Aplicació de les Unitats de Distribució Circular Intelligent amb Aïllament Sòlid (SIRMUs) a la Xarxa de Distribució de Qinzhou

1 Introducció​

Les regions costaneres es troben davant desafiaments ambientals com la pluja intensa, els llamps, les altes temperatures, l'humitat elevada i la corrosió per sal. Per assegurar la seguretat de les xarxes d'abastament urbà en aquestes condicions, minimitzar les interrupcions de corrent elèctric causades pel manteniment dels equips i prevenir accidents deguts a l'obsolescència dels equips i altres factors que afecten la seguretat de la xarxa, hem investigat l'ús d'un nou tipus d'Unitat de Distribució Circular (UDC) amb aïllament sòlid. Aquesta UDC ofereix una llarga durada, operació sense manteniment, conformitat ambiental, intel·ligència i millora de la fiabilitat de l'abastament d'energia.

Actualment, més del 90% de les Unitats de Distribució Circular (UDC) de mitja tensió depenen del gas SF₆ com a medi d'aïllament. El gas SF₆ és químicament molt estable, posseeix excel·lents propietats d'aïllament i d'extinció d'arc, i s'utilitza ampliament en equips elèctrics. Els quadres de distribució aïllats amb gas SF₆ són compactes. No obstant això, el gas SF₆ es liquifica a baixes temperatures, reduint les seves capacitats d'aïllament i d'extinció d'arc. A temperatures altes, es descompon en subproductes altament tòxics, suposant un risc significatiu per a les persones. A més, les fugues i emissió són inevitables durant l'ompliment, l'operació i la recuperació del gas, fent del SF₆ un gran contaminant ambiental. El SF₆ és reconegut internacionalment com un dels sis gasos d'efecte hivernacle principals; des d'una perspectiva ambiental, el seu ús s'hauria de minimitzar o eliminar. El principi de disseny de l'Unitat de Distribució Circular amb aïllament sòlid elimina fonamentalment la necessitat del gas SF₆, proporcionant una garantia bàsica per a la reducció d'emissions i la protecció ambiental en el sector de les xarxes de distribució, alineant-se fortement amb els requisits ambientals.

L'Unitat de Distribució Circular Intel·ligent amb aïllament sòlid (SIRMU) per a extensions de xarxa no només ofereix ecoeficiència i una resistència destacable a entorns adversos, sinó també un grau elevat d'intel·ligència. La seva funcionalitat engloba totes les característiques tradicionalment proporcionades tant pels equips primaris com secundaris del sistema elèctric en una sola unitat. El producte adopta un enfocament integrat i modular tant per als components d'alta tensió com de baixa tensió, oferint una excelente versatilitat i expansibilitat, representant un dispositiu elèctric realment intel·ligent.

​2 Aplicació Tècnica de les Unitats de Distribució Circular Intel·ligents amb Aïllament Sòlid (SIRMU)​​

​2.1 Aplicació de la Tecnologia d'Aïllament Sòlid​

La tecnologia d'aïllament sòlid implica principalment encapsular i sellar les parts vives del circuit principal dels quadres de mitja tensió amb materials sòlids, o transferir la alta intensitat del camp elèctric a l'interior del material aïllant sòlid. Això permet que el material sòlid suporti potencials més alts, reduint així la intensitat del camp en l'aire. Els materials aïllants sòlids més comuns són la resina epoxi i el cau de silici.

