Applicazione di Unità a Anello Principalmente Isolate Intelligenti (SIRMU) nella rete di distribuzione di Qinzhou

1 Introduzione​

Le regioni costiere affrontano sfide ambientali come forti precipitazioni, fulmini, temperature elevate, alta umidità e alta corrosione da salsedine. Per garantire la sicurezza delle reti di distribuzione urbana in tali ambienti, minimizzare le interruzioni di corrente causate dalla manutenzione degli impianti e prevenire incidenti dovuti alla fine della vita utile dei dispositivi e altri fattori che influiscono sulla sicurezza della rete, abbiamo studiato l'uso di un nuovo tipo di Unità a Anello Principalmente Isolata Solidamente (SIRMU). Questa SIRMU offre una lunga durata, operazione senza manutenzione, conformità ambientale, intelligenza e miglioramento della affidabilità dell'erogazione di energia.

Attualmente, oltre il 90% delle Unità a Anello (RMUs) a media tensione si basa sul gas SF₆ come mezzo isolante. Il gas SF₆ è chimicamente molto stabile, possiede eccellenti proprietà isolanti e di spegnimento dell'arco e viene ampiamente utilizzato nei dispositivi elettrici. L'apparecchiatura isolata a gas SF₆ è compatta. Tuttavia, il gas SF₆ si liquefà a temperature basse, riducendo le sue capacità di isolamento e spegnimento dell'arco. A temperature elevate, si decompone in prodotti altamente tossici, rappresentando un rischio significativo per gli esseri umani. Inoltre, le perdite ed emissioni sono inevitabili durante il riempimento, l'operazione e il recupero del gas, rendendo il SF₆ un importante inquinante ambientale. Il SF₆ è riconosciuto a livello internazionale come uno dei sei principali gas serra; dal punto di vista ambientale, il suo utilizzo dovrebbe essere minimizzato o eliminato. Il principio di progettazione dell'Unità a Anello Principalmente Isolata Solidamente elimina fondamentalmente la necessità del gas SF₆, fornendo una garanzia di base per la riduzione delle emissioni e la protezione ambientale nel settore delle reti di distribuzione, allineandosi fortemente con i requisiti ambientali.

L'Unità a Anello Principalmente Isolata Solidamente (SIRMU) intelligente per le estensioni della rete di distribuzione offre non solo eco-sostenibilità e resistenza eccezionale agli ambienti severi, ma anche un alto grado di intelligenza. La sua funzionalità comprende tutte le caratteristiche tradizionalmente fornite sia dai dispositivi primari che secondari del sistema elettrico in un'unica unità. Il prodotto adotta un approccio di progettazione integrato e modulare per entrambi i componenti ad alta e bassa tensione, offrendo eccellente versatilità ed espandibilità, rappresentando un vero e proprio dispositivo elettrico intelligente.

​2 Applicazione Tecnica delle Unità a Anello Principalmente Isolate Solidamente (SIRMU) Intelligenti​​

​2.1 Applicazione della Tecnologia di Isolamento Solido​

La tecnologia di isolamento solido consiste principalmente nell'incapsulare e sigillare le parti attive della linea principale dell'apparecchiatura a media tensione con materiali solidi, o trasferire l'intensità elevata del campo elettrico all'interno del materiale isolante solido. Ciò permette al materiale solido di sopportare potenziali più elevati, riducendo così l'intensità del campo nell'aria. I materiali isolanti solidi più comuni sono la resina epoxidica e la gomma silicone.

