Deseño de equipamento aéreo e a gas insuflado fiable de 24kV

Actualmente, as redes de distribución de media tensión en China operan principalmente a 10kV. Con o rápido desenvolvemento económico, as cargas eléctricas aumentaron significativamente, exponendo cada vez máis as limitacións dos métodos existentes de fornecemento de enerxía. Debido ás destacadas vantaxes do conmutador de alta tensión de 24kV para satisfacer as demandas de maior capacidade de carga, este gañou tracción silenciosamente dentro da industria. Tras o "Aviso sobre a Promoción do Nivel de Tensión de 20kV" da State Grid Corporation, a adopción da clase de tensión de 20kV experimentou un rápido aumento.

Como produto crítico para este nivel de tensión, a estrutura e o deseño de aislamento do conmutador de alta tensión de 24kV converteronse en puntos focais na industria. Segundo a norma da industria eléctrica "Requisitos Técnicos Comúns para Equipos de Conmutación e Control de Alta Tensión" (DL/T 593-2006), están definidos claramente os requisitos específicos de aislamento para equipos de conmutación. Os requisitos de aislamento para produtos de 24kV son os seguintes:

Espazo aéreo mínimo (entre fases, entre fase e terra): 180mm; Tensión de resistencia a frecuencia industrial (entre fases, entre fase e terra): 50/65 kV/min, (entre articulacións de aislamento): 64/79 kV/min; Tensión de resistencia a impulsos atmosféricos (entre fases, entre fase e terra): 95/125 kV/min, (entre articulacións de aislamento): 115/145 kV/min.

Nota: Os datos á esquerda da barra aplican a sistemas de neutro sólidamente conectado, mentres que os datos á dereita aplican a sistemas con neutro conectado a través dunha bobina de supresión de arco ou non conectado.

Os conmutadores de alta tensión de 24kV poden categorizarse por método de aislamento en armarios metálicos aislados ao aire e unidades de anel principal aisladas a gas SF6. Os armarios metálicos aislados ao aire para 24kV, especialmente o tipo extraíble montado no medio (doravante referido como conmutador de 24kV montado no medio), converteuse nun foco de deseño clave. Este artigo discute varias recomendacións respecto ao deseño estructural e de aislamento do conmutador de 24kV montado no medio e as unidades de anel principal aisladas a gas SF6, ofrecidas para referencia e comentario.

1. Deseño do Conmutador de 24kV Montado no Medio

A tecnoloxía para o conmutador de 24kV montado no medio provén principalmente de tres orixes: Primeiro, unha actualización do produto KYN28-12 de 12kV substituíndo directamente os compoñentes relacionados co aislamento. Segundo, produtos extraxeiros montados no medio que entran no mercado doméstico, como os de ABB e Eaton Senyuan. Terceiro, conmutadores de 24kV montados no medio desenvolvidos independentemente en China. A terceira categoría, deseñada especificamente para as condicións técnicas e requerimentos existentes en China, é a máis competitiva no mercado. Polo tanto, durante o seu deseño, debe considerarse plenamente a estrutura global do produto e o deseño de aislamento, como se detalla a continuación:

1.1 Estructura de Armario de Altura Iguales e Disposición Triangular das Barras Colectoras

A maioría dos conmutadores de 12kV montados no medio utilizan unha estrutura máis alta na parte frontal e máis baixa na parte trasera, con as tres fases das barras colectoras dispostas nunha configuración triangular (delta) e o compartimento de instrumentos como unha estructura removible e independente. Se este método se utiliza para o conmutador de 24kV montado no medio, claramente non pode cumprir o requisito mínimo de espazo aéreo de 180mm. Polo tanto, o conmutador de 24kV montado no medio debe adoptar un deseño de armario de altura igual, con o compartimento de instrumentos integrado no armario principal.

A altura do armario debe aumentarse adecuadamente a 2400mm, proporcionando máis espazo para os compartimentos de barras colectoras e interruptores. As bushings da parede do armario deben disporse nunha configuración triangular. Este enfoque non só cumpre os requisitos de espazo aéreo, senón que tamén suprime eficazmente e resiste as forzas electromagnéticas, mellora a dissipación de calor das barras colectoras e aumenta a fiabilidade do aislamento.

1.2 Deseño Racional do Ancho do Conmutador

Dende o punto de vista da fiabilidade do aislamento, o aislamento ao aire é o método máis fiable; sempre que se garantiza o espazo aéreo mínimo, o aislamento está plenamente asegurado. Considerando un deseño totalmente aislado ao aire, o ancho teórico dun conmutador de 24kV debería ser 1020mm. No entanto, na produción real, a maioría dos fabricantes opta por un ancho de armario de 1000mm, lo que require o uso de aislamento composto. Xeralmente, aplícase tubo termorretráctil nas barras colectoras e instálanse barreiras aislantes SMC (Sheet Molding Compound) entre fases e entre fase e terra para mellorar o aislamento.

