Investigación sobre equipos de transmisión aislados a gas de ultra-alta tensión

Con el fin de responder activamente a los requisitos de desarrollo de la industria eléctrica, nuestra empresa ha intensificado su investigación sobre las fallas en la construcción de redes en una determinada área y ha proporcionado soporte de operación y mantenimiento para proyectos de transmisión y transformación de corriente continua de UHV en regiones de alta altitud mediante la instalación y optimización de esquemas de diseño de equipos de transmisión de UHV. El área total del terreno de construcción es de 2,541.22 m², con un área neta de terreno de 2,539.22 m². Los estratos geológicos en el sitio de construcción, listados de arriba hacia abajo, consisten en suelo tipo loess, loess, paleosuelo y arcilla limosa—cuatro capas de suelo de fundación. La geología es compleja y ha estado sometida a efectos de alta altitud a largo plazo, lo que puede llevar fácilmente a fallos en las líneas de transmisión.

En este contexto, nuestra empresa realizó cálculos de proyecto y determinó que el coeficiente de edificación del proyecto es del 61.48%, y la profundidad de la tabla freática varía entre 8.8 y 8.9 m, lo que muestra cierto grado de corrosividad para las estructuras de concreto en el proyecto. Nuestra empresa se enfoca principalmente en un proyecto de transmisión y transformación de 110 kV, y la escala de construcción se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1: Escala de Construcción del Proyecto de Transmisión Aislada por Gas de UHV

Además, nuestra empresa también necesita fortalecer la consideración del rango de resistencia a la presión del equipo de transmisión aislado a gas de ultra alta tensión (UHV) y aplicar razonablemente aisladores post y aisladores tipo cuenco para garantizar la operación estable a largo plazo de los transformadores.

1. Desarrollo de un Modelo de Resistencia de Contacto
Dado que es propenso a ocurrir una corriente de sobrecarga a través de los conductores portadores de corriente durante la operación de este proyecto, es necesario evitar la formación de puntos de contacto conductivos. Esto se puede lograr mejorando la comprensión del área de los puntos y comprendiendo el comportamiento de restricción de las vías de corriente [1]. Por lo tanto, al intensificar la observación en el sitio para entender los cambios en las líneas de corriente circundantes, se pueden analizar a nivel microscópico la distribución de la superficie del suelo, la corriente de tierra, la fuente de alimentación y los puntos inalámbricos remotos, permitiendo una comprensión exhaustiva de los problemas de irregularidad que ocurren en las superficies de contacto, como se muestra en la Figura 1.

Al establecer un modelo de contacto, este artículo, en combinación con la aplicación del equipo de transmisión aislado a gas de UHV, define la resistencia de restricción real de un solo punto de contacto como:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
donde: Re representa la resistencia de restricción de un solo punto de contacto; ρ₁ y ρ₂ son las resistividades de los materiales en contacto; y α denota el radio del punto de contacto.

Así, la magnitud de la resistencia de contacto se puede analizar con precisión mediante un método de corrección basado en el contorno de los dedos de contacto en banda. Además, al examinar los parámetros de material del equipo de transmisión aislada en el área de contacto, es posible determinar qué material debe usarse para la conexión, como se muestra en la Tabla 2.

El rango de resistencia a la presión del equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV es de 1,000 kV, con un voltaje máximo de resistencia de 1,683 kV, asegurando la seguridad de la transmisión de energía. Su capacidad de transmisión puede alcanzar 2.4 a 5 veces la de la transmisión EHV de 500 kV. Se utiliza gas puro SF₆ como medio aislante, con una presión de llenado de 0.3–0.4 MPa. Con el GIL (Línea Aislada por Gas) de segunda generación, se emplea una mezcla de 20% SF₆ y 80% N₂ en fracción volumétrica como medio aislante, con una presión de llenado de 0.7–0.8 MPa. Alternativamente, se puede usar aire comprimido seco y limpio como medio, con una presión de llenado de 1–1.5 MPa. Por lo tanto, la elección del gas aislante debe determinarse según las condiciones in situ para garantizar el funcionamiento estable del equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV en el proyecto. La presión operativa del gas también puede aumentarse apropiadamente, y se pueden adoptar métodos de instalación en altura para asegurar que el equipo sea adecuado para el nivel de voltaje UHV actual.

El personal también debe prestar mucha atención al estado de conexión de las juntas de los materiales principales en el equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV para mejorar su capacidad de soporte. También se debe calcular la relación de esbeltez de los miembros estructurales principales:
λ₀ = kL₀ / r,
donde: λ₀ denota la relación de esbeltez del miembro principal conectado; k es el coeficiente de corrección; L₀ es la longitud del miembro principal del equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV; y r es el radio de giro del miembro principal.

