Diseño de Equipos Aislados al Aire y con Gas Confiables de 24kV

Actualmente, las redes de distribución de media tensión en China operan principalmente a 10kV. Con el rápido desarrollo económico, la carga eléctrica ha aumentado, exponiendo cada vez más las limitaciones de los métodos de suministro de energía existentes. Debido a las notables ventajas del equipo de alta tensión de 24kV para satisfacer demandas de mayor capacidad de carga, ha ganado terreno silenciosamente en la industria. Tras el "Aviso sobre la Promoción del Nivel de Tensión de 20kV" emitido por la Corporación Estatal de la Red, la clase de tensión de 20kV ha experimentado un aumento rápido en su adopción.

Como un producto crítico para este nivel de tensión, la estructura y el diseño de aislamiento del equipo de alta tensión de 24kV se han convertido en puntos focales en la industria. Según la norma de la industria eléctrica "Requisitos Técnicos Comunes para Equipos de Alta Tensión y Equipos de Control" (DL/T 593-2006), se definen claramente los requisitos específicos de aislamiento para equipos de conmutación. Los requisitos de aislamiento para productos de 24kV son los siguientes:

Separación mínima de aire (entre fases, fase-tierra): 180mm; Voltaje de resistencia a frecuencia industrial (entre fases, fase-tierra): 50/65 kV/min, (en juntas de aislamiento): 64/79 kV/min; Voltaje de resistencia a impulso de rayo (entre fases, fase-tierra): 95/125 kV/min, (en juntas de aislamiento): 115/145 kV/min.

Nota: Los datos a la izquierda de la barra oblicua se aplican a sistemas con neutro sólidamente conectado a tierra, mientras que los datos a la derecha se aplican a sistemas con neutro conectado a tierra a través de un reactor de supresión de arco o sin conectar a tierra.

El equipo de alta tensión de 24kV puede clasificarse según el método de aislamiento en equipos metálicos cerrados aislados al aire y unidades de anillo aisladas con SF6. El equipo metálico cerrado aislado al aire de 24kV, especialmente el tipo extraíble de montaje medio (en adelante, denominado equipo de montaje medio de 24kV), se ha convertido en un enfoque de diseño clave. Este artículo discute varias recomendaciones sobre la estructura y el diseño de aislamiento del equipo de montaje medio de 24kV y las unidades de anillo aisladas con SF6, ofrecidas para referencia y comentarios.

1. Diseño del Equipo de Montaje Medio de 24kV

La tecnología para el equipo de montaje medio de 24kV proviene principalmente de tres fuentes: Primero, una actualización del producto KYN28-12 de 12kV, reemplazando directamente los componentes relacionados con el aislamiento. Segundo, productos de montaje medio extranjeros que ingresan al mercado doméstico, como los de ABB y Eaton Senyuan. Tercero, el equipo de montaje medio de 24kV desarrollado independientemente en China. La tercera categoría, diseñada específicamente para las condiciones técnicas y requisitos existentes en China, es la más competitiva en el mercado. Por lo tanto, durante su diseño, se debe considerar plenamente la estructura general del producto y el diseño de aislamiento, como se detalla a continuación:

1.1 Estructura de Gabinete de Igual Altura y Disposición de Barras de Triángulo

La mayoría de los equipos de montaje medio de 12kV utilizan una estructura más alta en la parte frontal y más baja en la trasera, con las barras trifásicas dispuestas en una configuración triangular (delta), y el compartimento de instrumentos como una estructura removible e independiente. Si se utiliza este método para el equipo de montaje medio de 24kV, claramente no cumplirá con el requisito mínimo de separación de aire de 180mm. Por lo tanto, el equipo de montaje medio de 24kV debe adoptar un diseño de gabinete de igual altura, con el compartimento de instrumentos integrado en el gabinete principal.

La altura del gabinete debe aumentarse adecuadamente a 2400mm, proporcionando más espacio para los compartimentos de barras y interruptores. Las bocas de pared de las barras deben dispuestas en una configuración triangular. Este enfoque no solo cumple con los requisitos de separación de aire, sino que también suprime y resiste eficazmente las fuerzas electromagnéticas, mejora la disipación de calor de las barras y aumenta la confiabilidad del aislamiento.

1.2 Diseño Racional del Ancho del Equipo de Conmutación

Desde la perspectiva de la confiabilidad del aislamiento, el aislamiento al aire es el método más confiable; siempre y cuando se garantice el mínimo clearance de aislamiento, se puede asegurar completamente el aislamiento. Considerando un diseño totalmente aislado al aire, el ancho teórico de un equipo de conmutación de 24kV debería ser de 1020mm. Sin embargo, en la producción real, la mayoría de los fabricantes eligen un ancho de gabinete de 1000mm, lo que requiere el uso de aislamiento compuesto. Generalmente, se aplica tubo termorretráctil a las barras y se instalan barreras aislantes de SMC (Sheet Molding Compound) entre fases y entre fase y tierra para mejorar el aislamiento.

