Aterrizaje de la barra para RMUs ecológicos de 24kV: Por qué y Cómo

La combinación de aislamiento sólido con aislamiento de aire seco es una dirección de desarrollo para las celdas de anillo de 24 kV. Al equilibrar el rendimiento del aislamiento y la compacidad, el uso de aislamiento auxiliar sólido permite pasar pruebas de aislamiento sin aumentar significativamente las dimensiones entre fases o entre fase y tierra. El encapsulado del polo puede abordar el aislamiento del interructor de vacío y sus conductores conectados.

Para la barra colectora de salida de 24 kV, manteniendo un espaciamiento de fases de 110 mm, la vulcanización de la superficie de la barra puede reducir la intensidad del campo eléctrico y el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico. La tabla 4 calcula el campo eléctrico bajo diferentes espaciamientos de fases y espesores de aislamiento de la barra. Se puede observar que al aumentar adecuadamente el espaciamiento de fases a 130 mm y aplicar un tratamiento de vulcanización de epoxi de 5 mm a la barra redonda, la intensidad del campo eléctrico alcanza 2298 kV/m, lo cual aún tiene un margen en comparación con la máxima intensidad del campo eléctrico de 3000 kV/m que el aire seco puede soportar.

Tabla 1 Condiciones del campo eléctrico bajo diferentes espaciamientos de fases y espesores de aislamiento de la barra

Debido a la baja resistencia dieléctrica del aire seco, el aislamiento sólido no puede resolver el problema de soportar el voltaje en la interrupción de aislamiento. Un interruptor desconectador de doble interrupción utiliza dos espacios de gas en serie para dividir eficazmente el voltaje. Se diseñan escudos de campo eléctrico y anillos de gradiente en lugares con campos eléctricos concentrados, como los contactos fijos del interruptor y el interruptor de tierra, para reducir la intensidad del campo eléctrico y minimizar eficazmente el tamaño del espacio aéreo. Como se muestra en la Figura 1, el mecanismo de doble interrupción logra estados operativos—trabajo, aislado y conectado a tierra—mediante la rotación mejorada de un eje principal de nailon. El anillo de gradiente en el contacto fijo tiene un diámetro de 60 mm y se trata con vulcanización de epoxi; un claro de 100 mm puede soportar un voltaje de impulso de rayo de 150 kV.

Otras soluciones, como el arreglo longitudinal de fase única utilizando envolventes de aleación de alta resistencia para cada fase o el aumento moderado de la presión de gas, también pueden cumplir con los requisitos dieléctricos de 24 kV. Sin embargo, las celdas de anillo (RMUs) requieren un bajo costo, y los costos excesivamente altos son inaceptables para los usuarios. A través de un diseño optimizado y un ensanchamiento moderado del gabinete RMU, es posible lograr RMUs de 24 kV con aislamiento de gas ecológico, de bajo costo y compactos.

Disposición del Interruptor de Tierra en RMUs de Gas Ecológico

Hay dos métodos en RMUs para lograr la función de puesta a tierra en el circuito principal:

• Interruptor de tierra lateral de línea (interruptor de tierra inferior)

• Interruptor de tierra lateral de barra (interruptor de tierra superior)

El interruptor de tierra lateral de barra puede seleccionarse como Clase E0, lo que requiere coordinación con el interruptor principal durante la operación. Según el Esquema de Diseño Estándar para Celdas de Anillo de 12 kV (Cajas) emitido por State Grid en 2022, en cuanto a los interruptores de tres posiciones, el esquema especifica que los interruptores de tres posiciones deben adoptar un arreglo lateral de barra y redefinirlos como "interruptores de tierra combinados funcionales laterales de barra."

Las regulaciones de seguridad eléctrica establecen que no debe haber ningún interruptor o fusible conectado entre los cables de tierra, los interruptores de tierra y el equipo en mantenimiento. Si, debido a limitaciones de equipo, existe un interruptor entre el interruptor de tierra y el equipo en mantenimiento, se deben tomar medidas para asegurar que el interruptor no pueda abrirse después de que tanto el interruptor de tierra como el interruptor estén cerrados.