1.3 Deseño para Distribución Uniforme do Campo Eléctrico

As probas demostran que cuánto maior é o nivel de tensión, maior é a intensidade do campo eléctrico local durante as probas de resistencia a tensión a frecuencia industrial, a veces acompañada de sons notables de descargas coronal. Segundo a regulación, sempre que non ocorra descarga disruptiva, a proba considerase superada. No entanto, a alta intensidade do campo eléctrico local pode afectar a capacidade do produto para resistir sobretensións durante a operación normal. 

Polo tanto, o deseño do produto debe priorizar a consecución dunha distribución de campo eléctrico tan uniforme como sexa posible, evitando a concentración local do campo. A partir da experiencia práctica, dar forma aos conductores para lograr un campo uniforme é efectivo. Para os extremos cortados das barras colectoras, úsese un fresador de conformación para maquinar os extremos en cantos redondeados. Para os extremos das barras colectoras dentro do compartimento de contactos, primeiramente débense formar en forma semicircular, despois maquinar en cantos redondeados. Onde sexa posible, instálese unha cuberta de blindaxe metálica fóra dos contactos de plumas do interruptor, ou incruste unha malla de blindaxe metálica durante a fundición do compartimento de contactos. Estas medidas poden uniformar eficazmente a distribución do campo eléctrico, suprimir picos de campo e mellorar ademais os niveis de aislamento.

1.4 Uso de Materiais Aislantes con Longa Distancia de Crecida

Materiais aislantes como las bushings da parede, os compartimentos de contactos e os aisladores de soporte deben ter salientes ampliados e suficiente distancia de crecida para cumprir os requisitos de aislamento de 24kV. Especialmente no deseño dos compartimentos de contactos, debe engadirse unha malla de blindaxe metálica, e a cavidade interna debe usar unha estrutura en forma de lingua para evitar os problemas inerentes ás estruturas en anel, que non poden suprimir eficazmente a condensación e a acumulación de contaminación durante a operación.

2. Deseño das Unidades de Anel Principal de 24kV Aisladas a Gas SF6

As unidades de anel principal de 24kV aisladas a gas SF6 extraxeiros comezaron cedo; empresas como Siemens e ABB introduciuxo a principios dos anos 80. Isto é porque moitos países extraxeiros usan 24kV como a tensión de distribución de media tensión principal. Os seus produtos son tecnológicamente avanzados, de alto rendemento e altamente fiables. As unidades de anel principal de 24kV aisladas a gas SF6 domésticas só se desenvolveron nos últimos anos. Limitadas por diversas condicións, os produtos aínda están nas etapas de investigación, desenvolvemento e proba.

Debido á natureza avanzada da tecnoloxía das unidades de anel principal de 24kV aisladas a gas SF6, a súa estrutura e o seu deseño de aislamento deben basarse na experiencia madura extraxea. As seguintes son varias recomendacións sobre o deseño estructural e de aislamento do produto:

2.1 Enfoque na Razón Estrutural

Xa que todas as partes vivas e os interruptores nas unidades de anel principal de 24kV aisladas a gas SF6 están selados dentro dun encerramento de acero inoxidable cheo de gas SF6, son compactos. No deseño estrutural, debe considerarse plenamente a forza de aislamento e a humidade do gas aislante para deseñar racionalmente as dimensións do armario. A unidade debe ter funcionalidade completa, ser facil de operar e ter unha estrutura simple.

2.2 Expansibilidade das Configuracións

O deseño de configuración debe ter expansibilidade. Hasta certo punto, a calidade dun produto e o seu potencial para unha adopción xeral dependen da súa flexibilidade de configuración. Un deseño estandarizado e modular permite unha expansión flexible a esquerda e dereita.

2.3 Fiabilidade do Deseño de Aislamento

O principal risco para as unidades de anel principal de 24kV aisladas a gas SF6 é a degradación do aislamento. Os factores que causan a degradación do aislamento inclúen: fuga de gas SF6; materiais aislantes poliméricos ou de sellado que teñen certa permeabilidade a diferentes gases (como o vapor de auga), levando a una condensación inaceptable nas paredes internas do contedor; control do contido de humidade no gas SF6; e fisuras en compoñentes aislantes.

Para prevenir a degradación do aislamento, deben tomarse medidas correspondentes, como: fabricar o contedor de gas de acero inoxidable usando soldadura completa, deixando ningún orificio selado; facer as bushings de conexión de cable de resina epoxi e soldalas integralmente ao contedor; mellorar o sellado do contedor de gas para minimizar a permeación de vapor de auga; medir regularmente o contido de humidade cun tester de humidade SF6, colocar unha cantidade adecuada de dessecante no encerramento selado, e secar todos os compoñentes estritamente segundo a temperatura e tempo especificados; ao vaciar e cargar o equipo de conmutación SF6, limpar as liñas de carga con gas N2 ou SF6 de alta pureza; e minimizar o estrés mecánico interno en compoñentes aislantes para prevenir o envellecemento e as fisuras. Estas medidas mellorarán eficazmente a fiabilidade do aislamento.

3. Conclusión

Aínda que o deseño estructural e de aislamento dos conmutadores de alta tensión de 24kV basease nos conmutadores de 12kV, os requisitos son moito máis elevados. Ademais, debido á falta de experiencia práctica, todos os factores influyentes deben considerarse plenamente durante o proceso de deseño para cumprir as normas do produto.