L'Unitat de Distribució Circular amb aïllament sòlid (SIRMU) utilitza el material aïllant sòlid com a medi d'aïllament principal. Components clau del circuit conductor, com els interruptors de vacuï, les seves connexions, els interruptors de desconexió, els interruptors de terra, les barres principals i les barres de branques, estan encapsulats individualment o col·lectivament en aïllament sòlid, formant un o diversos mòduls. Aquests mòduls estan totalment aïllats, totalment sellats, específics en funció i dissenyats per a la recombinació i expansió. Les superfícies accessibles per a humans estan revestides amb capes d'escudament conductores o semiconductores i estan connectades directament i de manera fiable a terra. Característiques clau inclouen aïllament total, sellat total, modularitat, compacitat i intel·ligència. Les SIRMU mostren un rendiment significativament superior en comparació amb les UDC de SF₆ en resistir entorns adversos com el fred extrem, l'alta muntanya, l'humitat i el vent fort/arenós. Amb un disseny completament sellat i impermeable sense conductors d'alta tensió exposats, són especialment adequades per a zones humides i propenes a inundacions, capaces de proporcionar un abastament d'energia fiable en condicions humides o submergides.

​2.2 Aplicació de la Tecnologia de Protecció Intel·ligent​

La integració de tecnologia de microprocessadors i ordinadors en equips elèctrics els dota de funcions intel·ligents, mentre habilita la comunicació bidireccional amb centres de control. Això forma un sistema de monitorització, protecció i gestió de xarxa intel·ligent. Mitjançant una configuració simple de paràmetres, un sol dispositiu intel·ligent pot executar convenientment les funcions que tradicionalment requerien diversos dispositius.

El disseny estructural de la SIRMU compleix amb els requisits de les xarxes intel·ligents modernes i resilients. Utilitza algoritmes ràpids per donar als interruptors de circuit una capacitat de trencament ràpid, permetent l'aïllament ràpid de línies defectuoses i prevenint eficacement el salt en cadena. Equipat amb un sistema de protecció contra falles a terra monofàsiques, permet la detecció en línia d'aquestes falles en sistemes sense terra (o amb terra de alta impedància/PET/PEN) sense necessitat de configuració addicional, proporcionant alarms o ordres de trencament segons els valors establerts. El circuit principal utilitza un disseny modular monofàsic, que evita completament les curto-circuits entre fases durant l'operació i augmenta significativament l'eficiència del manteniment mentre redueix els costos. Un sistema operatiu incrustat integral amb una arquitectura de CPU central, que inclou un processador ARM (ARMP) per al tractament general i el control del sistema, juntament amb un DSP potent per a la multitasca eficient, permet el tractament de dades de alta velocitat, el control i la comunicació. Les unitats són estructuralment compactes, petites, lleugeres i fàcils d'instal·lar. Les separacions d'aïllament es verifiquen visualment per a una operació segura. La identificació automàtica del mode d'abastament permet un canvi automàtic flexible per a doble font d'energia, millorant la fiabilitat de l'abastament. Ofereix suport de comunicació flexible (SMS GSM, GPRS, CDMA, serveis semafònics universals, fibra, parella torçada, inalambric, portadora), i suporta múltiples protocols de comunicació, facilitant la implementació de l'automatització de la distribució.

​2.3 Sense Manteniment i Ecofriendly​

L'interruptor principal utilitza un interruptor de circuit de vacuï sense manteniment conegut per la seva estabilitat i fiabilitat, sense necessitat de manteniment periòdic. El disseny integrat de l'interruptor de desconexió i l'interruptor de terra amb l'interruptor de circuit proporciona una estructura compacta amb interlocks mecànics i elèctrics fiables, prevenint eficacement la manipulació errònia.

​2.4 Processos Clau de Fabricació i Garantia de Qualitat per a SIRMUs​

Per assegurar la estabilitat, la consistència i la qualitat del producte, i així garantir la resistència a la tensió d'aïllament a llarg termini dels productes SIRMU, els pols aïllants sòlids utilitzen el procés d'Autopressurització i Gelificació Automàtica (APG) quan es fan de resina epoxi. Els requisits de fabricació per a les SIRMU superen els de les UDC aïllades amb gas SF₆. Un control insuficient del procés de fabricació augmenta significativament la probabilitat i la severitat de defects i falles d'aïllament ocults en comparació amb les unitats de SF₆. Un estrict control de la qualitat dels materials bruts i capacitats de procés avançades són essencials.

