o uso de eixos centrais resistentes a ácido sem fibra de boro melhora significativamente a resistência total ao ácido, reduzindo grandemente esse problema. Vale notar que nem todos os eixos centrais de fibra possuem excelentes características de resistência a ácido; portanto, a avaliação de desempenho e a seleção são necessárias. Embora as fraturas brittles tenham um impacto significativo nas operações, sua probabilidade de ocorrência é baixa e pode ser reduzida por meio de várias intervenções.

3.3 Problemas de Envelhecimento

Após um período de uso, os isoladores podem apresentar problemas de envelhecimento, principalmente causados por fatores de temperatura e descarga superficial. Embora os materiais de silicone tenham um ciclo de envelhecimento mais longo, o envelhecimento inicial operacional ainda pode ocorrer devido à poluição ambiental e à tecnologia de formulação de materiais. Embora a maioria das regiões possa manter boas condições e características através do gel de silicone, o envelhecimento é inevitável. Para garantir a operação segura dos isoladores, testes iniciais são necessários. Portanto, inspeções periódicas de isoladores compostos são necessárias para evitar a deterioração adicional.

3.4 Problemas Mecânicos

Os isoladores compostos apresentam uma degradação significativa do desempenho mecânico durante o uso. Atualmente, são usados isoladores internos plug-in, mas eles têm altos requisitos para métodos de junção, com diferenças significativas na inclinação de fluência comparados ao design de isoladores enrolados na borda.

4 Determinação do Comprimento da Corrente de Isoladores e da Distância Mínima de Ar para Linhas de UAT

4.1 Distância de Isolamento Elétrico Considerada no Projeto de Linhas de UAT

Os requisitos de compatibilidade de isolamento para linhas de UAT de 1000kV CA devem garantir a operação segura e confiável sob várias condições, como frequência de alimentação, sobretensão de comutação e sobretensão de raio. O flashover de frequência de alimentação dos isoladores é o fator de controle principal para as correntes de isoladores. As estruturas de isolamento externo são geralmente calculadas com base na tolerância à poluição, combinada com a experiência existente em engenharia, considerando fatores como altitude e cobertura de gelo. Para a sobretensão de comutação, múltiplos de sobretensão de 1,6p.u. e 1,7p.u. são tomados; quando a tensão operacional máxima do sistema é de 1100kV, se a sobretensão de comutação não puder controlar o número de peças de isolador e o valor calculado for inferior a 50% da tensão de descarga de impulso da corrente de isoladores, há risco de descarga de impulso. Nos sistemas de UAT, a sobretensão de raio não tem relação direta com a tensão operacional, e o alto nível de isolamento externo torna a sobretensão de raio um fator não determinante.

4.2 Comprimento da Corrente de Isoladores

Sob condições de poluição, o comprimento da corrente de isoladores é determinado usando métodos antipoluição. Isso inclui: (1) medir a tensão de flashover de diferentes isoladores sob condições atmosféricas para obter a relação entre a tensão de flashover de 50% e a densidade de sal de diferentes isoladores; (2) medir a tensão de resistência dos isoladores; (3) corrigir e calcular a densidade de sal de sais solúveis; (4) calibrar o efeito da proporção de cinza para sal na contaminação superficial dos isoladores; (5) corrigir a irregularidade das superfícies superior e inferior; (6) realizar correção de altitude em altitudes elevadas; e (7) calcular o número de seções de isoladores sob condições de tensão de trabalho máxima.

4.3 Determinação da Distância Mínima de Ar para Linhas de UAT

4.3.1 Cálculo do Número Mínimo de Peças de Isolador para Operação Normal

Este artigo se concentra na questão científica chave de selecionar o espaçamento mínimo para linhas de transmissão de UAT, usando linhas de transmissão de circuito único como objeto de estudo. Estuda a influência da distância de ar na dimensão das torres de transmissão sob tensão de frequência de alimentação e efeitos de raio, determina o espaçamento mínimo das torres de transmissão usando distâncias de ar medidas e considera o impacto da degradação dos isoladores nas estruturas das torres de transmissão, propondo um espaçamento mínimo para torres de transmissão considerando a degradação dos isoladores.

