Collegamento a terra lato busbar per RMU ecologiche a 24kV: Perché e Come

L'isolamento solido combinato con l'isolamento ad aria secca è una direzione di sviluppo per le unità principali ad anello a 24 kV. Bilanciando le prestazioni di isolamento e la compattezza, l'uso dell'isolamento ausiliario solido permette di superare i test di isolamento senza aumentare significativamente le dimensioni tra fasi o tra fase e terra. L'incapsulamento del polo può risolvere l'isolamento dell'interruttore a vuoto e dei conduttori collegati.

Per la barra uscente a 24 kV, mantenendo lo spazio tra le fasi a 110 mm, la vulcanizzazione della superficie della barra può ridurre l'intensità del campo elettrico e il coefficiente di non uniformità del campo elettrico. La tabella 4 calcola il campo elettrico in funzione di diversi spazi tra le fasi e spessori di isolamento della barra. Si può osservare che, aumentando opportunamente lo spazio tra le fasi a 130 mm e applicando un trattamento di vulcanizzazione epoxidica di 5 mm alla barra rotonda, l'intensità del campo elettrico raggiunge 2298 kV/m, che mantiene ancora un certo margine rispetto all'intensità massima del campo elettrico di 3000 kV/m che l'aria secca può sopportare.

Tabella 1 Condizioni del campo elettrico con diversi spazi tra le fasi e spessori di isolamento della barra

A causa della bassa resistenza dielettrica dell'aria secca, l'isolamento solido non può risolvere il problema della resistenza ai colpi di tensione nel punto di interruzione. Un disconnettore a doppia interruzione utilizza due intervalli gassosi in serie per dividere efficacemente la tensione. Schermi elettrici e anelli di gradazione sono progettati in posizioni con campi elettrici concentrati, come i contatti fissi dell'interruttore e dello switch di messa a terra, per ridurre l'intensità del campo elettrico e minimizzare efficacemente la dimensione dell'intervallo d'aria. Come mostrato nella Figura 1, il meccanismo a doppia interruzione realizza stati operativi—lavoro, isolamento e messa a terra—attraverso una rotazione migliorata di un albero principale in nylon. L'anello di gradazione sul contatto fisso ha un diametro di 60 mm e viene trattato con vulcanizzazione epoxidica; uno spazio di 100 mm può sopportare un impulso di tensione da fulmine di 150 kV.

Altre soluzioni, come l'allestimento monofase longitudinale utilizzando involucri in lega ad alta resistenza per ogni fase o aumentando moderatamente la pressione del gas, possono anche soddisfare i requisiti dielettrici a 24 kV. Tuttavia, le unità principali ad anello (RMUs) richiedono un costo basso, e costi eccessivamente elevati sono inaccettabili per gli utenti. Attraverso un design ottimizzato e un allargamento moderato del pannello RMU, è possibile ottenere RMUs a 24 kV a gas isolante ecologico, a basso costo e compatti.

Disposizione dello switch di messa a terra nelle RMUs a gas ecologico

Ci sono due metodi nelle RMUs per ottenere la funzione di messa a terra nel circuito principale:

• Switch di messa a terra lato linea uscente (switch di messa a terra inferiore)

• Switch di messa a terra lato bus (switch di messa a terra superiore)

Lo switch di messa a terra lato bus può essere selezionato come Classe E0, che richiede coordinazione con l'interruttore principale durante l'operazione. Secondo lo Standardized Design Scheme for 12 kV Ring Main Units (Boxes) emesso dalla State Grid nel 2022, riguardo agli interruttori a tre posizioni, lo schema specifica che gli interruttori a tre posizioni dovrebbero adottare un allestimento lato bus e li ridefinisce come "interruttori multifunzionali di messa a terra lato bus."

Le normative di sicurezza elettrica stabiliscono che non deve esistere alcun interruttore o fusibile tra i cavi di messa a terra, gli switch di messa a terra e l'equipaggiamento in manutenzione. Se, a causa delle limitazioni dell'equipaggiamento, esiste un interruttore tra lo switch di messa a terra e l'equipaggiamento in manutenzione, devono essere prese misure per assicurare che l'interruttore non possa aprirsi dopo che sia lo switch di messa a terra che l'interruttore sono stati chiusi.

