Análise da Garantia de Segurança e Confiabilidade dos Equipamentos de Distribuição de Média Tensão
Como profissional envolvido nas operações de sistemas de energia, reconheço que o equipamento de comutação de média tensão (MV) desempenha um papel fundamental na distribuição, medição e proteção de energia. Garantir sua segurança e confiabilidade operacional é crítico—qualquer falha pode interromper severamente todo o sistema de energia. Para aumentar a confiabilidade, devemos priorizar otimizações no nível de design, permitindo que o equipamento de comutação de média tensão cumpra suas funções e garanta a estabilidade da rede.
1. Definição de Equipamento de Comutação de Média Tensão
Em minha prática, o equipamento de comutação de média tensão refere-se ao equipamento de comutação metálico conforme definido na GB 3906—2020 Equipamentos de Comutação e Controle Metálicos para Tensões Nominais de 3,6 kV a 40,5 kV em CA: equipamento totalmente encapsulado por cascos metálicos, exceto para condutores de entrada/saída.
Nos sistemas de energia, o equipamento de comutação de média tensão realiza funções-chave: comutação, medição, distribuição de energia e proteção em todas as etapas de geração, transmissão e distribuição. Durante a operação, ajusto sua configuração com base nas demandas da rede—conectando ou desconectando equipamentos/ramais para manter a estabilidade. Quando ocorrem falhas nos dispositivos ou linhas da rede, uso o equipamento de comutação de média tensão para isolar prontamente a seção defeituosa, garantindo o fornecimento ininterrupto de energia às áreas não afetadas.
2. Importância de Garantir a Confiabilidade do Equipamento de Comutação de Média Tensão
O equipamento de comutação de média tensão é amplamente aplicado em sistemas de energia. Com a expansão e crescente complexidade da rede chinesa, as redes agora suportam cargas mais pesadas para atender às demandas sociais. A partir de minha experiência, apenas garantindo a confiabilidade do equipamento de comutação de média tensão, ele pode gerenciar eficazmente a distribuição, medição e proteção de energia, mantendo assim a estabilidade geral da rede.
Qualquer incidente de segurança ou falha operacional no equipamento de comutação de média tensão pode instabilizar o sistema de distribuição, comprometendo o fornecimento de energia. Em casos graves, pode causar interrupções generalizadas, levando a perdas econômicas significativas para a produção social. Portanto, enfatizo a necessidade de reforçar a confiabilidade do equipamento de comutação de média tensão através de medidas multifacetadas, garantindo funcionalidade estável e suporte à rede.
3. Estratégias para Aumentar a Confiabilidade do Equipamento de Comutação de Média Tensão
3.1 Design Racional da Estrutura do Gabinete
O design científico do gabinete é fundamental para garantir a confiabilidade do equipamento de comutação de média tensão, o que priorizo na prática de engenharia. Por exemplo:
Essas otimizações de design alinham-se com as melhores práticas da indústria, garantindo que o equipamento de comutação de média tensão atenda aos requisitos de segurança e desempenho em operações reais.
3.2 Design Racional da Estrutura de Isolamento
Para aumentar a segurança e confiabilidade dos equipamentos de comutação de média e baixa tensão, fortalecer o design de isolamento é essencial. No design prático, além de atender aos requisitos de isolamento, fatores como custo de design e proteção ambiental também devem ser considerados.
3.2.1 Seleção Racional de Gases Isolantes
No equipamento de comutação de média tensão, o gás SF₆ tem sido o principal meio de isolamento. No entanto, ele não só é tóxico, mas também tem um PGE (Potencial de Aquecimento Global) extremamente alto. Embora o CO₂ seja um gás de efeito estufa com alto PGE, o gás SF₆ tem um PGE 23.900 vezes maior que o CO₂, destacando seu dano significativo ao meio ambiente natural. Para equipamentos de comutação de média e baixa tensão com requisitos de interrupção não críticos, podemos tentar substituir o gás SF₆ por N₂ ou ar seco no design. Comparado com o gás SF₆, o desempenho de isolamento do N₂ e do ar seco pode chegar a 30% do desempenho do gás SF₆. As comparações de desempenho entre N₂, ar seco e gás SF₆ são mostradas na Tabela 1.
Conforme indicado na Tabela 1, o N₂ e o ar seco são gases não-estufa, não representando ameaça ao meio ambiente. Eles também têm pontos de ebulição baixos, eliminando preocupações sobre liquefação durante o uso normal, mesmo em regiões extremamente frias. Notavelmente, o N₂, como componente principal do ar, possui propriedades químicas estáveis. No entanto, uma concentração excessivamente alta de N₂ pode causar asfixia devido à privação de oxigênio. Ao projetar com N₂ como gás isolante, deve-se configurar ventilação e equipamentos de proteção. Em contraste, o uso de ar seco como gás isolante evita tais problemas. Através de uma comparação abrangente, o ar seco pode ser adotado para substituir o SF₆ como gás isolante no design de isolamento do equipamento de comutação.
Ao usar ar seco como gás isolante, deve-se considerar o design da lacuna mínima de ar. De acordo com os padrões relevantes, para uma tensão nominal de 12 kV, a lacuna mínima de ar entre fases e da fase para o solo deve ser de 125 mm. Se o teste de condensação for aprovado, a lacuna mínima de ar pode ser ligeiramente menor que 125 mm. O uso de ar seco como gás isolante permite uma redução apropriada da lacuna mínima de ar.