Por lo tanto, el interruptor de tierra lateral de línea está ubicado aguas abajo del interruptor. Se conecta directamente al cable de salida que se pone a tierra, satisfaciendo el requisito de que no exista ningún interruptor o fusible entre el punto de puesta a tierra, el interruptor de tierra y el equipo en mantenimiento. En contraste, el interruptor de tierra lateral de barra está ubicado aguas arriba del interruptor. Existe un interruptor de vacío entre el interruptor de tierra y el cable de salida que se pone a tierra—no se conecta directamente. Dado que hay un interruptor entre el interruptor de tierra y el equipo en mantenimiento, se deben implementar medidas para evitar que el interruptor se abra una vez que tanto el interruptor de tierra como el interruptor estén cerrados. Por ejemplo, se puede desconectar el circuito de disparo del interruptor mediante una placa de conexión, o se pueden usar medios mecánicos para prevenir la apertura accidental, evitando así la desconexión no intencionada de la ruta de puesta a tierra.

El Esquema de Diseño Estándar de State Grid también especifica los requisitos de interbloqueo para el interruptor de tierra combinado funcional lateral de barra. Cuando el interruptor de tierra combinado funcional lateral de barra usa el cierre del interruptor para lograr la puesta a tierra del lado del cable, debe incluir tanto interbloqueos mecánicos como eléctricos para evitar la apertura manual o eléctrica del interruptor.

State Grid adopta el interruptor de aislamiento/poner a tierra de tres posiciones lateral de barra principalmente considerando la capacidad de hacer cortocircuito (cerrar). En RMUs con aislamiento SF6, el interruptor de tierra se beneficia de que la resistencia dieléctrica del SF6 es aproximadamente tres veces la del aire y su capacidad de extinción de arcos es aproximadamente 100 veces mayor que la del aire debido a la mejor refrigeración del arco. Así, la capacidad de cierre del interruptor de tierra está garantizada de manera confiable.

En contraste, los gases ecológicos carecen de capacidad de extinción de arcos y tienen un rendimiento de aislamiento más bajo. Por lo tanto, se requiere una velocidad de cierre muy alta. Sin embargo, los mecanismos de operación de RMU tienen energía limitada y no pueden proporcionar suficiente fuerza para el cierre de alta velocidad. Usar un interruptor de tierra lateral de línea requeriría aumentar la velocidad de cierre y mejorar la resistencia al arco y el análisis electrodinámico de los contactos, lo que podría llevar a mayores fuerzas de operación y costos más altos. El interruptor de tierra lateral de barra, al resolver el problema de interbloqueo del interruptor, todavía puede garantizar una puesta a tierra confiable mientras ofrece una mayor capacidad de cierre.

A través del análisis técnico y de productos de SF6 versus gases ecológicos, se puede ver que las RMUs de 12 kV con aislamiento de gas ecológico pueden cumplir con los requisitos de aislamiento y elevación de temperatura con solo un ligero aumento en el tamaño, indicando soluciones técnicas maduras.

Sin embargo, hay pocos productos de 24 kV con aislamiento de gas ecológico disponibles. El desafío clave radica en la calificación de voltaje más alta, lo que lleva a un aumento significativo en las dimensiones. Un tamaño excesivo y un precio alto restringirán el desarrollo de RMUs de 24 kV con aislamiento de gas ecológico. Se necesita un enfoque equilibrado que considere el tipo de gas aislante, la presión de llenado, el volumen de la envolvente y el costo del aislamiento auxiliar para diseñar RMUs de bajo costo y compactos. Solo entonces se puede lograr una verdadera sustitución de SF6, permitiendo no solo la dominación del mercado doméstico, sino también la exportación global, promoviendo el equipo eléctrico de bajo carbono y ecológico de China en todo el mundo.