4.3.2 Determinação do Espaçamento de Sobretensão de Comutação

Isso envolve determinar o fator de ajuste estatístico para a operação de sobretensão de comutação com base no cálculo da tensão de descarga de impulso de trabalho U50% para lacunas de ar individuais.

Nestes, Us representa a sobretensão de comutação, medida em kV; Z é uma constante, então é definida como 2,45; para uma única lacuna de ar, σ1 é definido como 0,06; nestes, σm é a variância de múltiplas lacunas de ar, que é definida como 0,024. Portanto:

Portanto, o fator de coordenação estatística kckc para a sobretensão de operação da lacuna de ar da linha é:

5 Aplicação de Isoladores Compostos em Linhas de Transmissão de UAT

Através das operações práticas de linhas existentes no nosso país, foi constatado que o uso de isoladores compostos pode reduzir tanto os custos de manutenção da linha quanto a poluição da rede elétrica. Em áreas poluídas, recomenda-se o uso de isoladores compostos. Para linhas de transmissão de 1000kV, recomenda-se o uso de isoladores com cerca de 9 metros de altura, e em áreas altamente poluídas, isoladores com mais de 17 metros de altura. Se forem adotadas múltiplas conexões em série, a altura dos isoladores pode ser ajustada ainda mais, mas isso também aumentará o peso e o comprimento dos isoladores, elevando o custo da linha.

Em áreas de alta altitude e altamente poluídas, os isoladores compostos oferecem maiores vantagens econômicas e técnicas. Quando o comprimento da corrente combinada não excede 10 metros, pode reduzir a área da janela da torre, controlar a carga da torre e diminuir a ocorrência de acidentes de flashover. Portanto, os isoladores compostos têm vantagens significativas nesses aspectos. Para garantir a operação estável e confiável a longo prazo das linhas de transmissão de UAT, pesquisas aprofundadas devem ser realizadas.

Por um lado, devem ser realizados estudos sobre as propriedades mecânicas de isoladores compostos de ultra-grande tonelagem para formar padrões e métodos de teste eficientes. Além disso, enquanto se garante a pressão uniforme nos isoladores compostos, medidas apropriadas devem ser tomadas para abordar questões de interferência eletromagnética e descarga de corona, minimizando acidentes súbitos. Um método de arco adequado garante a supressão eficaz do arco.

Estruturas mecânicas otimizadas garantem que um isolador quebrado não caia no chão. Devem ser estabelecidos padrões rigorosos de controle de qualidade para proibir produtos subpadrão, com controle rigoroso de materiais para eixos centrais e saias, e melhorias nas técnicas de fabricação desde a origem para reduzir os riscos de segurança operacional. Durante a construção, deve ser implementado um procedimento de armazenamento científico para controlar estritamente danos potenciais. Planos de manutenção e inspeção eficazes devem ser executados para identificar prontamente riscos de segurança e tomar medidas correspondentes para garantir a segurança da produção.

6 Conclusão

Os isoladores compostos têm ganhado aplicação crescente na rede elétrica da China e se tornaram um componente essencial da construção de redes elétricas. Dadas as exigências de grandes seções transversais e condições de alta carga em linhas de transmissão de UAT, os isoladores sintéticos devem ser priorizados em relação aos isoladores de vidro e outros tipos. À medida que a escala das linhas de transmissão de UAT se expande, surgem mais desafios, levando a demandas mais elevadas em termos de desempenho.

Além de garantir a pressão uniforme nos isoladores compostos, medidas apropriadas devem ser tomadas para abordar questões de interferência eletromagnética e descarga de corona, minimizando acidentes súbitos. Um método de arco adequado garante a supressão eficaz do arco. Estruturas mecânicas otimizadas garantem que um isolador quebrado não caia no chão. Devem ser estabelecidos padrões rigorosos de controle de qualidade para proibir produtos subpadrão, com controle rigoroso de materiais para eixos centrais e saias, e melhorias nas técnicas de fabricação desde a origem para reduzir os riscos de segurança operacional.

Durante a construção, deve ser implementado um procedimento de armazenamento científico para controlar estritamente danos potenciais. Planos de manutenção e inspeção eficazes devem ser executados para identificar prontamente riscos de segurança e tomar medidas correspondentes para garantir a segurança da produção.