3.2.2 Aumento da Tensão de Ruptura em Lacunas de Gás
Durante o processo de design, para garantir a segurança e confiabilidade dos equipamentos de comutação de média e baixa tensão, a tensão de ruptura em lacunas de gás também deve ser aumentada, com métodos específicos como segue:
Melhorar a distribuição do campo elétrico nos equipamentos de comutação de média e baixa tensão. Isso pode ser alcançado otimizando as formas dos eletrodos de acordo com as condições reais ou fazendo uso completo das cargas espaciais para melhorar a uniformidade do campo elétrico. Se a uniformidade do campo elétrico for extremamente ruim, adicionar barreiras também é uma opção.
Suprimir o processo de ionização do ar seco. Aplicar pressão alta em equipamentos de comutação de média tensão pode enfraquecer o processo de ionização do ar seco. Alternativamente, usar vácuo alto em equipamentos de comutação de média tensão pode alcançar o mesmo efeito.
Quando se usa pressão alta ou vácuo alto, a resistência do tanque de gás deve ser extremamente alta, e problemas de vazamento são propensos a ocorrer na prática, levando a consequências graves. Portanto, no design real, melhorar a forma do eletrodo e adicionar barreiras em campos elétricos extremamente inhomogêneos são métodos mais viáveis para aumentar a tensão de ruptura em lacunas de gás.
3.3 Seleção Racional de Componentes
Os componentes centrais do equipamento de comutação de média tensão, incluindo disjuntores a vácuo, interrompedores a vácuo e contatos, afetam diretamente a segurança e confiabilidade operacional do equipamento, exigindo controle rigoroso de qualidade.
Tomando como exemplo o equipamento de comutação ABB, seus interrompedores a vácuo passam por inspeções rigorosas antes do embarque: testes automáticos de alta tensão verificam a resistência à isolação, enquanto dispositivos de magnetrons em espiral medem a pressão interna dentro de uma câmara preenchida com gás inerte. Após um período de isolamento especificado, um segundo teste de pressão é realizado, e os resultados são comparados para garantir que o desempenho de vedação atenda aos padrões.
Na fabricação, os interrompedores a vácuo da ABB exigem controle rigoroso do ambiente e do processo. Produzidos na fábrica da CalorEmag na Alemanha, eles são montados profissionalmente por empresas regionais de equipamentos de comutação de média tensão antes do fornecimento centralizado. Ligas de alto desempenho, como Cu-Cr e W-C-Ag, são priorizadas para materiais de componentes, garantindo durabilidade.O montagem ocorre em salas limpas dedicadas usando um processo de "selagem e exaustão única": sob temperatura alta de 800°C, o vácuo elevado é primeiro alcançado, seguido de soldagem e selagem simultâneas para garantir a confiabilidade do processo.
A evolução do desenvolvimento de interrompedores a vácuo reflete a otimização contínua do desempenho: as primeiras montagens expostas ao ar dependiam apenas de partições isolantes para isolamento. Melhorias subsequentes incluíram mangas isolantes sobre interrompedores e contatos para equilibrar os campos elétricos, seguidas por fundição integral de interrompedores e contatos para melhorar o isolamento fase-a-fase e a resistência ao impacto, adotando materiais ecológicos para integrar desempenho e considerações ambientais.
3.4 Planejamento Racional dos Testes de Validação de Design
Após a conclusão do design do equipamento de comutação de média tensão, a validação experimental torna-se uma fase crítica. A validação real deve estar em estrita conformidade com os padrões relevantes, como a GB 3906—2020 Equipamentos de Comutação e Controle Metálicos para Tensões Nominais de 3,6 kV a 40,5 kV em CA, a GB/T 11022—2020 Requisitos Técnicos Comuns para Padrões de Equipamentos de Comutação e Controle de Alta Tensão em CA e a GB/T 1984—2014 Disjuntores de Alta Tensão em CA.
Pontos Chave para Testes Tipo
Deve ser realizada uma verificação completa do desempenho dos componentes elétricos e elementos auxiliares do equipamento de comutação de média tensão para garantir que os parâmetros técnicos atendam aos requisitos. Quando os processos de design ou as condições de produção mudam, os testes tipo devem ser refeitos para garantir a segurança e confiabilidade do equipamento. Para equipamentos produzidos normalmente, um teste de aquecimento geralmente é necessário a cada 8 anos; testes de operação mecânica são realizados para inspecionar o desempenho operacional; além disso, itens de verificação de segurança, como testes de corrente de curto-circuito de resistência e pico de resistência, também são necessários.
Tomando como exemplo o equipamento de comutação de média tensão ABB, ele passou por validações experimentais em diversos países sob os padrões mais rigorosos até hoje, demonstrando segurança e confiabilidade excepcionais. Tomando o teste de arco interno como exemplo, que verifica:
4 Conclusão
Como componente central do sistema de energia, a confiabilidade operacional do equipamento de comutação de média tensão afeta diretamente a segurança da rede. Portanto, é essencial reforçar o design de segurança e confiabilidade do equipamento, otimizar rigorosamente os parâmetros técnicos de acordo com os padrões e construir uma sólida defesa de segurança através de testes de validação sistemáticos, garantindo que o equipamento de comutação de média tensão realize de maneira estável as funções de distribuição, proteção e controle no sistema de energia.
