Análisis de la Seguridad y Garantía de Confiabilidad de los Equipos de Media Tensión
Como profesional dedicado a las operaciones de sistemas eléctricos, reconozco que los equipos de media tensión (MT) desempeñan un papel crucial en la distribución, medición y protección de la energía. Asegurar su seguridad y confiabilidad operativa es fundamental—cualquier fallo puede interrumpir severamente todo el sistema de energía. Para mejorar la confiabilidad, debemos priorizar las optimizaciones a nivel de diseño, permitiendo que los equipos de MT cumplan sus funciones y protejan la estabilidad de la red.
1. Definición de Equipos de Media Tensión
En mi práctica, los equipos de MT se refieren a los armarios metálicos como se define en GB 3906—2020 Equipos y aparatos de conmutación y control de corriente alterna a tensión nominal de 3.6 kV a 40.5 kV: equipos completamente cerrados por carcasas metálicas excepto para los conductores de entrada/salida.
En los sistemas de energía, los equipos de MT realizan funciones clave: conmutación, medición, distribución de energía y protección en las etapas de generación, transmisión y distribución. Durante la operación, ajusto su configuración según las demandas de la red—conectando o desconectando equipos/alimentadores para mantener la estabilidad. Cuando ocurren fallas en dispositivos o líneas de la red, utilizo los equipos de MT para aislar rápidamente la sección defectuosa, asegurando el suministro ininterrumpido de energía a las áreas no afectadas.
2. Importancia de Asegurar la Confiabilidad de los Equipos de MT
Los equipos de MT son ampliamente aplicados en los sistemas de energía. Con la expansión y creciente complejidad de la red en China, las redes ahora soportan cargas más pesadas para satisfacer las demandas sociales. Según mi experiencia, solo asegurando la confiabilidad de los equipos de MT pueden gestionar eficazmente la distribución, medición y protección, manteniendo así la estabilidad general de la red.
Cualquier incidente de seguridad o fallo operativo en los equipos de MT desestabilizará el sistema de distribución, comprometiendo el suministro de energía. En casos graves, puede causar apagones generalizados, resultando en pérdidas económicas significativas para la producción social. Por lo tanto, enfatizo la necesidad de mejorar la confiabilidad de los equipos de MT a través de medidas multifacéticas, asegurando una funcionalidad estable y soporte a la red.
3. Estrategias para Mejorar la Confiabilidad de los Equipos de MT
3.1 Diseño Racional de la Estructura del Armario
Un diseño científico de la carcasa es fundamental para asegurar la confiabilidad de los equipos de MT, lo cual priorizo en la práctica de ingeniería. Por ejemplo:
Estas optimizaciones de diseño se alinean con las mejores prácticas de la industria, asegurando que los equipos de MT cumplan con los requisitos de seguridad y rendimiento en operaciones reales.
3.2 Diseño Racional de la Estructura de Aislamiento
Para mejorar la seguridad y confiabilidad de los equipos de media-baja tensión, fortalecer el diseño de aislamiento es esencial. En el diseño práctico, además de cumplir con los requisitos de aislamiento, deben considerarse factores como el costo de diseño y la protección ambiental.
3.2.1 Selección Racional de Gases Aislantes
En los equipos de media tensión, el gas SF₆ ha sido el principal medio aislante. Sin embargo, no solo es tóxico sino que también tiene un PGE (Potencial de Calentamiento Global) extremadamente alto. Aunque el CO₂ es un gas de efecto invernadero con un PGE alto, el gas SF₆ tiene un PGE 23,900 veces mayor que el CO₂, destacando su daño significativo al medio ambiente. Para equipos de media-baja tensión con requisitos no críticos de interrupción, desde el punto de vista del diseño, podemos intentar reemplazar el gas SF₆ con N₂ o aire seco. En comparación con el gas SF₆, el rendimiento de aislamiento del N₂ y el aire seco puede alcanzar el 30% del del gas SF₆. Las comparaciones de rendimiento entre N₂, aire seco y gas SF₆ se muestran en la Tabla 1.
Según la Tabla 1, el N₂ y el aire seco no son gases de efecto invernadero, no representan amenaza para el medio ambiente. También tienen puntos de ebullición bajos, eliminando preocupaciones sobre la liquefacción durante el uso normal, incluso en regiones extremadamente frías. Notablemente, el N₂, como componente principal del aire, presenta propiedades químicas estables. Sin embargo, una concentración excesivamente alta de N₂ puede causar asfixia debido a la falta de oxígeno. Al diseñar con N₂ como gas aislante, se debe configurar ventilación y equipos de protección. En contraste, el uso de aire seco como gas aislante evita estos problemas. A través de una comparación integral, el aire seco puede adoptarse para reemplazar el SF₆ como gas aislante en el diseño de aislamiento de los equipos de conmutación.
Al utilizar aire seco como gas aislante, se debe considerar el diseño de la brecha mínima de aire. Según las normas relevantes, para una tensión nominal de 12 kV, la brecha mínima de aire entre fases y de fase a tierra debe ser de 125 mm. Si se aprueba la prueba de condensación, la brecha mínima de aire puede ser ligeramente menor que 125 mm. El uso de aire seco como gas aislante permite una reducción apropiada de la brecha mínima de aire.