L'aïllament extern del seu interruptor de vacuï s'aconsegueix mitjançant diverses mitjans, incloent la resina epoxi, el cau de silici i l'aire. Per tant, la força d'aïllament dels materials individuals i el tractament de la interfície entre diferents mitjans aïllants són crucials. Tant la resina epoxi com el cau de silici oferixen una força dielèctrica excel·lent, assolint 5-6 vegades la de l'aire. Assolir aquesta força requereix un estrict control del procés de moldeig, temperatura i pressió òptimes, així com assegurar la degassificació i ventilació del material durant el moldeig per evitar microbubbles entrampades. No fer-ho no només redueix la força d'aïllament, sinó que també provoca una distribució irregular del camp elèctric, incrementant l'activitat de descàrrega parcial (PD) i posant en risc l'operació. El tractament de la interfície assegura una força suficient d'aïllament a la interfície sota tensions, cicles tèrmics, etc., prevenint falles d'aïllament. Són necessaris mètodes de detecció fiables per a la qualitat de la interfície. Actualment, les mesures de PD, la inspecció amb raigs X i els tests d'impuls de llamp poden avaluar amb precisió la força d'aïllament a la interfície.

Utilitzar la inspecció amb raigs X com a prova de fabrica prevé defets com bubbles, porositat o fissures en els conjunts d'aïllament sòlid i assegura que els interruptors de vacuï, les seves connexions/terminals i les barres aïllades sòlidament no presentin deformacions visibles anormalitats en les imatges de raigs X respecte a les seves posicions. Realitzar mesures de PD prevé la iniciació i extinció de PD en debilitaments o defets a l'aïllament de la SIRMU causats per camps elèctrics alts, evitant la degradació acumulativa que porta a la ruptura de l'aïllament amb el temps.

​3 Esquema de Disseny Tècnic per a la SIRMU Intel·ligent​

Basant-nos en una àmplia experiència en l'operació de xarxes de distribució i l'anàlisi d'equips avançats nacionals i internacionals, considerant les condicions pràctiques de l'operació de la xarxa i els requisits ambientals, hem determinat a través d'una comparació completa desenvolupar i aplicar el projecte "Recerca d'Aplicació de l'Unitat de Distribució Circular Intel·ligent de 10kV amb Aïllament Sòlid".

​3.1 Contingut Tècnic Principal​

S'instalen noves Unitats de Distribució Circular (UDC) del tipus AVR-12 amb aïllament sòlid al lloc original. Es fa servir una configuració de doble font d'energia, utilitzant les funcions intel·ligents de la UDC per a l'aïllament ràpid de línies defectuoses, la detecció ràpida de falles a terra monofàsiques, i la transmissió de totes les informacions dels commutadors via fibra òptica a la Estació Màster d'Automatització de Distribució (DMS) o via SMS als telèfons del personal de manteniment. Utilitzant la plataforma de monitorització de la estació màster, es poden realitzar estadístiques de dades i anàlisis de falles.

Aquest projecte es implementa en els següents aspectes:

• Basant-se en l'esquema original de UDC i considerant la importància de l'usuari, la energia es proveeix mitjançant doble entrada. En funcionament normal, l'Entrada #1 proporciona energia mentre que l'Entrada #2 està en espera calenta.
• L'equip principal és la UDC del tipus AVR-12, que consta de 7 cel·les: 6 cel·les d'interruptor de circuit (IC) i 1 cela de transformador de tensió (TT).
• Les 6 cel·les IC adopten una estructura IC + Interruptor de Desconnexió (ID) + Interruptor de Terra (IT), equipades amb dispositius de protecció integrats.
• La cela TT utilitza una estructura ID + TT monofàsic, proporcionant energia de comunicació. El TT es pot connectar/desconnectar utilitzant l'ID a la cela TT, permetent la manuten