L'Unità a Anello Principalmente Isolata Solidamente (SIRMU) utilizza il materiale isolante solido come mezzo isolante principale. Componenti chiave della linea conduttrice come i disgiuntori a vuoto e le loro connessioni, i commutatori di separazione, i commutatori di terra, le busbar principali e quelle di ramo sono incapsulati individualmente o collettivamente in isolamento solido, formando uno o più moduli. Questi moduli sono completamente isolati, completamente sigillati, specifici per funzione e progettati per ricombinazione ed espansione. Le superfici accessibili alle persone sono rivestite con strati schermanti conduttivi o semiconduttivi e sono direttamente e affidabilmente a terra. Le caratteristiche chiave includono isolamento completo, sigillaggio completo, modularità, dimensioni compatte e intelligenza. Le SIRMU dimostrano prestazioni significativamente superiori rispetto alle RMU a gas SF₆ nella resistenza agli ambienti severi come freddo estremo, alta quota, umidità e vento forte/sabbia. Dotate di design completamente sigillato e impermeabile senza conduttori ad alta tensione esposti, sono particolarmente adatte per aree umide e soggette a inondazioni, in grado di fornire un'energia affidabile in condizioni di umidità o immersione.

​2.2 Applicazione della Tecnologia di Protezione Intelligente​

L'integrazione di microprocessori e tecnologia informatica negli apparecchi elettrici conferisce loro funzioni intelligenti, consentendo una comunicazione bidirezionale con i centri di controllo. Si forma così un sistema di monitoraggio, protezione e gestione di rete intelligente. Attraverso una semplice configurazione dei parametri, un singolo dispositivo intelligente può svolgere facilmente le funzioni tradizionalmente richieste da diversi dispositivi.

Il design strutturale della SIRMU è allineato con i requisiti delle moderne reti intelligenti resilienti. Utilizza algoritmi rapidi per conferire ai disgiuntori capacità di spegnimento veloce, consentendo l'isolamento rapido delle linee difettose e prevenendo efficacemente il triplo scatto a cascata. Equipaggiata con un sistema di protezione contro i guasti di terra monofase, consente la rilevazione online di tali guasti in sistemi non collegati a terra (o a terra ad alta impedenza/PET/PEN) senza la necessità di ulteriori configurazioni, fornendo allarmi o comandi di spegnimento in base ai valori impostati. La linea principale utilizza un design modulare monofase, che evita completamente cortocircuiti tra fasi durante l'operazione e migliora significativamente l'efficienza della manutenzione riducendo i costi. Un sistema operativo incorporato a nucleo CPU, incluso un processore ARM (ARMP) per l'elaborazione generale e il controllo del sistema, insieme a un potente DSP per l'efficiente multitasking, consente l'elaborazione dati ad alta velocità, il controllo e la comunicazione. Le unità sono strutturalmente compatte, di piccole dimensioni, leggere e facili da installare. Le distanze di isolamento sono visibilmente verificabili per un'operazione sicura. La riconoscimento automatico della modalità di alimentazione consente un cambio automatico flessibile per fonti di alimentazione doppie, migliorando la affidabilità dell'alimentazione. Offre supporto di comunicazione flessibile (SMS GSM, GPRS, servizi wireless universali CDMA, fibra, paia torsionata, wireless, portante) e supporta diversi protocolli di comunicazione, facilitando l'implementazione facile dell'automazione della distribuzione.

​2.3 Senza Manutenzione ed Eco-Friendly​

L'interruttore principale utilizza un disgiuntore a vuoto a manutenzione zero noto per la sua stabilità e affidabilità, che non richiede manutenzione periodica. La progettazione integrata del commutatore di separazione e del commutatore di terra con il disgiuntore fornisce una struttura compatta con interruttori meccanici ed elettrici affidabili, prevenendo efficacemente errori di operazione.

​2.4 Processi Chiave di Produzione e Garanzia di Qualità per le SIRMU​

Per garantire la stabilità, la coerenza e la qualità del prodotto - assicurando quindi la tenuta a lungo termine del voltaggio di isolamento delle SIRMU - i poli isolati solidamente utilizzano il processo di Gelificazione Automatica a Pressione (APG) quando realizzati in resina epoxidica. I requisiti di produzione per le SIRMU superano quelli per le RMU isolate a gas SF₆. Un controllo insufficiente del processo di produzione aumenta significativamente la probabilità e la gravità di difetti e guasti nascosti dell'isolamento rispetto alle unità a gas SF₆. È essenziale un rigoroso controllo della qualità delle materie prime e capacità avanzate di processo.

