Pesquisa sobre Equipamentos de Transmissão Isolados a Gás de Ultra-Alta Tensão

Para responder ativamente aos requisitos de desenvolvimento da indústria de energia, nossa empresa intensificou sua investigação sobre falhas na construção de redes em uma certa área e forneceu suporte de operação e manutenção para projetos de transmissão e transformação UHV DC em regiões de alta altitude, instalando e otimizando esquemas de design de equipamentos de transmissão UHV. A área total do local de construção é de 2.541,22 m², com uma área líquida de 2.539,22 m². As camadas geológicas no local de construção, listadas de cima para baixo, consistem em solo tipo loess, loess, paleossolo e argila silty—quatro camadas de solo de fundação. A geologia é complexa e foi submetida a efeitos de longo prazo de alta altitude, o que pode levar facilmente a falhas nas linhas de transmissão.

Nesse contexto, nossa empresa realizou cálculos de projeto e determinou que o coeficiente de edificação do projeto é de 61,48%, e a profundidade da tabela freática varia de 8,8 a 8,9 m, exibindo um certo grau de corrosividade para as estruturas de concreto no projeto. Nossa empresa se concentra principalmente em um projeto de transmissão e transformação de 110 kV, e a escala de construção é mostrada na Tabela 1.

Tabela 1: Escala de Construção do Projeto de Transmissão Isolada a Gás UHV

Além disso, nossa empresa também precisa fortalecer ainda mais a consideração da faixa de resistência à pressão do equipamento de transmissão isolado a gás UHV e aplicar de forma razoável postes isoladores e isoladores do tipo bacia para garantir a operação estável a longo prazo dos transformadores.

1. Desenvolvimento de um Modelo de Resistência de Contato
Como é propenso a ocorrer corrente de sobrecarga através dos condutores durante a operação deste projeto, é necessário evitar a formação de pontos de condução. Isso pode ser alcançado melhorando a compreensão da área do ponto e entendendo o comportamento de estrangulamento dos caminhos de corrente [1]. Assim, intensificando a observação no local para entender as mudanças nas linhas de corrente circundantes, a distribuição da superfície do solo, corrente de aterramento, fonte de energia e pontos sem fio remotos podem ser analisados em nível microscópico, permitindo uma compreensão completa dos problemas de irregularidades que ocorrem nas superfícies de contato, conforme mostrado na Figura 1.

Estabelecendo um modelo de contato, este artigo, em combinação com a aplicação de equipamentos de transmissão isolados a gás UHV, define a resistência de estrangulamento real de um único ponto de contato como:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
onde: Re representa a resistência de estrangulamento de um único ponto de contato; ρ₁ e ρ₂ são as resistividades dos materiais em contato; e α denota o raio do ponto de contato.

Assim, a magnitude da resistência de contato pode ser analisada com precisão através de um método de correção baseado no contorno dos dedos de contato do tipo tira. Além disso, examinando os parâmetros de material do equipamento de transmissão isolado na área de contato, torna-se possível determinar qual material deve ser usado para a conexão, conforme mostrado na Tabela 2.

A faixa de resistência à pressão do equipamento de transmissão com isolamento a gás UHV é de 1.000 kV, com uma tensão máxima de 1.683 kV, garantindo a segurança da transmissão de energia. Sua capacidade de transmissão pode chegar a 2,4 a 5 vezes a da transmissão EHV de 500 kV. Gás SF₆ puro é usado como meio de isolamento, com uma pressão de enchimento de 0,3–0,4 MPa. Com o GIL (Gas-Insulated Line) de segunda geração, uma mistura de 20% de SF₆ e 80% de N₂ em fração volumétrica é empregada como meio de isolamento, com uma pressão de enchimento de 0,7–0,8 MPa. Alternativamente, ar comprimido seco e limpo pode ser usado como meio, com uma pressão de enchimento de 1–1,5 MPa. Portanto, a escolha do gás isolante deve ser determinada de acordo com as condições no local para garantir a operação estável do equipamento de transmissão com isolamento a gás UHV no projeto. A pressão do gás de operação também pode ser aumentada adequadamente, e métodos de instalação aérea podem ser adotados para garantir que o equipamento seja adequado para o nível de tensão UHV atual.

As equipes também devem prestar atenção especial ao estado de conexão das juntas dos materiais principais no equipamento de transmissão com isolamento a gás UHV para aumentar sua capacidade de suportar carga. A razão de esbeltez dos membros estruturais principais também deve ser calculada:
λ₀ = kL₀ / r,
onde: λ₀ denota a razão de esbeltez do membro principal conectado; k é o coeficiente de correção; L₀ é o comprimento do membro principal do equipamento de transmissão com isolamento a gás UHV; e r é o raio de giro do membro principal.

