Aplicação de Unidades de Anel Principal com Isolamento Sólido Inteligente (SIRMUs) na Rede de Distribuição de Qinzhou
1 Introdução
As regiões costeiras enfrentam desafios ambientais, incluindo chuvas intensas, raios, altas temperaturas, alta umidade e corrosão por sal. Para garantir a segurança das redes de distribuição urbana nesses ambientes, minimizar as interrupções de energia causadas pela manutenção de equipamentos e prevenir acidentes devido ao fim da vida útil do equipamento e outros fatores que afetam a segurança da rede, pesquisamos o uso de uma nova Unidade Principal de Anel com Isolamento Sólido (SIRMU). Esta SIRMU oferece longa duração, operação sem manutenção, conformidade ambiental, inteligência e melhoria na confiabilidade do fornecimento de energia.
Atualmente, mais de 90% das Unidades Principais de Anel (RMUs) de média tensão dependem do gás SF₆ como meio de isolamento. O gás SF₆ é quimicamente muito estável, possui excelentes propriedades de isolamento e extinção de arco e é amplamente utilizado em equipamentos de energia. O disjuntor de gás SF₆ é compacto. No entanto, o gás SF₆ liquefaz a baixas temperaturas, reduzindo suas capacidades de isolamento e extinção de arco. Em altas temperaturas, ele se decompe em subprodutos altamente tóxicos, representando riscos significativos para os seres humanos. Além disso, vazamentos e emissões são inevitáveis durante o enchimento, operação e recuperação do gás, tornando o SF₆ um importante poluente ambiental. O SF₆ é reconhecido internacionalmente como um dos seis principais gases de efeito estufa; do ponto de vista ambiental, seu uso deve ser minimizado ou eliminado. O princípio de design da Unidade Principal de Anel com Isolamento Sólido elimina fundamentalmente a necessidade de gás SF₆, fornecendo uma garantia básica para a redução de emissões e proteção ambiental no setor de redes de distribuição, alinhando-se fortemente com os requisitos ambientais.
A Unidade Principal de Anel com Isolamento Sólido Inteligente (SIRMU) para extensões de redes de distribuição não oferece apenas ecologia e excelente resistência a ambientes hostis, mas também um alto grau de inteligência. Sua funcionalidade abrange todos os recursos tradicionalmente fornecidos por equipamentos de sistemas de energia primários e secundários em uma única unidade. O produto adota uma abordagem de design integrada e modular para componentes de alta e baixa tensão, oferecendo excelente versatilidade e expansibilidade, representando um verdadeiro dispositivo elétrico inteligente.
2 Aplicação Técnica de Unidades Principais de Anel com Isolamento Sólido Inteligentes (SIRMUs)
2.1 Aplicação da Tecnologia de Isolamento Sólido
A tecnologia de isolamento sólido envolve principalmente o encapsulamento e vedação das partes vivas do circuito principal do disjuntor de média tensão com materiais sólidos, ou a transferência da alta intensidade do campo elétrico para o interior do material de isolamento sólido. Isso permite que o material sólido suporte potenciais mais altos, reduzindo assim a intensidade do campo no ar. Os materiais de isolamento sólido mais comuns são resina epóxi e borracha de silicone.
A Unidade Principal de Anel com Isolamento Sólido (SIRMU) utiliza material de isolamento sólido como o principal meio de isolamento. Componentes-chave do circuito condutor, como os interrompedores a vácuo e suas conexões, interruptores de desconexão, interruptores de aterramento, barras-mãe principais e barras-mãe de ramificação, são encapsulados individualmente ou coletivamente em isolamento sólido, formando um ou vários módulos. Esses módulos são totalmente isolados, totalmente vedados, específicos em função e projetados para recombinação e expansão. As superfícies acessíveis aos seres humanos são revestidas com camadas de blindagem condutivas ou semicondutoras e são diretamente e confiavelmente aterradas. As características-chave incluem isolamento total, vedação total, modularidade, tamanho compacto e inteligência. As SIRMUs demonstram um desempenho significativamente superior em comparação com as RMUs de SF₆ na resistência a ambientes hostis, como frio extremo, altitudes elevadas, umidade e vento/furacão forte. Com design totalmente vedado e à prova d'água, sem condutores de alta tensão expostos, são particularmente adequadas para áreas úmidas e propensas a inundações, capazes de fornecer fornecimento de energia confiável em condições úmidas ou submersas.
2.2 Aplicação da Tecnologia de Proteção Inteligente
A integração de microprocessadores e tecnologia de computador nos equipamentos elétricos lhes confere funções inteligentes, permitindo comunicação bidirecional com centros de controle. Isso forma um sistema inteligente de monitoramento, proteção e gerenciamento de rede. Através de uma simples configuração de parâmetros, um único dispositivo inteligente pode realizar convenientemente as funções que tradicionalmente exigem vários dispositivos.
