Dissenyant Equipament d'aislament a l'aire i al gas fiable de 24kV
Actualment, les xarxes de distribució de mitjana tensió a la Xina operen predominantment a 10kV. Amb el ràpid desenvolupament econòmic, les càrregues elèctriques han crescut, exposant cada vegada més les limitacions dels actuals mètodes de subministrament d'energia. Gràcies als avantatges destacats del quadre de commutació d'alta tensió de 24kV per satisfer les demandes d'una major capacitat de càrrega, ha guanyat discretament terreny dins l'indústria. Seguint la "Notificació sobre la Promoció del Nivell de Tensió de 20kV" de la Corporació Estatal de la Xarxa, la classe de tensió de 20kV ha experimentat una ràpida adopció.
Com a producte crític per a aquest nivell de tensió, la estructura i el disseny d'aislament del quadre de commutació d'alta tensió de 24kV han esdevingut punts focals a l'indústria. Segons la norma de l'indústria elèctrica "Requisits Tècnics Comuns per a Quadres de Commutació i Equipament de Control d'Alta Tensió" (DL/T 593-2006), es defineixen clarament els requisits específics d'aislament per a aquests quadres. Els requisits d'aislament per als productes de 24kV són els següents:
Aclarança mínima (entre fases, entre fase i terra): 180mm; Tensió de resistència a freqüència industrial (entre fases, entre fase i terra): 50/65 kV/min, (entre juntures d'aislament): 64/79 kV/min; Tensió de resistència a impuls de fulles (entre fases, entre fase i terra): 95/125 kV/min, (entre juntures d'aislament): 115/145 kV/min.
Nota: Les dades a l'esquerra de la barra diagonal s'apliquen a sistemes amb neutre solidament aterrada, mentre que les dades a la dreta s'apliquen a sistemes amb neutre aterrada a través d'una bobina de supressió d'arc o sense aterrada.
El quadre de commutació d'alta tensió de 24kV es pot categoritzar segons el mètode d'aislament en quadres metàl·lics tancats aïllats a l'aire i unitats de mà principal aïllades amb SF6. Els quadres metàl·lics tancats aïllats a l'aire per a 24kV, especialment el tipus extensible de muntatge mig (d'ara endavant referit com a quadre de commutació de muntatge mig de 24kV), han esdevingut un focus de disseny clau. Aquest article discuteix diverses recomanacions en relació al disseny estructural i d'aislament dels quadres de commutació de muntatge mig de 24kV i les unitats de mà principal aïllades amb SF6, oferint-les per a referència i comentari.
1. Disseny del Quadre de Comutació de Muntatge Mig de 24kV
La tecnologia per als quadres de commutació de muntatge mig de 24kV prové principalment de tres fonts: Primer, una actualització del producte KYN28-12 de 12kV reemplaçant directament els components relacionats amb l'aislament. Segon, productes de muntatge mig estrangers que entren al mercat domèstic, com ara els de ABB i Eaton Senyuan. Tercer, quadres de commutació de muntatge mig de 24kV desenvolupats de manera independent a la Xina. La tercera categoria, dissenyada específicament per a les condicions i requisits tècnics existents a la Xina, és la més competitiva al mercat. Per tant, durant el seu disseny, s'ha de considerar plenament la estructura general del producte i el disseny d'aislament, tal com es detalla a continuació:
1.1 Estructura de Armari de Mates Altures i Disposició de Barra de Bus en Triangular
La majoria dels quadres de commutació de muntatge mig de 12kV utilitzen una estructura més alta a l'anterior i més baixa a l'endarrere, amb les tres fases de la barra de bus disposades en una configuració triangular (delta) i el compartiment d'instruments com una estructura removible i independent. Si s'utilitza aquest mètode per als quadres de commutació de muntatge mig de 24kV, clarament no podria complir amb el requisit d'aclarança mínima d'aire de 180mm. Per tant, els quadres de commutació de muntatge mig de 24kV haurien de adoptar un disseny d'armari de mates altures, integrant el compartiment d'instruments al armari principal.
L'alçada de l'armari hauria de ser augmentada convenientment a 2400mm, proporcionant més espai per als compartiments de la barra de bus i el circuit interruptor. Les cames de la barra de bus haurien de disposar-se en una configuració triangular. Aquest enfocament no només compleix amb els requisits d'aclarança d'aire, sinó que també suprimeix i suporta eficaçment les forces electromagnètiques, millora la dissipació de calor de la barra de bus i augmenta la fiabilitat de l'aislament.
1.2 Disseny Racional de l'Amplada del Quadre de Comutació
Des del punt de vista de la fiabilitat de l'aislament, l'aislament a l'aire és el mètode més fiable; sempre que es garanteixi la mínima aclarança d'aislament, l'aislament queda assegurat. Considerant un disseny totalment aïllat a l'aire, l'amplada teòrica d'un quadre de commutació de 24kV hauria de ser de 1020mm. Tanmateix, en la producció real, la majoria de fabricants trien una amplada d'armari de 1000mm, el que necessita l'ús d'aislament compost. Generalment, es fan servir tubs retràctils a les barres de bus, i es col·loquen barreres aïllants de SMC (Sheet Molding Compound) entre fases i entre fase i terra per augmentar l'aislament.