2.Medidas de Aplicação para Equipamentos de Transmissão com Isolamento a Gás UHV

2.1 Verificação da Tensão na Ducto de Barras e no Condutores
Durante a aplicação do equipamento de transmissão com isolamento a gás UHV, a condição de tensão do ducto de barras tubulares também deve ser considerada. A pressão interna é de 0,6 MPa, e a elevação central do ducto de barras é de 7,7 m. No sistema de transmissão externo existente, a maior distância entre dois suportes é de 12 m. A força externa atuando no condutor também é de 0,6 MPa, e a tensão permitida para ambos os componentes é de 110 MPa. Além disso, o sistema de transmissão é fixado via isoladores de suporte trifásicos e condutores.

Primeiro, o diâmetro externo do ducto de barras é de 500 mm, e o diâmetro externo do condutor é de 160 mm. Se houver pressão interna, o diâmetro externo deve permanecer inalterado, e a espessura da parede deve ser aumentada adequadamente, de 5 mm para 20 mm. Com base na curva de variação da tensão primária, a tensão inicial do ducto de barras é encontrada em 18,45 MPa, representando 16,71% da tensão permitida do material; a tensão inicial do condutor é de 3,45 MPa, representando 3,71% de sua tensão permitida. Isso indica que, quando o diâmetro externo permanece constante, a espessura da parede afeta significativamente a resposta à pressão, especialmente influenciando a primeira tensão principal do tubo. A pressão interna altera os valores de tensão da estrutura do tubo - especialmente para tubos de parede fina - e os métodos de avaliação do GIL podem ser usados para determinar se a pressão afeta o ducto de barras e o condutor.

Segundo, os tubos sob pressão nos equipamentos de transmissão com isolamento a gás UHV, como tubulações sob pressão e risers de alta tensão, afetam o desempenho operacional. A análise de tensão das estruturas de tubos sob pressão de parede fina deve ser realizada usando a seguinte fórmula para calcular a tensão normal circunferencial σₜ na seção longitudinal do tubo:
σₜ = ρD / (2δ),
onde: ρ é a pressão interna do tubo; D é o diâmetro interno do tubo; e δ é a espessura da parede do tubo. À medida que o nível de tensão muda, são preferidos buchas de maior diâmetro para níveis de tensão mais altos, enquanto buchas de menor diâmetro são suficientes para níveis de tensão mais baixos.

2.2 Esclarecimento das Características de Contato Elétrico do Gás
Para os equipamentos de transmissão com isolamento a gás UHV, os gases primários utilizados incluem SF₆, misturas de nitrogênio-oxigênio e N₂. A pesquisa desses gases deve ser intensificada para entender suas diferenças nas características de contato elétrico. Para dedos de contato do tipo tira, o SF₆ pode ser usado como meio de isolamento para aproveitar plenamente suas excelentes propriedades de extinção de arco e isolamento. A resistência total de contato (Rₜ) é usada para descrever o comportamento elétrico das estruturas condutoras:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
onde: Rₚ é a resistência volumétrica; R꜀₁ é a resistência de contato do eletrodo superior; e R꜀₂ é a resistência de contato do eletrodo inferior. Assim, compreende-se que a resistência dielétrica do SF₆ depende da pressão do gás - quanto maior a pressão, maior a resistência dielétrica.

2.3 Otimização do Projeto de Lacuna de Campo Elétrico
Neste projeto, o campo elétrico interno é ligeiramente não uniforme, com um coeficiente de não uniformidade de aproximadamente 1,7. Se existirem condições de tensão de impulso de raio na área, elas aumentarão a tensão nas linhas de transmissão, com um coeficiente de impulso de 1,25. Primeiro, com base nas condições de tensão de frequência de rede e de impulso de raio na região, o valor de pico deve ser confirmado dentro da faixa de 1,6–1,7 para garantir a operação sem problemas do equipamento de transmissão com isolamento a gás UHV.

Compreendendo a estrutura cilíndrica coaxial, a intensidade do campo elétrico E(x) na região pode ser calculada para identificar cenários que requerem otimização:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
onde: x é a distância entre o condutor e a proteção; U é a tensão aplicada ao eletrodo; R é o raio interno da proteção; e r é o raio externo do condutor central. Isso permite avaliar se a superfície do condutor central pode ser danificada sob a máxima intensidade do campo. A segurança do campo elétrico deve ser controlada, e o desempenho mecânico aprimorado.

Durante a configuração da infraestrutura de campo elétrico, a capacidade de suportar carga real do equipamento de transmissão com isolamento a gás UHV deve ser verificada no nível da fundação, e os cálculos de tensão completados:
P = A × F,
onde: P é a capacidade de suportar carga do equipamento; A é a área da seção transversal da torre de transmissão; e F é a resistência do material. Além disso, se a fundação for composta por argila silosa, o subleito deve ser compactado antes da instalação da linha aérea.

