Projetando Equipamentos de Isolamento a Ar e Gás Confiáveis de 24kV
Atualmente, as redes de distribuição de média tensão na China operam predominantemente em 10kV. Com o rápido desenvolvimento econômico, as cargas de energia aumentaram, expondo cada vez mais as limitações dos métodos de fornecimento de energia existentes. Devido às notáveis vantagens do equipamento de comutação de alta tensão de 24kV em atender às demandas de maior capacidade de carga, ele ganhou discretamente tração dentro da indústria. Seguindo o "Aviso sobre a Promoção do Nível de Tensão de 20kV" da State Grid Corporation, a classe de tensão de 20kV viu uma rápida adoção.
Como um produto crítico para este nível de tensão, a estrutura e o design de isolamento do equipamento de comutação de alta tensão de 24kV se tornaram focos centrais na indústria. De acordo com o padrão da indústria elétrica "Requisitos Técnicos Comuns para Equipamentos de Comutação e Controle de Alta Tensão" (DL/T 593-2006), os requisitos específicos de isolamento para equipamentos de comutação são claramente definidos. Os requisitos de isolamento para produtos de 24kV são os seguintes:
Espaçamento aéreo mínimo (entre fases, entre fase e terra): 180mm; tensão de resistência de frequência industrial (entre fases, entre fase e terra): 50/65 kV/min, (através de juntas de isolamento): 64/79 kV/min; tensão de resistência de impulso atmosférico (entre fases, entre fase e terra): 95/125 kV/min, (através de juntas de isolamento): 115/145 kV/min.
Nota: Os dados à esquerda da barra aplicam-se a sistemas com neutro solidamente aterrado, enquanto os dados à direita aplicam-se a sistemas com neutro aterrado através de um transformador de supressão de arco ou não aterrado.
O equipamento de comutação de alta tensão de 24kV pode ser categorizado por método de isolamento em equipamento de comutação metálico fechado isolado a ar e unidades principais aneladas isoladas a gás SF6. O equipamento de comutação metálico fechado isolado a ar de 24kV, particularmente o tipo retrátil montado no meio (doravante referido como o equipamento de comutação de 24kV montado no meio), tornou-se um foco central de design. Este artigo discute várias recomendações relacionadas ao design estrutural e de isolamento do equipamento de comutação de 24kV montado no meio e das unidades principais aneladas isoladas a gás SF6, oferecidas para referência e comentário.
1. Design do Equipamento de Comutação de 24kV Montado no Meio
A tecnologia para o equipamento de comutação de 24kV montado no meio vem principalmente de três fontes: Primeiro, uma atualização do produto KYN28-12 de 12kV, substituindo diretamente os componentes relacionados ao isolamento. Segundo, produtos estrangeiros montados no meio entrando no mercado doméstico, como aqueles da ABB e Eaton Senyuan. Terceiro, o equipamento de comutação de 24kV montado no meio desenvolvido independentemente na China. A terceira categoria, projetada especificamente para as condições técnicas e requisitos existentes na China, é a mais competitiva no mercado. Portanto, durante seu design, a estrutura geral do produto e o design de isolamento devem ser plenamente considerados, conforme detalhado abaixo:
1.1 Estrutura de Gabinete de Altura Igual e Arranjo de Barras de Distribuição Triangular
A maioria dos equipamentos de comutação de 12kV montados no meio usa uma estrutura mais alta na frente e mais baixa atrás, com as barras de distribuição trifásicas dispostas em uma configuração triangular (delta) e o compartimento de instrumentos como uma estrutura removível e independente. Se este método for usado para o equipamento de comutação de 24kV montado no meio, claramente não atenderá ao requisito de espaçamento aéreo mínimo de 180mm. Portanto, o equipamento de comutação de 24kV montado no meio deve adotar um design de gabinete de altura igual, com o compartimento de instrumentos integrado ao gabinete principal.
A altura do gabinete deve ser apropriadamente aumentada para 2400mm, fornecendo mais espaço para os compartimentos de barras de distribuição e disjuntores. As mangas de parede das barras de distribuição devem ser dispostas em uma configuração triangular. Esta abordagem não apenas atende aos requisitos de espaçamento aéreo, mas também suprime efetivamente e resiste às forças eletromagnéticas, melhora a dissipação de calor das barras de distribuição e aumenta a confiabilidade do isolamento.
1.2 Design Racional da Largura do Equipamento de Comutação
Do ponto de vista da confiabilidade do isolamento, o isolamento a ar é o método mais confiável; desde que o espaçamento de isolamento mínimo seja garantido, o isolamento pode ser totalmente assegurado. Considerando um design totalmente isolado a ar, a largura teórica de um equipamento de comutação de 24kV deve ser 1020mm. No entanto, na produção real, a maioria dos fabricantes escolhe uma largura de gabinete de 1000mm, o que necessita o uso de isolamento composto. Geralmente, tubos termocontraídos são aplicados às barras de distribuição, e barreiras isolantes de SMC (Sheet Molding Compound) são instaladas entre fases e entre fase e terra para melhorar o isolamento.