1.3 Disseny per a una Distribució Uniforme del Camp Elèctric
Els tests demostren que, quan més alt és el nivell de tensió, més forta és la intensitat del camp elèctric local durant els tests de resistència a tensió de freqüència industrial, sovint acompanyada de sons notables de descàrrec corona. Segons la regulació, sempre que no hi hagi cap descàrrec disruptiu, el test es considera aprovat. No obstant això, una intensitat elevada del camp elèctric local pot afectar la capacitat del producte de suportar sobretensions durant la operació normal.
Per tant, el disseny del producte hauria de prioritzar l'assoliment d'una distribució tan uniforme com sigui possible del camp elèctric, evitant la concentració local del camp. Des de l'experiència pràctica, formar els conductors per aconseguir un camp uniforme és efectiu. Per als extrems tallats de les barres de bus, utilitzeu un fresador de formació per maquinària els extrems en cantonades arrodonides. Per als extrems de les barres de bus dins la caixa de contacte, primer formeu-los en forma semicircular, després fresaeu-los en cantonades arrodonides. On es permeti, instal·leu una coberta de blindatge metàl·lic fora dels contactes de flors de cereza del circuit interruptor, o incrusteu una màniga de blindatge metàl·lic durant la fundició de la caixa de contacte. Aquestes mesures poden uniformar eficaçment la distribució del camp elèctric, suprimir els pics de camp i millorar encara més els nivells d'aislament.
1.4 Ús de Materials Aïllants amb Gran Distància de Creepage
Els materials aïllants com les cames, les caixes de contacte i els suports aïllants han de tenir ànecs ampliats i una distància de creepage suficient per complir els requisits d'aislament de 24kV. Especialment en el disseny de les caixes de contacte, s'ha d'afegir una màniga de blindatge metàl·lica, i la cavidad interior hauria de fer servir una estructura en llengua per evitar els problemes inherents a les estructures anulars, que no poden suprimir eficaçment la condensació i l'acumulació de contaminació durant la operació.
2. Disseny de les Unitats de Mà Principal aïllades amb SF6 de 24kV
Les unitats de mà principal aïllades amb SF6 de 24kV estrangeres van començar aviat; empreses com Siemens i ABB les van introduir a principis dels anys 1980. Això és degut al fet que molts països estrangers utilitzen 24kV com a principal tensió de distribució de mitjana tensió. Els seus productes són tecnològicament avançats, amb un rendiment i una fiabilitat elevats. Les unitats de mà principal aïllades amb SF6 de 24kV domèstiques només han començat a desenvolupar-se en els darrers anys. Limitades per diverses condicions, els productes encara estan en fases de recerca, desenvolupament i proves.
Degut a la naturalesa avançada de la tecnologia de les unitats de mà principal aïllades amb SF6 de 24kV, la seva estructura i el disseny d'aislament haurien de basar-se en l'experiència estrangera madura. A continuació, es presenten diverses recomanacions sobre el disseny estructural i d'aislament del producte:
2.1 Enfocament a la Racionalitat Estructural
Com que tots els components actius i els commutadors en les unitats de mà principal aïllades amb SF6 de 24kV estan sellats dins d'un closa de metall inoxidable omplert amb gas SF6, són compactes. En el disseny estructural, s'han de considerar plenament la força d'aislament i l'humitat del gas aïllant per dissenyar racionalment les dimensions del closa. L'unitat hauria de tenir funcionalitat completa, ser fàcil d'operar i tenir una estructura simple.
2.2 Expandibilitat de Configuracions
El disseny de la configuració hauria de tenir expandibilitat. Fins a un cert punt, la qualitat d'un producte i el seu potencial per a una ampla adopció depenen de la flexibilitat de la seva configuració. Un disseny estandarditzat i modular permet una expansió flexible a l'esquerra i a la dreta.
2.3 Fiabilitat del Disseny d'Aislament
El principal risc per a les unitats de mà principal aïllades amb SF6 de 24kV és la degradació del rendiment de l'aislament. Els factors que causen la degradació de l'aislament inclouen: la fuga de gas SF6; els materials d'aislament o de sellat polimèrics que tenen una certa permeabilitat a diferents gasos (com la vapor d'aigua), conduint a una condensació inacceptable a les parets interiors del recipient; el control del contingut d'humitat en el gas SF6; i les fractures en els components aïllants.
Per prevenir la degradació de l'aislament, s'han de prendre mesures corresponents, com ara: fabricar el recipient de gas de metall inoxidable utilitzant soldadura total, deixant cap apertura sellada; fer les cames de connexió del cable de resina epoxi i soldar-les integralment al recipient; augmentar el sellat del recipient de gas per minimitzar la permeabilitat de la vapor d'aigua; mesurar regularment el contingut d'humitat amb un analitzador d'humitat de SF6, col·locar una quantitat adequada de dessecant dins l'enclosura sellada, i assolir estrictament la coccció de tots els components segons la temperatura i el temps especificats; quan es vagi a evacuar i carregar el quadre de commutació de SF6, netejar les línies de carrega amb gas N2 o SF6 d'alta puretat; i minimitzar l'estrés mecànic intern en els components aïllants per prevenir l'envejeciment i les fractures. Aquestes mesures milloraran eficaçment la fiabilitat de l'aislament.
3. Conclusió
Encara que la estructura i el disseny d'aislament dels quadres de commutació d'alta tensió de 24kV es basin en els quadres de 12kV, els requisits són molt més elevats. A més, a causa de la insuficiència d'experiència pràctica, totes les factors influents han de ser considerats plenament en el procés de disseny per complir amb els estàndards del producte.