O design estrutural da SIRMU atende aos requisitos de redes inteligentes resilientes modernas. Ela emprega algoritmos rápidos para dar aos disjuntores capacidades de disparo rápido, permitindo a rápida isolamento de linhas com falha e evitando efetivamente a cascata de disparos. Equipada com um sistema de proteção contra falhas de terra monofásicas, ela permite a detecção online dessas falhas em sistemas não aterrados (ou aterrados de alta impedância/PET/PEN) sem necessidade de configuração adicional, fornecendo alarmes ou comandos de disparo de acordo com valores definidos. O circuito principal adota um design modular monofásico, que evita completamente curtos-circuitos entre fases durante a operação e aumenta significativamente a eficiência da manutenção, reduzindo custos. Um sistema operacional embarcado integrado apresenta uma arquitetura de CPU central, incluindo um processador ARM (ARMP) para processamento geral e controle do sistema, juntamente com um poderoso DSP para multitarefa eficiente, permitindo o processamento de dados, controle e comunicação de alta velocidade. As unidades têm estrutura compacta, pequeno tamanho, leve peso e fácil instalação. As lacunas de isolamento são visivelmente verificadas para operação segura. A reconhecimento automático do modo de alimentação permite a mudança flexível e automática para fontes de alimentação duplas, melhorando a confiabilidade do fornecimento de energia. Oferece suporte de comunicação flexível (GSM SMS, GPRS, CDMA serviços sem fio universais, fibra, par trançado, sem fio, portadora) e suporta múltiplos protocolos de comunicação, facilitando a implementação fácil da automação de distribuição.
2.3 Sem Manutenção e Ecológico
O disjuntor principal utiliza um disjuntor a vácuo sem manutenção conhecido por sua estabilidade e confiabilidade, não requerendo manutenção periódica. O design integrado do interruptor de desconexão e do interruptor de aterramento com o disjuntor proporciona uma estrutura compacta com travas mecânicas e elétricas confiáveis, evitando efetivamente a operação errada.
2.4 Processos de Fabricação e Garantia de Qualidade Chaves para SIRMUs
Para garantir a estabilidade, consistência e qualidade do produto - assegurando a resistência de isolamento de longo prazo dos produtos SIRMU - os polos de isolamento sólido utilizam o processo de Gelificação Automática sob Pressão (APG) quando feitos de resina epóxi. Os requisitos de processo de fabricação para SIRMUs superam aqueles para RMUs isoladas a gás SF₆. O controle insuficiente do processo de produção aumenta significativamente a probabilidade e a gravidade de defeitos e falhas ocultos de isolamento em comparação com as unidades de SF₆. O controle rigoroso da qualidade das matérias-primas e as capacidades avançadas de processo são essenciais.
O isolamento externo do interrompedor a vácuo é alcançado através de múltiplos meios, incluindo resina epóxi, borracha de silicone e ar. Portanto, a resistência de isolamento de materiais individuais e o tratamento de interface entre diferentes meios de isolamento são cruciais. Tanto a resina epóxi quanto a borracha de silicone oferecem excelente resistência dielétrica, atingindo 5 a 6 vezes a do ar. Alcançar essa resistência exige um controle rigoroso do processo de moldagem - temperatura e pressão ótimas - além de garantir a desgaseificação e ventilação dos materiais durante a moldagem para evitar bolhas microscópicas. Falhar em fazer isso não apenas reduz a resistência de isolamento, mas também causa distribuição desigual do campo elétrico, aumentando a atividade de descargas parciais (PD) e apresentando riscos operacionais. O tratamento de interface garante resistência de isolamento suficiente sob tensão, ciclagem térmica, etc., evitando falhas de isolamento. São necessários métodos de detecção confiáveis para a qualidade da interface. Atualmente, a medição de PD, a inspeção por raios-X e os testes de impulso de raio podem avaliar com precisão a resistência de isolamento da interface.
A utilização de inspeção por raios-X como teste de fábrica evita defeitos como bolhas, poros ou fissuras em conjuntos de isolamento sólido e garante que os interrompedores a vácuo, suas conexões/terminais e as barras de distribuição isoladas solidamente não apresentem deformações anormais visíveis nas imagens de raios-X em relação às suas posições. A realização de medições de PD evita o início e a extinção de PD em fraquezas ou defeitos no isolamento da SIRMU causados por campos elétricos altos, evitando a degradação cumulativa que leva ao rompimento do isolamento ao longo do tempo.
3 Esquema de Design Técnico para a SIRMU Inteligente
Com base em ampla experiência de operação de redes de distribuição e análise de equipamentos avançados domésticos e internacionais, considerando as condições práticas de operação da rede e os requisitos ambientais, determinamos, através de comparação abrangente, desenvolver e aplicar o projeto "Pesquisa de Aplicação de Unidade Principal de Anel com Isolamento Sólido Inteligente de 10kV".