1.3 Diseño para una Distribución Uniforme del Campo Eléctrico

Las pruebas demuestran que cuanto mayor es el nivel de tensión, mayor es la intensidad del campo eléctrico local durante las pruebas de resistencia a voltaje de frecuencia industrial, a veces acompañada de sonidos audibles de descarga corona. Según las regulaciones, siempre que no ocurra una descarga disruptiva, la prueba se considera aprobada. Sin embargo, una alta intensidad de campo eléctrico local puede afectar la capacidad del producto para soportar sobretensiones durante la operación normal. 

Por lo tanto, el diseño del producto debe priorizar lograr una distribución del campo eléctrico lo más uniforme posible, evitando la concentración de campo local. De la experiencia práctica, dar forma a los conductores para lograr un campo uniforme es efectivo. Para los extremos cortados de las barras, utilice un fresador formador para mecanizar los extremos en bordes redondeados. Para los extremos de las barras dentro de la caja de contacto, primero déles forma semicircular, luego mézclelos en un borde redondeado. Donde sea posible, instale una cubierta de blindaje metálica fuera de los contactos en flor de cerezo del interruptor, o incruste una malla de blindaje metálica durante el colado de la caja de contacto. Estas medidas pueden uniformar eficazmente la distribución del campo eléctrico, suprimir picos de campo y mejorar aún más los niveles de aislamiento.

1.4 Uso de Materiales Aislantes con Larga Distancia de Reptación

Los materiales aislantes como las bocas de pared, las cajas de contacto y los aisladores de soporte deben tener salientes ampliados y suficiente distancia de reptación para cumplir con los requisitos de aislamiento de 24kV. Especialmente en el diseño de las cajas de contacto, se debe agregar una malla de blindaje metálica, y la cavidad interna debe usar una estructura en lengua para evitar los problemas inherentes en las estructuras en anillo, que no pueden suprimir eficazmente la condensación y la acumulación de contaminación durante la operación.

2. Diseño de Unidades de Anillo Aisladas con SF6 de 24kV

Las unidades de anillo aisladas con SF6 de 24kV extranjeras comenzaron temprano; empresas como Siemens y ABB las introdujeron a principios de los años 80. Esto se debe a que muchos países extranjeros utilizan 24kV como el voltaje de distribución de media tensión principal. Sus productos son tecnológicamente avanzados, de alto rendimiento y altamente confiables. Las unidades de anillo aisladas con SF6 de 24kV nacionales solo se han desarrollado en los últimos años. Limitadas por diversas condiciones, los productos aún están en las etapas de investigación, desarrollo y pruebas.

Dado el carácter avanzado de la tecnología de las unidades de anillo aisladas con SF6 de 24kV, su estructura y diseño de aislamiento deben basarse en la experiencia madura extranjera. A continuación, se presentan varias recomendaciones sobre la estructura y el diseño de aislamiento del producto:

2.1 Enfocarse en la Racionalidad Estructural

Dado que todas las partes vivas y los interruptores en las unidades de anillo aisladas con SF6 de 24kV están sellados dentro de un recinto de acero inoxidable lleno de gas SF6, son compactas. En el diseño estructural, se debe considerar plenamente la resistencia aislante y la humedad del gas aislante para diseñar razonablemente las dimensiones del gabinete. La unidad debe tener funcionalidad completa, ser fácil de operar y tener una estructura simple.

2.2 Expandibilidad de Configuraciones

El diseño de configuración debe tener expandibilidad. En cierto grado, la calidad de un producto y su potencial para una adopción generalizada dependen de su flexibilidad de configuración. Un diseño estandarizado y modular permite una expansión flexible a la izquierda y a la derecha.

2.3 Confiabilidad del Diseño de Aislamiento

El riesgo principal para las unidades de anillo aisladas con SF6 de 24kV es la degradación del rendimiento del aislamiento. Los factores que causan la degradación del aislamiento incluyen: fugas de gas SF6; los materiales de aislamiento polimérico o de sellado tienen cierta permeabilidad a diferentes gases (como el vapor de agua), lo que lleva a una condensación inaceptable en las paredes internas del contenedor; control del contenido de humedad en el gas SF6; y grietas en los componentes aislantes.

Para prevenir la degradación del aislamiento, se deben tomar medidas correspondientes, como: fabricar el contenedor de gas de acero inoxidable utilizando soldadura completa, dejando sin aberturas selladas; fabricar las bocas de conexión de cables de resina epoxi y soldarlas integralmente al contenedor; mejorar el sello del contenedor de gas para minimizar la permeación de vapor de agua; medir regularmente el contenido de humedad con un tester de humedad de SF6, colocar una cantidad apropiada de desecante en el encierro sellado, y hornear estrictamente todos los componentes según la temperatura y el tiempo especificados; al evacuar y cargar los equipos de conmutación de SF6, limpiar las líneas de carga con gas N2 o SF6 de alta pureza; y minimizar el estrés mecánico interno en los componentes aislantes para prevenir el envejecimiento y las grietas. Estas medidas mejorarán eficazmente la confiabilidad del aislamiento.

3. Conclusión

Aunque la estructura y el diseño de aislamiento del equipo de alta tensión de 24kV se basan en el equipo de 12kV, los requisitos son mucho más altos. Además, debido a la insuficiente experiencia operativa práctica, todos los factores influyentes deben considerarse plenamente durante el proceso de diseño para cumplir con los estándares del producto.