3.2.2 Mejora del Voltaje de Ruptura en Brechas de Gas
Durante el proceso de diseño, para asegurar la seguridad y confiabilidad de los equipos de media-baja tensión, también se debe mejorar el voltaje de ruptura en las brechas de gas, con métodos específicos como sigue:
Mejorar la distribución del campo eléctrico en los equipos de media-baja tensión. Esto se puede lograr optimizando las formas de los electrodos según las condiciones reales o haciendo un uso completo de las cargas espaciales para mejorar la uniformidad del campo eléctrico. Si la uniformidad del campo eléctrico es extremadamente pobre, agregar barreras también es una opción.
Suprimir el proceso de ionización del aire seco. Aplicar alta presión en los equipos de media tensión puede debilitar el proceso de ionización del aire seco. Alternativamente, usar alto vacío en los equipos de media tensión puede lograr el mismo efecto.
Cuando se usa alta presión o alto vacío, se requiere que la resistencia del tanque de gas sea extremadamente alta, y los problemas de fugas son comunes en aplicaciones prácticas, llevando a consecuencias graves. Por lo tanto, en el diseño real, mejorar la forma de los electrodos y agregar barreras en campos eléctricos extremadamente inhomogéneos son métodos más factibles para aumentar el voltaje de ruptura en las brechas de gas.
3.3 Selección Racional de Componentes
Los componentes centrales de los equipos de media tensión, incluyendo interruptores de circuito de vacío, interrumpidores de vacío y contactos, afectan directamente la seguridad y confiabilidad operativa del equipo, requiriendo un control de calidad estricto.
Tomando como ejemplo los equipos de conmutación ABB, sus interrumpidores de vacío pasan por rigurosas inspecciones preenvío: pruebas de alta tensión automáticas verifican la resistencia al aislamiento, mientras que dispositivos de magnetrones en espiral miden la presión interna en una cámara llena de gas inerte. Después de un período de aislamiento especificado, se realiza una segunda prueba de presión, y los resultados se comparan para asegurar que el rendimiento de sellado cumple con los estándares.
En la fabricación, los interrumpidores de vacío ABB requieren un control estricto del entorno y del proceso. Producidos en la fábrica alemana de CalorEmag, se ensamblan profesionalmente por empresas regionales de equipos de media tensión antes de un suministro centralizado. Se priorizan aleaciones de alto rendimiento como Cu-Cr y W-C-Ag para los materiales de los componentes, asegurando durabilidad.El ensamblaje ocurre en salas limpias dedicadas utilizando un proceso de "sellado y evacuación en una sola vez": bajo una temperatura de 800°C, primero se logra un alto vacío, seguido de soldadura y sellado simultáneos para garantizar la confiabilidad del proceso.
La evolución de I+D de los interrumpidores de vacío refleja una optimización continua del rendimiento: los primeros ensamblajes expuestos al aire dependían únicamente de particiones aislantes para la separación. Mejoras posteriores incluyeron mangas aislantes sobre interrumpidores y contactos para equilibrar los campos eléctricos, seguidas de fundición integral para interrumpidores y contactos para mejorar el aislamiento entre fases y la resistencia al impacto, adoptando materiales ecológicos para integrar el rendimiento con consideraciones ambientales.
3.4 Planificación Racional de las Pruebas de Validación de Diseño
Después de completar el diseño de los equipos de media tensión, la validación experimental se convierte en una fase crítica. La validación real debe cumplir estrictamente con las normas relevantes, como GB 3906—2020 Equipos y aparatos de conmutación y control de corriente alterna a tensión nominal de 3.6 kV a 40.5 kV, GB/T 11022—2020 Requisitos técnicos comunes para normas de equipos y aparatos de conmutación y control de corriente alterna de alta tensión y GB/T 1984—2014 Interruptores de circuito de corriente alterna de alta tensión.
Puntos Clave para las Pruebas de Tipo
Se debe realizar una verificación integral del rendimiento de los componentes eléctricos y elementos auxiliares de los equipos de media tensión para asegurar que los parámetros técnicos cumplan con los requisitos. Cuando los procesos de diseño o las condiciones de producción cambian, se deben realizar nuevamente pruebas de tipo para garantizar la seguridad y confiabilidad del equipo. Para el equipo producido normalmente, generalmente se requiere una prueba de elevación de temperatura cada 8 años; se realizan pruebas de operación mecánica para inspeccionar el rendimiento operativo; también son necesarias pruebas de verificación de seguridad, como las pruebas de corriente de cortocircuito a corto plazo y corriente de punta de cortocircuito.
Tomando como ejemplo los equipos de media tensión ABB, han pasado pruebas de validación experimental en varios países bajo los estándares más estrictos hasta la fecha, demostrando una seguridad y confiabilidad excepcionales. Tomando la prueba de arco interno como ejemplo, esta verifica:
4 Conclusión
Como componente central del sistema de energía, la confiabilidad operativa de los equipos de media tensión afecta directamente la seguridad de la red. Por lo tanto, es esencial fortalecer el diseño de seguridad y confiabilidad del equipo, optimizar estrictamente los parámetros técnicos de acuerdo con los estándares, y construir una sólida defensa de seguridad a través de pruebas de validación sistemáticas, asegurando que los equipos de media tensión realicen de manera estable las funciones de distribución, protección y control en el sistema de energía.