1.3 Design para Distribuição Uniforme do Campo Elétrico
Testes comprovam que quanto mais alto o nível de tensão, mais alta a intensidade do campo elétrico local durante os testes de tensão de resistência de frequência industrial, às vezes acompanhada de sons audíveis de descarga corona. De acordo com as regulamentações, desde que não ocorra descarga disruptiva, o teste é considerado aprovado. No entanto, a alta intensidade do campo elétrico local pode afetar a capacidade do produto de suportar sobretensões durante a operação normal.
Portanto, o design do produto deve priorizar a obtenção de uma distribuição do campo elétrico o mais uniforme possível, evitando concentrações locais do campo. A partir da experiência prática, moldar condutores para obter um campo uniforme é eficaz. Para as extremidades cortadas das barras de distribuição, use uma fresa formadora para usinar as extremidades em cantos arredondados. Para as extremidades das barras de distribuição dentro da caixa de contato, primeiro forme-as em uma forma semicircular, depois usine-as em cantos arredondados. Quando as condições permitirem, instale uma cobertura de blindagem metálica fora dos contatos em forma de flor de cerejeira do disjuntor, ou incruste uma malha de blindagem metálica durante a fundição da caixa de contato. Essas medidas podem uniformizar efetivamente a distribuição do campo elétrico, suprimir picos de campo e melhorar ainda mais os níveis de isolamento.
1.4 Uso de Materiais Isolantes com Longo Caminho de Vazamento
Materiais isolantes, como mangas de parede, caixas de contato e isoladores de suporte, devem ter saliências ampliadas e distância de vazamento suficiente para atender aos requisitos de isolamento de 24kV. Especialmente no design de caixas de contato, uma malha de blindagem metálica deve ser adicionada, e a cavidade interna deve usar uma estrutura em forma de língua para evitar os problemas inerentes às estruturas anulares, que não podem suprimir efetivamente a condensação e a acumulação de poluição durante a operação.
2. Design de Unidades Principais Aneladas de 24kV Isoladas a Gás SF6
As unidades principais aneladas de 24kV isoladas a gás SF6 estrangeiras começaram cedo; empresas como Siemens e ABB as introduziram no início dos anos 1980. Isso ocorre porque muitos países estrangeiros usam 24kV como a tensão de distribuição de média tensão primária. Seus produtos são tecnologicamente avançados, de alto desempenho e altamente confiáveis. As unidades principais aneladas de 24kV isoladas a gás SF6 domésticas só se desenvolveram nos últimos anos. Limitadas por várias condições, os produtos ainda estão nas fases de pesquisa, desenvolvimento e teste.
Devido à natureza avançada da tecnologia das unidades principais aneladas de 24kV isoladas a gás SF6, sua estrutura e design de isolamento devem se basear na experiência madura estrangeira. As seguintes são algumas recomendações sobre o design estrutural e de isolamento do produto:
2.1 Foco na Racionalidade Estrutural
Como todas as partes vivas e interruptores das unidades principais aneladas de 24kV isoladas a gás SF6 estão seladas em uma carcaça de aço inoxidável preenchida com gás SF6, elas são compactas. No design estrutural, a força de isolamento e a umidade do gás isolante devem ser plenamente consideradas para projetar racionalmente as dimensões do gabinete. A unidade deve ter funcionalidade completa, ser fácil de operar e ter uma estrutura simples.
2.2 Expansibilidade de Configurações
O design de configuração deve ter expansibilidade. Em certo grau, a qualidade de um produto e seu potencial para adoção generalizada dependem de sua flexibilidade de configuração. Um design padronizado e modular permite expansão flexível para a esquerda e para a direita.
2.3 Confiabilidade do Design de Isolamento
O risco principal para as unidades principais aneladas de 24kV isoladas a gás SF6 é a degradação do desempenho de isolamento. Fatores causando a degradação do isolamento incluem: vazamento de gás SF6; materiais de isolamento ou vedação poliméricos com certa permeabilidade a diferentes gases (como vapor de água), levando a condensação inaceitável nas paredes internas do recipiente; controle do conteúdo de umidade no gás SF6; e fissuras em componentes isolantes.
Para prevenir a degradação do isolamento, medidas correspondentes devem ser tomadas, como: fabricar o recipiente de gás de aço inoxidável usando soldagem total, sem deixar aberturas vedadas; fazer as mangas de conexão de cabos de resina epóxi e soldá-las integralmente ao recipiente; melhorar o selo do recipiente de gás para minimizar a permeação de vapor de água; medir regularmente o conteúdo de umidade com um teste de umidade de SF6, colocar uma quantidade apropriada de dessecante no invólucro vedado e assar rigorosamente todos os componentes de acordo com a temperatura e o tempo especificados; quando evacuar e carregar o equipamento de comutação de SF6, limpar as linhas de carregamento com gás N2 ou SF6 de alta pureza; e minimizar o estresse mecânico interno nos componentes isolantes para prevenir envelhecimento e fissuras. Essas medidas melhorarão efetivamente a confiabilidade do isolamento.
3. Conclusão
Embora a estrutura e o design de isolamento do equipamento de comutação de alta tensão de 24kV se baseiem no equipamento de comutação de 12kV, os requisitos são muito mais elevados. Além disso, devido à falta de experiência prática, todos os fatores influentes devem ser plenamente considerados durante o processo de design para atender aos padrões do produto.
