Análise da Seguridade e Aseguramento da Fiabilidade de Interruptores de Media Tensión
Como profesional dedicado ás operacións de sistemas eléctricos, recoñezo que os armarios de media tensión (MV) xogan un papel fundamental na distribución, medida e protección da enerxía. Asegurar a súa seguridade e fiabilidade operativa é crucial—calquer fallo pode interromper gravemente o sistema de enerxía en su totalidade. Para mellorar a fiabilidade, debemos priorizar as optimizacións ao nivel de deseño, permitindo que os armarios de MV cumpran as súas funcións e garanticen a estabilidade da rede.
1. Definición de Armario de Media Tensión
Na miña práctica, os armarios de MV refírense aos armarios metálicos definidos no GB 3906—2020 Armarios y aparellos de control metálicos para corrente alterna con tensión nominal entre 3,6 kV e 40,5 kV: equipos completamente encerrados por carcasas metálicas exceptuando os conductores de entrada/saída.
Nos sistemas de enerxía, os armarios de MV realizan funcións clave: comutación, medida, distribución de enerxía e protección a través das etapas de xeración, transmisión e distribución. Durante a operación, axusto a súa configuración en función das demandas da rede—conectando ou desconectando equipos/alimentadores para manter a estabilidade. Cando ocorren fallos nos dispositivos ou liñas da rede, uso os armarios de MV para aislar rapidamente a sección defectuosa, asegurando un suministro ininterrumpido de enerxía nas áreas non afectadas.
2. Importancia de Asegurar a Fiabilidade dos Armarios de MV
Os armarios de MV teñen unha amplia aplicación nos sistemas de enerxía. Con a expansión e crecente complexidade da rede eléctrica en China, as redes agora soportan cargas máis pesadas para atender as demandas sociais. Na miña experiencia, só asegurando a fiabilidade dos armarios de MV poden xestionar eficazmente a distribución, medida e protección, mantendo así a estabilidade global da rede.
Calquera incidente de seguridade ou fallo operativo nos armarios de MV desestabilizará o sistema de distribución, comprometendo o suministro de enerxía. En casos graves, pode causar cortes extensos, levando a perdas económicas significativas para a produción social. Por tanto, enfatizo a necesidade de aumentar a fiabilidade dos armarios de MV a través de medidas multifacéticas, asegurando un funcionamento estable e apoio á rede.
3. Estratexias para Mejorar a Fiabilidade dos Armarios de MV
3.1 Deseño Racional da Estructura de la Carcasa
Un deseño científico da carcasa é fundamental para asegurar a fiabilidade dos armarios de MV, algo que priorizo na práctica de enxeñaría. Por exemplo:
Estas optimizaciones de diseño están alineadas con las mejores prácticas de la industria, asegurando que los armarios de MV cumplan con los requisitos de seguridad y rendimiento en operaciones reales.
3.2 Deseño Racional da Estructura de Aislamento
Para aumentar a seguridade e fiabilidade dos armarios de media-baixa tensión, fortalecer o deseño do aislamento é esencial. No deseño práctico, ademais de cumprirem os requisitos de aislamento, deben considerarse factores como o custo de deseño e a protección ambiental.
3.2.1 Selección Razonable de Gases Aislantes
Nos armarios de media tensión, o 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, lo que destaca su gran impacto negativo en el medio ambiente. Para los armarios de media-baja tensión con requisitos de interrupción no críticos, 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 aislante 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.
Como se indica en la Tabla 1, el N₂ y el aire seco no son gases de efecto invernadero, no representan amenaza para el entorno ecológico. También tienen puntos de ebullición bajos, eliminando preocupaciones sobre la licuefacción durante el uso normal, incluso en regiones extremadamente frías. Es notable que 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, usar aire seco como gas aislante evita tales 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 armarios de distribución.