Por meio de um design otimizado, considerando a estrutura do produto e as capacidades de fabricação, pode-se garantir alto desempenho de isolamento sob condições de impulso de raio. Segundo, se o compartimento de gás for longo, a instalação do equipamento de transmissão com isolamento a gás UHV torna-se desafiadora. Nesses casos, a pressão de operação do gás local pode ser definida em 0,4–0,5 MPa através do design de campo, permitindo que as partículas condutoras operem normalmente sob a influência do campo elétrico, sem induzir descarga parcial ou ruptura da lacuna de gás.

Finalmente, com base nas condições específicas do equipamento de ultra-alta tensão (UAT) isolado a gás, o diâmetro externo da barra condutora deve ser projetado como 130 mm, e o diâmetro interno da carcaça como 480 mm. Atenção também deve ser dada à seção de encaixe: a espessura da parede deve ser definida entre 30–40 mm, e a folga deve ser <1 mm. Se o raio de chanfro externo da área de encaixe for definido como 5 mm, a variação na intensidade do campo elétrico pode ser melhor compreendida—maior intensidade do campo próximo ao chanfro corresponde a um raio maior, enquanto menor intensidade do campo corresponde a um raio menor. Sob a premissa de controlar a concentração local do campo elétrico, a intensidade excessiva do campo no vão deve ser evitada, permitindo um design preliminar de conexão elétrica para o equipamento UAT isolado a gás e atendendo aos requisitos de distribuição do sinal do campo elétrico.

2.4 Design Racional do Isolador
Como os isoladores em equipamentos UAT isolados a gás operam ao longo do solo, sua tensão de flashover é inferior à tensão de ruptura do vão, tornando-os um ponto fraco na isolação elétrica. Portanto, as considerações sobre o vão devem ser reforçadas, e a intensidade do campo sob condições de impulso de relâmpago deve ser compreendida para projetar adequadamente os componentes isolantes.

2.4.1 Controle Aperfeiçoado da Intensidade do Campo Elétrico do Isolador
Com base nas condições de construção do projeto, nossa empresa estudou os fenômenos de flashover ao longo das superfícies dos isoladores, incluindo os efeitos do material do isolador, estrutura e carga superficial. Também deve-se evitar a contaminação por partículas metálicas. Uma estrutura racional para o equipamento UAT isolado a gás é garantida pela combinação de gás SF₆, materiais isolantes e componentes embutidos. Com base na experiência passada no design de isoladores, a intensidade do campo durante a operação pode ser limitada a metade da do campo elétrico normal do vão. Para equipamentos isolados apenas com SF₆, a pressão de trabalho do gás pode ser mantida entre 0,4–0,5 MPa.

A intensidade do campo elétrico vertical (Eₛ) pode ser calculada usando:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
onde p é a pressão do gás. Assim, dependendo da tensão suportada pelo equipamento, a intensidade do campo de design na superfície do condutor central pode ser controlada dentro de 19,9–24,5 kV/mm, enquanto a intensidade do campo na superfície do isolador não deve exceder 10 kV/mm. Garantir que os isoladores estejam internamente embutidos no campo elétrico previne aumentos abruptos do campo sob a influência da UAT, reduzindo o risco de falha na isolação e permitindo a aplicação a longo prazo de equipamentos de transmissão UAT isolados a gás no projeto.

2.4.2 Design Otimizado de Isolador Tipo Bacia
Dada a topografia complexa do projeto e a necessidade de simulação do campo elétrico, o design do isolador tipo bacia deve ser aprimorado—especificamente omitindo os eletrodos de blindagem. Essa estrutura permite observar a intensidade do campo elétrico próximo ao lado do condutor de alta tensão do isolador. Se a intensidade do campo for alta, o valor máximo na superfície convexa é encontrado como 12,7 kV/mm e 13 kV/mm na superfície côncava; ultrapassar esses limiares indica operação anormal. Quando a intensidade do campo elétrico próximo ao isolador é alta, a tensão de operação de frequência de rede máxima deve ser mantida abaixo de 3,4 kV/mm. A instalação de eletrodos de blindagem em isoladores tipo bacia otimiza ainda mais e simula o campo elétrico.

Seguindo os métodos de conexão elétrica anteriores, o tamanho do eletrodo de blindagem deve ser cuidadosamente controlado, e o conector de encaixe elétrico deve ser posicionado no chanfro do isolador tipo bacia para enfatizar seu efeito de blindagem, melhorando assim a distribuição do campo elétrico do equipamento de transmissão UAT isolado a gás.

3. Conclusão
Para atender aos requisitos de desenvolvimento abrangente das empresas de energia, nossa empresa deve fortalecer ainda mais a pesquisa sobre o equipamento de transmissão UAT isolado a gás. Com base nas condições de operação específicas, os problemas devem ser analisados e abordados através de métodos como estabelecer um modelo de resistência de contato, verificar a tensão do barramento e do condutor, esclarecer as características de contato elétrico do gás, otimizar o design do vão do campo elétrico e projetar isoladores de forma racional—assim, prolongando a vida útil do equipamento.