Investigación sobre equipos de transmisión a ultra-alta tensión con aislamiento a gas

Para responder activamente aos requisitos de desenvolvemento da industria eléctrica, a nosa empresa intensificou a súa investigación sobre as fallos na construción da rede nunha determinada área e proporcionou soporte de operación e mantemento para proxectos de transmisión e transformación UHV DC en rexións de gran altitud, instalando e optimizando esquemas de deseño de equipos de transmisión UHV. A superficie total do terreo de construción é de 2.541,22 m², cunha superficie neta de 2.539,22 m². As capas xeolóxicas no terreo de construción, listadas dende arriba cara abaixo, consisten en solo tipo loess, loess, paleosolo e arcilla limosa—catro capas de solo de fundamento. A xeoloxía é complexa e está suxeita a efectos de gran altitud a longo prazo, o que pode levar facilmente a fallos nas liñas de transmisión.

Neste contexto, a nosa empresa realizou cálculos do proxecto e determinou que o coeficiente de edificación do proxecto é do 61,48%, e a profundidade da táboa freática varía entre 8,8 e 8,9 m, o que presenta un certo grao de corrosividade para as estruturas de betón no proxecto. A nosa empresa centra principalmente os seus esforzos nun proxecto de transmisión e transformación de 110 kV, e a escala de construción amósase na Táboa 1.

Táboa 1: Escala de Construción do Proxecto de Transmisión Isolada ao Gas UHV

Ademais, a nosa empresa tamén necesita fortalecer a consideración do rango de resistencia á presión dos equipos de transmisión aislados a gas UHV e aplicar de forma razonable aisladores post e aisladores tipo cuenco para asegurar a operación estable a longo prazo dos transformadores.

1. Desenvolvemento dun modelo de resistencia de contacto
xa que é propenso a ocorrer unha corrente de sobrecarga a través dos conductores portadores de corrente durante a operación deste proxecto, é necesario evitar a formación de puntos de conducción. Isto pode lograrse aumentando a comprensión da área do punto e asintiendo o comportamento de restrición das rutas de corrente [1]. Así, ao intensificar a observación no terreo para entender os cambios nas liñas de corrente circundantes, a distribución da superficie do terreo, a corrente de terra, a fonte de enerxía e os puntos inalámbricos remotos poden analizarse a nivel microscópico, permitindo unha comprensión exhaustiva dos problemas de irregularidade que ocorren nas superficies de contacto, como se mostra na Figura 1.

Ao estabelecer un modelo de contacto, este artigo, en combinación coa aplicación de equipos de transmisión aislados a gas UHV, define a resistencia de restrición real dun único punto de contacto como:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
onde: Re representa a resistencia de restrición dun único punto de contacto; ρ₁ e ρ₂ son as resistividades dos materiais en contacto; e α denota o raio do punto de contacto.

Así, a magnitude da resistencia de contacto pode analizarse con precisión mediante un método de corrección baseado no contorno dos dedos de contacto tipo tira. Ademais, examinando os parámetros de material do equipo de transmisión aislada na área de contacto, é posible determinar que material debe utilizarse para a conexión, como se mostra na Táboa 2.

O rango de resistencia á presión do equipo de transmisión aíslado a gas de UHV é de 1.000 kV, cunha tensión máxima de resistencia de 1.683 kV, garantindo a seguridade na transmisión de enerxía. A súa capacidade de transmisión pode chegar a 2,4 a 5 veces a da transmisión EHV de 500 kV. Emprega-se gas SF₆ puro como medio aislante, cunha presión de carga de 0,3–0,4 MPa. Co GIL (Gas-Insulated Line) de segunda xeración, empregase unha mezcla de 20% SF₆ e 80% N₂ en fracción volumétrica como medio aislante, cunha presión de carga de 0,7–0,8 MPa. Alternativamente, pódese empregar aire comprimido seco e limpo como medio, cunha presión de carga de 1–1,5 MPa. Polo tanto, a elección do gas aislante debe determinarse segundo as condicións no terreo para asegurar o funcionamento estable do equipo de transmisión aíslado a gas de UHV no proxecto. A presión de funcionamento do gas tamén pode aumentarse adecuadamente, e poden adoptarse métodos de instalación aérea para asegurar que o equipo sexa axeitado ao nivel actual de tensión UHV.

O persoal tamén debe prestar atención especial ao estado de conexión das articulacións dos materiais principais no equipo de transmisión aíslado a gas de UHV para mellorar a súa capacidade de soportar cargas. Tamén debe calcularse a relación esbeltez dos elementos estruturais principais:
λ₀ = kL₀ / r,
onde: λ₀ denota a relación esbeltez do elemento principal conectado; k é o coeficiente de corrección; L₀ é a lonxitude do elemento principal do equipo de transmisión aíslado a gas de UHV; e r é o raio de inercia do elemento principal.