3.1 Conteúdo Técnico Principal
Novas Unidades Principais de Anel com Isolamento Sólido (SIRMUs) do tipo AVR-12 são instaladas no local original. Uma configuração de alimentação dupla é utilizada, aproveitando as funções inteligentes da SIRMU para isolar rapidamente as linhas com falha, detectar rapidamente falhas de terra monofásicas e transmitir todas as informações dos interruptores via fibra óptica para a Estação Mestre de Automação de Distribuição (DMS) ou via SMS para telefones de pessoal de manutenção. Utilizando a plataforma de monitoramento da estação mestre, é possível realizar estatísticas de dados e análise de falhas.
Este projeto é implementado nos seguintes aspectos:
- Com base no esquema original de RMU e considerando a importância do usuário, a alimentação é fornecida via duas linhas de entrada. Durante a operação normal, a Linha de Entrada #1 fornece energia enquanto a Linha de Entrada #2 está em espera quente.
- O equipamento principal é a Unidade Principal de Anel do tipo AVR-12, composta por 7 baias: 6 baias de disjuntor (CB) e 1 baia de Transformador de Potencial (PT).
- As 6 baias de CB adotam uma estrutura CB + Disconector (DS) + Interruptor de Aterramento (ES), equipadas com dispositivos de proteção integrados.
- A baia PT usa uma estrutura DS + PT monofásico, fornecendo energia de comunicação. O PT pode ser ligado/desligado usando o DS na baia PT, permitindo a manutenção do PT ou da linha sem a necessidade de desligar completamente a SIRMU.
- A utilização de SIRMUs do tipo CB permite múltiplas interrupções de correntes de curto-circuito. Comparado à proteção por fusível, além de eliminar a inconveniência e o desperdício de substituição de fusíveis, elas fornecem cobertura completa de proteção contra curto-circuito através de ajustes de configuração.
Operação Normal:
O controlador inteligente adquire parâmetros (status do disjuntor, status do disconector, corrente/voltagem primária, corrente/voltagem de sequência zero, status da estação mestre DMS) para cada baia de entrada/saída. O upload de dados em tempo real via fibra óptica para a Estação Mestre de Interrupção Inteligente de Distribuição permite a operação remota.
Falha de Curto-Circuito:
A característica de proteção rápida do controlador inteligente detecta a corrente de falha e o fluxo de potência em 15 ms e limpa a falha em 25 ms, garantindo o fornecimento normal da linha, evitando a cascata de disparos e minimizando o escopo da interrupção. As características instantâneas (voltagem, corrente, status do interruptor) permitem o controle da característica de ação do atuador de ímã permanente, encurtando o tempo de limpeza da falha para isolar rapidamente a linha com falha. Simultaneamente, o controlador transmite as informações de ação da SIRMU via fibra para o centro de monitoramento, permitindo uma avaliação oportuna do status do produto e facilitando a localização da falha e a restauração de energia.
Falha de Terra Monofásica:
O controlador usa a magnitude/fase da corrente de sequência zero e a magnitude/fase da voltagem de sequência zero para determinar se ocorreu uma falha no lado de carga da SIRMU. Apenas para falhas de terra no lado de carga, o controlador emite um comando de disparo de proteção ou alarme e carrega as informações de falha via fibra. Falhas no lado de origem não acionam ações deste controlador de SIRMU.
3.2 Principais Desafios Técnicos
(1) Aplicar a tecnologia de isolamento sólido e o processo de fabricação APG para garantir a confiabilidade, longa duração e operação sem manutenção da SIRMU em ambientes de alta temperatura e alta névoa salina.
(2) Utilizar um conceito de design integrado e flexível, combinando a seção de alta tensão do disjuntor com a seção de controle inteligente secundário. Sensores combinados de corrente/voltagem embutidos permitem a aquisição em tempo real de sinais de voltagem/corrente primária e status do interruptor, permitindo o controle flexível do atuador do disjuntor e otimizando a operação do interrompedor a vácuo.
(3) Detecção rápida da corrente de falha e execução de ações de proteção.
Implementação do Projeto:
Este projeto emprega RMUs com isolamento sólido integradas com dispositivos de controle inteligente. O disjuntor principal utiliza um dispositivo combinado composto por um Disjuntor a Vácuo Atuado por Ímã Permanente (VCB) com Disconector (DS) e Interruptor de Aterramento (ES) integrados. Equipado com um sistema de controle inteligente, realiza funções de controle automático mesmo sem coordenação com o DMS. O atuador de ímã permanente oferece alta confiabilidade e operação sem manutenção. A comunicação via fibra óptica permite a coleta em tempo real de todos os parâmetros operacionais da RMU, simplificando a restauração de energia remota e a análise de falhas de energia, acumulando experiência para dispositivos terminais de rede inteligente. Um gabinete externo de aço inoxidável minimiza a manutenção futura.
4 Conclusão
A Unidade Principal de Anel com Isolamento Sólido Inteligente (SIRMU) é uma próxima geração de RMU segura, ecológica, estável, confiável e altamente inteligente. É particularmente bem adequada para implantação em locais hostis caracterizados por altitudes elevadas, variações extremas de temperatura, contaminação e umidade.