L'isolamento esterno del disgiuntore a vuoto è ottenuto attraverso più mezzi, inclusi epoxy, gomma silicone e aria. Pertanto, la resistenza all'isolamento dei singoli materiali e il trattamento interfaciale tra diversi materiali isolanti sono cruciali. Entrambi l'epoxy e la gomma silicone offrono eccellenti resistenze dielettriche, raggiungendo 5-6 volte quella dell'aria. Raggiungere questa resistenza richiede un rigoroso controllo del processo di stampaggio - temperatura e pressione ottimali - insieme alla degassazione e all'evacuazione del materiale durante lo stampaggio per evitare la trappola di microbolle. La mancanza di questo non solo riduce la resistenza all'isolamento, ma causa anche una distribuzione non uniforme del campo elettrico, aumentando l'attività di scariche parziali (PD) e creando rischi operativi. Il trattamento interfaciale garantisce una sufficiente resistenza all'isolamento interfaciale sotto stress, cicli termici, ecc., prevenendo il fallimento dell'isolamento. Sono necessari metodi di rilevamento affidabili per la qualità dell'interfaccia. Attualmente, la misurazione PD, l'ispezione a raggi X e i test a impulso di fulmine possono valutare accuratamente la resistenza all'isolamento interfaciale.

L'utilizzo dell'ispezione a raggi X come test in fabbrica previene difetti come bolle, pori o crepe negli assemblaggi isolati solidamente e assicura che i disgiuntori a vuoto, le loro connessioni/terminali e le busbar isolate solidamente non mostrino deformazioni visibili anormali nelle immagini a raggi X rispetto alle loro posizioni. L'esecuzione di misurazioni PD previene l'inizio e la cessazione di PD in punti deboli o difetti nell'isolamento della SIRMU causati da campi elettrici elevati, evitando la degradazione cumulativa che porta al crollo dell'isolamento nel tempo.

​3 Schema di Progettazione Tecnica per la SIRMU Intelligente​

Basandoci su un'ampia esperienza operativa nelle reti di distribuzione e sull'analisi di apparecchiature avanzate nazionali e internazionali, considerando le condizioni operative pratiche della rete e i requisiti ambientali, abbiamo determinato attraverso un confronto complessivo di sviluppare e applicare il progetto "Ricerca Applicativa di Unità a Anello Principalmente Isolate Solidamente Intelligenti a 10kV".

​3.1 Contenuto Tecnico Principale​

Nuove unità a anello principalmente isolate solidamente di tipo AVR-12 vengono installate sul sito originale. Viene utilizzata una configurazione di alimentazione doppia, sfruttando le funzioni intelligenti della SIRMU per l'isolamento rapido delle linee difettose, la rilevazione rapida dei guasti di terra monofase e la trasmissione di tutte le informazioni sui contatti tramite fibra ottica alla stazione principale di automazione della distribuzione (DMS) o via SMS ai telefoni del personale di manutenzione. Utilizzando la piattaforma di monitoraggio della stazione principale, è possibile effettuare statistiche sui dati e analisi dei guasti.

Questo progetto viene implementato nei seguenti aspetti:

• Basandosi sullo schema originale RMU e considerando l'importanza dell'utente, l'alimentazione viene fornita tramite due linee in ingresso. Durante l'operazione normale, l'Ingresso #1 fornisce l'alimentazione mentre l'Ingresso #2 è in stand-by caldo.
• L'equipaggiamento principale è l'unità a anello di tipo AVR-12, composta da 7 celle: 6 celle di disgiuntore (CB) e 1 cella di trasformatore di tensione (PT).
• Le 6 celle di disgiuntore adottano una struttura CB + Disgiuntore (DS) + Commutatore di Terra (ES), dotate di dispositivi di protezione integrati.
• La cella PT utilizza una struttura DS + trasformatore di tensione monofase, fornendo alimentazione di comunicazione. Il PT può essere inserito/estratto utilizzando il DS nella cella PT, consentendo la manutenzione del PT o della linea senza richiedere un'interruzione completa della SIRMU.
• L'uso di SIRMU di tipo CB consente interruzioni multiple di correnti di cortocircuito. Rispetto alla protezione a fusibili, oltre ad eliminare l'inconveniente e lo spreco del cambio dei fusibili, fornisce una copertura di protezione completa contro i cortocircuiti attraverso regolazioni impostate.