2.Medidas de Aplicación para o Equipo de Transmisión aíslado a Gas de UHV

2.1 Verificación da Tensión da Ducto de Barras e do Conductor
Durante a aplicación do equipo de transmisión aíslado a gas de UHV, tamén debe considerarse a condición de tensión do ducto de barras tipo tubo. A presión interna é de 0,6 MPa, e a elevación central do ducto de barras é de 7,7 m. No sistema de transmisión exterior existente, a máxima luz entre dous apoios é de 12 m. A forza externa que actúa sobre o conductor tamén é de 0,6 MPa, e a tensión permisible para ambos os compoñentes é de 110 MPa. Ademais, o sistema de transmisión está fixado mediante aisladores de apoio trifásico e conductores.

Primeiro, o diámetro exterior do ducto de barras é de 500 mm, e o diámetro exterior do conductor é de 160 mm. Se hai presión interna, o diámetro exterior debe permanecer inalterado, e a espesor da parede debe aumentarse adecuadamente, de 5 mm a 20 mm. Basándose na curva de variación de espesor-tensión da tensión primaria, descubruse que a tensión inicial do ducto de barras é de 18,45 MPa, representando o 16,71% da tensión permisible do material; a tensión inicial do conductor é de 3,45 MPa, representando o 3,71% da súa tensión permisible. Isto indica que, cando o diámetro exterior permanece constante, a espesor da parede afecta significativamente a resposta á presión, especialmente influindo na primeira tensión principal do tubo. A presión interna altera os valores de tensión da estrutura da tubería, especialmente para tubos de parede fina, e os métodos de avaliación de GIL poden usarse para determinar se a presión afecta ao ducto de barras e ao conductor.

Segundo, as tuberías resistentes á presión no equipo de transmisión aíslado a gas de UHV, como as tuberías de presión e os risers de alta tensión, afectan o rendemento operativo. A análise de tensións nas estruturas de tuberías de parede fina resistentes á presión debe realizarse usando a seguinte fórmula para calcular a tensión normal circunferencial σₜ na sección longitudinal da tubería:
σₜ = ρD / (2δ),
onde: ρ é a presión interna da tubería; D é o diámetro interior da tubería; e δ é a espesor da parede da tubería. A medida que cambia o nivel de tensión, prefírense bujías de maior diámetro para niveis de tensión máis altos, mentres que bujías de menor diámetro son suficientes para niveis de tensión máis baixos.

2.2 Esclarecemento das Características de Contacto Eléctrico do Gas
Para o equipo de transmisión aíslado a gas de UHV, os gases principais utilizados inclúen SF₆, mezclas de nitróxeno e N₂. Debe intensificarse a investigación sobre estes gases para entender as súas diferenzas nas características de contacto eléctrico. Para dedos de contacto de tira, pode usarse SF₆ como medio aislante para aproveitar plenamente as súas excelentes propiedades de apagado de arcos e aislamento. A resistencia total de contacto (Rₜ) úsase para describir o comportamento eléctrico das estruturas portadoras de corrente:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
onde: Rₚ é a resistencia de volume; R꜀₁ é a resistencia de contacto do electrodo superior; e R꜀₂ é a resistencia de contacto do electrodo inferior. Así, enténdese que a resistencia dieléctrica de SF₆ depende da presión do gas, sendo maior a resistencia dieléctrica canto maior sexa a presión.

2.3 Optimización do Diseño da Fenda do Campo Eléctrico
Neste proxecto, o campo eléctrico interno é ligeramente non uniforme, cun coeficiente de non uniformidade de aproximadamente 1,7. Se existen condicións de resistencia a tensión de impulsos de tronada na área, aumentarán a tensión nas liñas de transmisión, cun coeficiente de impulso de 1,25. Primeiro, baseándose nas condicións de resistencia a tensión de frecuencia industrial e impulsos de tronada na rexión, debe confirmarse o valor máximo dentro do rango de 1,6–1,7 para asegurar o funcionamento sen problemas do equipo de transmisión aíslado a gas de UHV.

Comprendendo a estrutura cilíndrica coaxial, a intensidade do campo eléctrico E(x) na rexión pode calcularse para identificar escenarios que requiren optimización:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
onde: x é a distancia entre o conductor e o revestimento; U é a tensión aplicada ao electrodo; R é o raio interior do revestimento; e r é o raio exterior do conductor central. Isto permite avaliar se a superficie do conductor central podería danarse baixo a máxima intensidade de campo. A seguridade do campo eléctrico debe controlarse, e o rendemento mecánico mellorarse.

Durante a configuración da infraestrutura do campo eléctrico, debe verificarse a capacidade real de soportar cargas do equipo de transmisión aíslado a gas de UHV ao nivel da fundación, e completar os cálculos de tensión:
P = A × F,
onde: P é a capacidade de soportar cargas do equipo; A é a área da sección transversal da torre de transmisión; e F é a resistencia do material. Ademais, se a fundación está formada por arcilla silosa, o subgrade debe compactarse antes de proceder coa instalación da liña aérea.