Pertanto, lo switch di messa a terra lato linea è posizionato a valle dell'interruttore. Si connette direttamente al cavo uscente messo a terra, soddisfacendo il requisito che non esista alcun interruttore o fusibile tra il punto di messa a terra, lo switch di messa a terra e l'equipaggiamento in manutenzione. In contrasto, lo switch di messa a terra lato bus è posizionato a monte dell'interruttore. C'è un interruttore a vuoto tra lo switch di messa a terra e il cavo uscente messo a terra—non si connette direttamente. Poiché c'è un interruttore tra lo switch di messa a terra e l'equipaggiamento in manutenzione, devono essere implementate misure per prevenire l'apertura dell'interruttore una volta che sia lo switch di messa a terra che l'interruttore siano stati chiusi. Ad esempio, il circuito di scatto dell'interruttore può essere disconnesso tramite una placca di collegamento, o si possono utilizzare mezzi meccanici per prevenire l'apertura accidentale, evitando così la disconnessione accidentale del percorso di messa a terra.

Lo Standardized Design Scheme della State Grid specifica anche i requisiti di interblocco per lo switch multifunzionale di messa a terra lato bus. Quando lo switch multifunzionale di messa a terra lato bus utilizza la chiusura dell'interruttore per ottenere la messa a terra del lato cavo, deve includere sia interblocchi meccanici che elettrici per prevenire l'apertura manuale o elettrica dell'interruttore.

La State Grid adotta lo switch di isolamento/terra a tre posizioni lato bus principalmente considerando la capacità di chiusura a cortocircuito. Nelle RMUs isolate con SF6, lo switch di messa a terra beneficia della resistenza dielettrica del SF6, che è circa tre volte quella dell'aria, e della sua capacità di spegnimento dell'arco, che è approssimativamente 100 volte superiore a quella dell'aria a causa del raffreddamento superiore dell'arco. Pertanto, la capacità di chiusura dello switch di messa a terra è garantita in modo affidabile.

In contrasto, i gas ecologici mancano di capacità di spegnimento dell'arco e hanno prestazioni di isolamento inferiori. Pertanto, è richiesta una velocità di chiusura molto elevata. Tuttavia, i meccanismi di operazione delle RMU hanno energia limitata e non possono fornire forza sufficiente per una chiusura ad alta velocità. Utilizzare uno switch di messa a terra lato linea richiederebbe un aumento della velocità di chiusura e un miglioramento della resistenza all'arco e dell'analisi elettrodinamica dei contatti, potenzialmente portando a forze operative maggiori e costi più elevati. Lo switch di messa a terra lato bus, risolvendo il problema di interblocco dell'interruttore, può ancora garantire una messa a terra affidabile offrendo una capacità di chiusura maggiore.

Attraverso l'analisi tecnica e produttiva del SF6 rispetto ai gas ecologici, si può vedere che le RMUs a 12 kV isolate con gas ecologico possono soddisfare i requisiti di isolamento e aumento di temperatura con solo un lieve aumento delle dimensioni, indicando soluzioni tecniche mature.

Tuttavia, ci sono pochi prodotti a 24 kV isolate con gas ecologico disponibili. La sfida principale sta nella classe di tensione più elevata, che porta a un aumento significativo delle dimensioni. Dimensioni eccessive e prezzi elevati limiteranno lo sviluppo delle RMUs a 24 kV isolate con gas ecologico. È necessario un approccio equilibrato che tenga conto del tipo di gas isolante, della pressione di riempimento, del volume dell'involucro e del costo dell'isolamento ausiliario per progettare RMUs a basso costo e compatte. Solo in questo modo si può realizzare una vera sostituzione del SF6, consentendo non solo la dominanza del mercato domestico ma anche l'esportazione globale, promuovendo l'equipaggiamento elettrico a basso carbonio ed ecologico cinese in tutto il mondo.