2.Medidas de Aplicación para el Equipo de Transmisión con Aislamiento Gaseoso UHV

2.1 Verificación de la Tensión del Conducto Madre y del Conductor
Durante la aplicación del equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV, también se debe considerar la condición de tensión del conducto madre tubular. La presión interna es de 0.6 MPa, y la elevación central del conducto madre es de 7.7 m. En el sistema de transmisión al aire libre existente, la máxima luz entre dos soportes es de 12 m. La fuerza externa que actúa sobre el conductor también es de 0.6 MPa, y la tensión admisible para ambos componentes es de 110 MPa. Además, el sistema de transmisión se fija mediante aisladores de soporte trifásicos y conductores.

Primero, el diámetro exterior del conducto madre es de 500 mm, y el diámetro exterior del conductor es de 160 mm. Si hay presión interna, el diámetro exterior debe permanecer inalterado, y el espesor de la pared debe aumentarse adecuadamente, de 5 mm a 20 mm. Basándose en la curva de variación de la tensión primaria, se encuentra que la tensión inicial del conducto madre es de 18.45 MPa, lo que representa el 16.71% de la tensión admisible del material; la tensión inicial del conductor es de 3.45 MPa, representando el 3.71% de su tensión admisible. Esto indica que, cuando el diámetro exterior permanece constante, el espesor de la pared afecta significativamente la respuesta a la presión, especialmente influyendo en la primera tensión principal del tubo. La presión interna altera los valores de tensión de la estructura del conducto, especialmente para tubos de pared delgada, y los métodos de evaluación de GIL se pueden utilizar para determinar si la presión afecta al conducto madre y al conductor.

Segundo, los conductos bajo presión en el equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV, como los conductos de presión y los salientes de alta tensión, afectan el rendimiento operativo. El análisis de tensión de las estructuras de conductos de pared delgada bajo presión debe realizarse utilizando la siguiente fórmula para calcular la tensión normal circunferencial σₜ en la sección longitudinal del tubo:
σₜ = ρD / (2δ),
donde: ρ es la presión interna del tubo; D es el diámetro interior del tubo; y δ es el espesor de la pared del tubo. A medida que cambia el nivel de voltaje, se prefieren los embocaduras de mayor diámetro para niveles de voltaje más altos, mientras que las embocaduras de menor diámetro son suficientes para niveles de voltaje más bajos.

2.2 Clarificación de las Características de Contacto Eléctrico del Gas
Para el equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV, los gases principales utilizados incluyen SF₆, mezclas de nitrógeno-oxígeno y N₂. Se debe intensificar la investigación en estos gases para comprender sus diferencias en las características de contacto eléctrico. Para los dedos de contacto tipo correa, se puede utilizar SF₆ como medio aislante para aprovechar plenamente sus excelentes propiedades de extinción de arcos y aislamiento. La resistencia total de contacto (Rₜ) se utiliza para describir el comportamiento eléctrico de las estructuras portadoras de corriente:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
donde: Rₚ es la resistencia en volumen; R꜀₁ es la resistencia de contacto del electrodo superior; y R꜀₂ es la resistencia de contacto del electrodo inferior. Así, se entiende que la resistencia dieléctrica del SF₆ depende de la presión del gas, siendo mayor la resistencia dieléctrica cuanto mayor sea la presión.

2.3 Optimización del Diseño del Espacio de Campo Eléctrico
En este proyecto, el campo eléctrico interno es ligeramente no uniforme, con un coeficiente de no uniformidad de aproximadamente 1.7. Si existen condiciones de resistencia a la tensión de impulso de rayo en la zona, aumentarán la tensión en las líneas de transmisión, con un coeficiente de impulso de 1.25. Primero, basándose en las condiciones de resistencia a la tensión de frecuencia de red e impulso de rayo en la región, se debe confirmar el valor pico dentro del rango de 1.6–1.7 para garantizar el funcionamiento sin problemas del equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV.

Entendiendo la estructura cilíndrica coaxial, se puede calcular la intensidad del campo eléctrico E(x) en la zona para identificar los escenarios que requieren optimización:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
donde: x es la distancia entre el conductor y el revestimiento; U es el voltaje aplicado al electrodo; R es el radio interior del revestimiento; y r es el radio exterior del conductor central. Esto permite evaluar si la superficie del conductor central podría dañarse bajo la máxima intensidad del campo. La seguridad del campo eléctrico debe controlarse, y se debe mejorar el rendimiento mecánico.

Durante la configuración de la infraestructura del campo eléctrico, se debe verificar la capacidad de carga real del equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV a nivel de cimentación, y completar los cálculos de tensión:
P = A × F,
donde: P es la capacidad de carga del equipo; A es el área de la sección transversal de la torre de transmisión; y F es la resistencia del material. Además, si la cimentación está compuesta de arcilla limosa, el subrasante debe compactarse antes de proceder con la instalación de la línea aérea.