A través dun deseño optimizado tendo en conta a estrutura do produto e as capacidades de fabricación, pódese asegurar un alto rendemento aíslante baixo condicións de impulsos de tronada. Segundo, se o compartimento de gas é longo, a instalación do equipo de transmisión aíslado a gas de UHV resulta desafiante. En tales casos, a presión de funcionamento do gas local pode establecerse en 0,4–0,5 MPa a través do deseño de campo, permitindo que as partículas conductoras funcionen normalmente baixo a influencia do campo eléctrico sen provocar descargas parciais ou ruptura da fenda de gas.

Finalmente, baseándose nas condicións específicas do equipo de aislamento a gas de UHV, o diámetro exterior da barra condutora debe deseñarse como 130 mm, e o diámetro interior da carcasa como 480 mm. Tamén se debe prestar atención á sección de conexión: o espesor da parede debe establecerse entre 30-40 mm, e a folgura debe ser <1 mm. Se o raio de biselado exterior da área de conexión está establecido en 5 mm, pode entenderse mellor a variación da intensidade do campo eléctrico—unha maior intensidade do campo próximo ao bisel corresponde a un raio maior, mentres que unha menor intensidade do campo corresponde a un raio menor. Baixo o prisma de controlar a concentración local do campo eléctrico, debe evitarse unha intensidade de campo excesiva na folgura, permitindo así un deseño preliminar de conexión eléctrica para o equipo de aislamento a gas de UHV e satisfacer os requisitos de distribución do sinal do campo eléctrico.

2.4 Deseño Racional do Aislante
Como os aislantes no equipo de aislamento a gas de UHV operan xunto ao terreo, a súa tensión de fuga é inferior á tensión de ruptura da folgura, facendo destes un punto débil no aislamento eléctrico. Polo tanto, deben reforzarse as consideracións sobre a folgura, e debe comprenderse a intensidade do campo baixo condicións de impulso de raio para poder deseñar correctamente os componentes aislantes.

2.4.1 Control Reforzado da Intensidade do Campo do Aislante
Baseándose nas condicións de construción do proxecto, a nosa compañía estudou os fenómenos de fuga ao longo das superficies dos aislantes, incluíndo os efectos do material, estrutura e carga superficial do aislante. Tamén debe evitarse a contaminación por partículas metálicas. Unha estrutura racional para o equipo de aislamento a gas de UHV asegúrase combinando o gas SF₆, materiais aislantes e componentes incorporados. Basándonos na experiencia pasada no deseño de aislantes, a intensidade do campo durante a operación pode limitarse a unha metade da do campo eléctrico normal de folgura. Para equipos aislados exclusivamente con SF₆, a presión de funcionamento do gas pode manterse entre 0,4-0,5 MPa.

A intensidade do campo eléctrico vertical (Eₛ) pode calcularse usando:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
onde p é a presión do gas. Así, dependendo da voltagem de resistencia do equipo, a intensidade de campo de deseño na superficie do condutor central pode controlarse dentro de 19,9-24,5 kV/mm, mentres que a intensidade de campo na superficie do aislante non debe superar os 10 kV/mm. Garantir que os aislantes están incorporados internamente no campo eléctrico prevén aumentos bruscos do campo baixo a influencia de UHV, reducindo o risco de fallo no aislamento e permitindo a aplicación a longo prazo do equipo de transmisión aislado a gas de UHV no proxecto.

2.4.2 Deseño Optimizado de Aislante Tipo Cubeta
Dada a complexidade do terreo do proxecto e a necesidade de simulación do campo eléctrico, debe melhorarse o deseño do aislante tipo cubeta—especificamente omitindo os electrodos de blindaxe. Esta estrutura permite observar a intensidade do campo eléctrico preto do lado do conductor de alta tensión do aislante. Se a intensidade do campo é alta, o valor máximo na superficie convexa atópase en 12,7 kV/mm e 13 kV/mm na superficie cóncava; superar estes umbrais indica un funcionamento anómalo. Cando a intensidade do campo eléctrico preto do aislante é alta, a máxima voltagen de funcionamento de corrente alternada debe manterse por debaixo dos 3,4 kV/mm. A instalación de electrodos de blindaxe nos aislantes tipo cubeta optimiza e simula adicionalmente o campo eléctrico.

Seguindo os métodos de conexión eléctrica anteriores, o tamaño do electrodo de blindaxe debe controlarse cuidadosamente, e o conector de conexión eléctrica debe situarse no bisel do aislante tipo cubeta para enfatizar o seu efecto de blindaxe, mellorando así a distribución do campo eléctrico do equipo de transmisión aislado a gas de UHV.

3. Conclusión
Para satisfacer os requisitos de desenvolvemento comprehensivo das empresas de enerxía, a nosa compañía debe fortalecer a investigación sobre o equipo de transmisión aislado a gas de UHV. Baseándose nas condicións de operación específicas, os problemas deben analizarse e abordarse mediante métodos como a creación dun modelo de resistencia de contacto, a verificación da tensión do bus duct e do condutor, a clarificación das características de contacto eléctrico do gas, a optimización do deseño da folgura do campo eléctrico e o deseño racional de aislantes—prolongando así a vida útil do equipo.