Ao usar aire seco como gas aislante, debe considerarse el diseño de la brecha mínima de aire. Según las normas relevantes, para un voltaje nominal de 12 kV, la brecha mínima de aire entre fases y de fase a tierra debe ser de 125 mm. Si se supera 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 reducir adecuadamente la brecha mínima de aire.
3.2.2 Mejora del Voltaje de Rotura en Brechas de Gas
Durante el proceso de diseño, para garantizar la seguridad y fiabilidad de los armarios de media-baja tensión, también se debe mejorar el voltaje de rotura en las brechas de gas, con métodos específicos como sigue:
Mejorar la distribución del campo eléctrico en los armarios 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 mala, agregar barreras también es una opción.
Suprimir el proceso de ionización del aire seco. Aplicar alta presión en los armarios de media tensión puede debilitar el proceso de ionización del aire seco. Alternativamente, utilizar alto vacío en los armarios de media tensión puede lograr el mismo efecto.
Al usar alta presión o alto vacío, se requiere que la fuerza del tanque de gas sea extremadamente alta, y en aplicaciones prácticas, es fácil que ocurran problemas de fugas, lo que lleva 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 rotura en las brechas de gas.
3.3 Selección Razonable de Componentes
Los componentes centrales de los armarios de media tensión, incluyendo interruptores de circuito a vacío, interrumpidores a vacío y contactos, afectan directamente la seguridad y fiabilidad operativa del equipo, requiriendo un estricto control de calidad.
Tomemos como ejemplo el armario de ABB. Sus interrumpidores a vacío pasan por rigurosas inspecciones preenvío: pruebas de alta tensión automáticas verifican la resistencia aislante, 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 a vacío de ABB requieren un estricto control ambiental y de procesos. Producidos en la fábrica alemana de CalorEmag, se ensamblan profesionalmente por empresas regionales de armarios 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 montaje 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 la I+D de los interrumpidores a vacío refleja una optimización continua del rendimiento: los primeros ensamblajes expuestos al aire dependían únicamente de particiones aislantes para el aislamiento. Las mejoras posteriores incluyeron mangas aislantes sobre interrumpidores y contactos para equilibrar los campos eléctricos, seguidas de fundición integral de interrumpidores y contactos para mejorar el aislamiento entre fases y la resistencia al impacto, mientras se adoptaban materiales ecológicos para integrar el rendimiento con consideraciones ambientales.
3.4 Planificación Razonable de Pruebas de Validación de Diseño
Después de completar el diseño de los armarios 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 Armarios y aparatos de control metálicos para corriente alterna con tensión nominal entre 3,6 kV y 40,5 kV, GB/T 11022—2020 Requisitos técnicos comunes para las normas de armarios y aparatos de control de alta tensión de corriente alterna, y GB/T 1984—2014 Interruptores de circuito de alta tensión de corriente alterna.
Puntos Clave para las Pruebas de Tipo
Se debe realizar una verificación integral del rendimiento de los componentes eléctricos y elementos auxiliares de los armarios 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 repetir las pruebas de tipo para garantizar la seguridad y fiabilidad 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; además, son necesarias pruebas de verificación de seguridad como la prueba de corriente máxima a corto plazo y la prueba de corriente máxima de pico.
Tomando como ejemplo los armarios de media tensión de ABB, estos han pasado validaciones experimentales en múltiples países bajo las normas más estrictas hasta la fecha, demostrando una seguridad y fiabilidad excepcionales. Tomemos la prueba de arco interno como ejemplo, que verifica:
4 Conclusión
Como componente central del sistema de potencia, la fiabilidad operativa de los armarios de media tensión afecta directamente la seguridad de la red. Por lo tanto, es esencial fortalecer el diseño de seguridad y fiabilidad del equipo, optimizar estrictamente los parámetros técnicos de acuerdo con las normas, y construir una sólida defensa de seguridad a través de pruebas de validación sistemáticas, asegurando que los armarios de media tensión cumplan de manera estable las funciones de distribución, protección y control en el sistema de potencia.