​Operazione Normale:​​
Il controller intelligente acquisisce i parametri (stato del disgiuntore, stato del disgiuntore, corrente/voltaggio primario, corrente/voltaggio zero-sequence, stato della stazione principale DMS) per ogni cella in ingresso/uscita. Il caricamento dei dati in tempo reale tramite fibra ottica alla stazione principale di commutazione intelligente della distribuzione consente l'operazione remota.

​Guasto di Cortocircuito:​​
La funzione di protezione rapida del controller intelligente rileva la corrente di guasto e il flusso di potenza entro 15 ms e isola il guasto entro 25 ms, garantendo l'approvvigionamento normale della linea, prevenendo il triplo scatto a cascata e minimizzando l'estensione dell'interruzione. Le caratteristiche istantanee (tensione, corrente, stato del commutatore) consentono di controllare la caratteristica di azione dell'attuatore a magnete permanente, abbreviando il tempo di isolamento del guasto per isolare rapidamente la linea difettosa. Simultaneamente, il controller trasmette le informazioni sull'azione della SIRMU tramite fibra al centro di monitoraggio, consentendo una valutazione tempestiva dello stato del prodotto e facilitando la localizzazione del guasto e il ripristino dell'energia.

​Guasto di Terra Monofase:​​
Il controller utilizza l'ampiezza/fase della corrente zero-sequence e l'ampiezza/fase del voltaggio zero-sequence per determinare se un guasto si verifica sul lato carico della SIRMU. Solo per i guasti di terra sul lato carico, il controller emette un comando di protezione o allarme e carica le informazioni sul guasto tramite fibra. I guasti sul lato sorgente non attivano azioni da parte del controller di questa SIRMU.

​3.2 Principali Sfide Tecniche​

(1) Applicazione della tecnologia di isolamento solido e del processo di produzione APG per garantire l'affidabilità, la longevità e l'operazione senza manutenzione della SIRMU in ambienti ad alte temperature e alta salsedine.
(2) Utilizzo di un concetto di progettazione integrato e flessibile che combina la sezione primaria ad alta tensione del disgiuntore con la sezione di controllo intelligente secondario. I sensori combinati di corrente/tensione incorporati consentono l'acquisizione in tempo reale dei segnali di tensione/corrente primaria e dello stato del commutatore per un controllo flessibile dell'attuatore del disgiuntore, ottimizzando l'operazione del disgiuntore a vuoto.
(3) Rilevamento rapido della corrente di guasto ed esecuzione di azioni di protezione.

​Implementazione del Progetto:​​
Questo progetto utilizza RMU isolate solidamente con dispositivi di controllo intelligente integrati. L'interruttore principale utilizza un dispositivo combinato composto da un Disgiuntore a Vuoto Azionato da Magnete Permanente (VCB) con un Disgiuntore (DS) e un Commutatore di Terra (ES) integrati. Dotato di un sistema di controllo intelligente, esegue funzioni di controllo automatico anche senza la coordinazione del DMS. L'attuatore a magnete permanente offre alta affidabilità e operazione senza manutenzione. La comunicazione tramite fibra ottica consente la raccolta in tempo reale di tutti i parametri operativi della RMU, semplificando il ripristino dell'energia remoto e l'analisi dei guasti di energia, accumulando esperienza per i dispositivi terminali della rete intelligente. Un armadio esterno in acciaio inox riduce la manutenzione futura.

​4 Conclusione​

L'Unità a Anello Principalmente Isolata Solidamente (SIRMU) intelligente è un RMU di nuova generazione sicuro, eco-friendly, stabile, affidabile e altamente intelligente. È particolarmente adatto per la distribuzione in luoghi ostili caratterizzati da alta quota, variazioni estreme di temperatura, contaminazione e umidità.