A través de un diseño optimizado teniendo en cuenta la estructura del producto y las capacidades de fabricación, se puede garantizar un alto rendimiento de aislamiento bajo condiciones de impulso de rayo. Segundo, si el compartimento de gas es largo, la instalación del equipo de transmisión con aislamiento gaseoso UHV se vuelve desafiante. En tales casos, la presión operativa local del gas puede ajustarse a 0.4–0.5 MPa mediante el diseño del campo, permitiendo que las partículas conductoras operen normalmente bajo la influencia del campo eléctrico sin inducir descargas parciales o ruptura del espacio de gas.

Finalmente, basándose en las condiciones específicas del equipo de aislamiento a gas de UHV, el diámetro exterior del conductor debe diseñarse como 130 mm, y el diámetro interior de la carcasa como 480 mm. También se debe prestar atención a la sección de conexión: el espesor de la pared debe establecerse entre 30-40 mm, y el juego debe ser <1 mm. Si el radio de chaflán externo de la zona de conexión se establece en 5 mm, se puede comprender mejor la variación de la intensidad del campo eléctrico—una mayor intensidad del campo cerca del chaflán corresponde a un radio mayor, mientras que una menor intensidad del campo corresponde a un radio menor. Bajo el supuesto de controlar la concentración local del campo eléctrico, se debe prevenir la excesiva intensidad del campo en el espacio, lo que permite un diseño preliminar de la conexión eléctrica para el equipo de aislamiento a gas de UHV y satisface los requisitos de distribución de la señal del campo eléctrico.

2.4 Diseño Racional del Aislador
Ya que los aisladores en el equipo de aislamiento a gas de UHV operan junto al suelo, su tensión de fuga es menor que la tensión de ruptura del espacio, convirtiéndolos en un punto débil en el aislamiento eléctrico. Por lo tanto, se deben reforzar las consideraciones del espacio y entender la intensidad del campo bajo condiciones de impulso de rayo para diseñar adecuadamente los componentes aislantes.

2.4.1 Control Mejorado de la Intensidad del Campo del Aislador
Basado en las condiciones de construcción del proyecto, nuestra empresa ha estudiado los fenómenos de fuga a lo largo de las superficies de los aisladores, incluyendo los efectos del material, la estructura y la carga superficial del aislador. También se debe evitar la contaminación por partículas metálicas. Se asegura una estructura racional para el equipo de aislamiento a gas de UHV combinando el gas SF₆, los materiales aislantes y los componentes empotrados. Basándonos en la experiencia previa de diseño de aisladores, la intensidad del campo durante la operación puede limitarse a la mitad de la del espacio de campo eléctrico normal de operación. Para equipos aislados puramente con SF₆, la presión de gas de operación puede mantenerse en 0.4–0.5 MPa.

La intensidad del campo eléctrico vertical (Eₛ) se puede calcular usando:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
donde p es la presión del gas. Así, dependiendo de la tensión soportada del equipo, la intensidad del campo de diseño en la superficie del conductor central puede controlarse dentro de 19.9–24.5 kV/mm, mientras que la intensidad del campo en la superficie del aislador no debe superar los 10 kV/mm. Asegurar que los aisladores estén incrustados internamente dentro del campo eléctrico evita aumentos bruscos del campo bajo la influencia de UHV, reduciendo el riesgo de fallo de aislamiento y permitiendo la aplicación a largo plazo de equipos de transmisión aislados a gas de UHV en el proyecto.

2.4.2 Diseño Optimizado de Aisladores Tipo Cuenco
Dadas las complejas condiciones del terreno del proyecto y la necesidad de simulación del campo eléctrico, el diseño de aisladores tipo cuenco debe mejorarse—específicamente omitiendo electrodos de pantalla. Esta estructura permite observar la intensidad del campo eléctrico cerca del lado del conductor de alta tensión del aislador. Si la intensidad del campo es alta, el valor máximo en la superficie convexa se encuentra en 12.7 kV/mm y 13 kV/mm en la superficie cóncava; superar estos umbrales indica una operación anormal. Cuando la intensidad del campo eléctrico cerca del aislador es alta, la tensión de operación de frecuencia de red máxima debe mantenerse por debajo de 3.4 kV/mm. La instalación de electrodos de pantalla en aisladores tipo cuenco optimiza y simula aún más el campo eléctrico.

Siguiendo los métodos de conexión eléctrica anteriores, el tamaño del electrodo de pantalla debe controlarse cuidadosamente, y el conector de conexión eléctrica debe colocarse en el chaflán del aislador tipo cuenco para enfatizar su efecto de pantalla, mejorando así la distribución del campo eléctrico del equipo de transmisión aislado a gas de UHV.

3. Conclusión
Para satisfacer los requisitos de desarrollo integral de las empresas de energía, nuestra empresa debe fortalecer aún más la investigación sobre el equipo de transmisión aislado a gas de UHV. Basándose en las condiciones de operación específicas, se deben analizar y abordar los problemas mediante métodos como la creación de un modelo de resistencia de contacto, la verificación del estrés del conducto de barras y el conductor, la clarificación de las características de contacto eléctrico del gas, la optimización del diseño del espacio del campo eléctrico y el diseño racional de los aisladores—extendiendo así la vida útil del equipo.