Esquema de Diseño Optimizado para la Separación Aislante de la Celda de Anillo con Aire a 12kV para Reducir la Probabilidad de Descarga por Ruptura

Con el rápido desarrollo de la industria eléctrica, el concepto ecológico de bajo carbono, ahorro de energía y protección ambiental se ha integrado profundamente en el diseño y fabricación de productos eléctricos de suministro y distribución. La Unidad de Anillo Principal (RMU) es un dispositivo eléctrico clave en las redes de distribución. La seguridad, la protección ambiental, la confiabilidad operativa, la eficiencia energética y la economía son tendencias inevitables en su desarrollo. Las RMUs tradicionales están principalmente representadas por RMUs aisladas con gas SF6. Debido a la excelente capacidad de extinción de arcos y alto rendimiento aislante del SF6, han sido ampliamente utilizadas. Sin embargo, el SF6 causa el efecto invernadero. Con la creciente presión regulatoria sobre los gases de efecto invernadero, desarrollar RMUs aisladas con gases ecológicos como alternativas al SF6 se ha convertido en una tendencia imperativa.

Actualmente, las RMUs aisladas con gases ecológicos incluyen RMUs aisladas con nitrógeno y RMUs aisladas con aire seco. La literatura ha introducido estas opciones. En comparación con la capacidad aislante del SF6, la de nitrógeno y aire seco es solo aproximadamente un tercio. Por lo tanto, asegurar que el rendimiento aislante general de la RMU y sus interruptores internos no se vea comprometido debido al menor rendimiento aislante del medio, mientras se mantiene el espacio existente del gabinete, es particularmente crucial. Esto se refleja principalmente en el diseño de la estructura eléctrica y aislante interna. Un diseño razonable de la estructura eléctrica y aislante puede compensar la deficiencia del rendimiento del medio aislante.

Este artículo se centra en un hueco de aislamiento dentro de una cierta RMU aislada con aire de 12kV. Analiza la distribución del campo eléctrico cercano y su uniformidad, evalúa el rendimiento aislante en este lugar y realiza una optimización estructural para reducir la probabilidad de descarga y mejorar el rendimiento aislante. El estudio tiene como objetivo proporcionar una referencia para el diseño aislante de productos similares.

​1 Estructura de la RMU aislada con aire​

El modelo estructural 3D de la RMU aislada con aire estudiada en este artículo se muestra en la Figura 1. La estructura del circuito principal de la RMU adopta un esquema que combina un interruptor de vacío y un interruptor de tres posiciones. La disposición emplea un esquema donde el interruptor de tres posiciones está ubicado en el lado de la barra de bus, es decir, el interruptor de tres posiciones se dispone en el lado superior de la RMU, mientras que el interruptor de vacío se dispone en el lado inferior a través de un poste aislado sólido.

Dado que el interruptor de vacío está encapsulado dentro del poste, su exterior está aislado con resina epoxi. La capacidad aislante de la resina epoxi es mucho mayor que la del aire, cumpliendo así con los requisitos de aislamiento. Además, la barra de conexión en el extremo sellado del poste aislado sólido incorpora esquinas redondeadas, diseños curvos y sellado de caucho de silicona, resolviendo problemas de descarga parcial en este punto. Las distancias aislantes entre barras y al suelo están diseñadas según los requisitos de aislamiento pertinentes y cumplen con las regulaciones.

La hoja de aislamiento del interruptor de tres posiciones depende completamente del medio de aire para el aislamiento. Como componente de conexión móvil, su diseño estructural incorpora piezas metálicas como pernos, resortes, discos de resorte y anillos de retención para aumentar la presión de contacto entre los contactos de aislamiento. Sin embargo, debido a las formas especiales de estas piezas metálicas, pueden causar una distribución altamente no uniforme del campo eléctrico, desencadenando descargas parciales. Esto representa un riesgo de descarga de ruptura, afectando negativamente el rendimiento aislante en este lugar. Por lo tanto, el diseño de la estructura eléctrica aquí es particularmente importante.

Según los requisitos de diseño del producto, el hueco de aislamiento debe soportar un voltaje de resistencia de frecuencia de potencia de corta duración nominal de 50kV. La distancia eléctrica mínima para el hueco de aislamiento se diseña como 100mm. Considerando la complejidad de la estructura de la hoja de aislamiento, se agregaron escudos de gradiente en ambos lados de la hoja de aislamiento para mejorar la uniformidad del campo eléctrico y reducir la ocurrencia de descargas parciales. El modelo 3D del interruptor de tres posiciones se muestra en la Figura 2. En consecuencia, este artículo realiza un análisis de simulación del campo eléctrico en el hueco de aislamiento.

Se utilizó software de elementos finitos para simular el campo eléctrico de la RMU, analizando la distribución de la intensidad del campo eléctrico a lo largo del hueco de aislamiento bajo el voltaje de resistencia de frecuencia de potencia de corta duración nominal de 50kV dado. Se definieron dos escenarios para la simulación del campo electrostático:

• ​Escenario 1:​​ Lado de la barra de bus (lado con el asiento de contacto estático de aislamiento) conectado a baja potencial (0V), lado de línea (lado con la cabeza de la hoja de aislamiento) conectado a alta potencial (50kV).
• ​Escenario 2:​​ Lado de la barra de bus (lado con el asiento de contacto estático de aislamiento) conectado a alta potencial (50kV), lado de línea (lado con la cabeza de la hoja de aislamiento) conectado a baja potencial (0V).

Se obtuvieron las distribuciones del campo eléctrico en la ubicación de la máxima intensidad del campo eléctrico dentro del hueco de aislamiento para ambos escenarios a partir de la simulación. La distribución de la intensidad del campo eléctrico en la cabeza de la hoja de aislamiento para el Escenario 1 se muestra en la Figura 3, y la del asiento de contacto estático de aislamiento para el Escenario 2 se muestra en la Figura 4. La máxima intensidad del campo eléctrico en el Escenario 1 ocurre en el extremo del escudo de gradiente, midiendo 7.07 kV/mm. La máxima en el Escenario 2 es en el bisel del asiento de contacto estático de aislamiento, midiendo 4.90 kV/mm.

La intensidad crítica de campo eléctrico de ruptura para el aire en condiciones estándar es generalmente 3 kV/mm. Las Figuras 3 y 4 muestran que, aunque algunas áreas localizadas dentro del hueco de aislamiento superan 3 kV/mm, la intensidad del campo en otras áreas permanece por debajo de este umbral, haciendo poco probable la descarga de ruptura. Sin embargo, la descarga parcial ocurrirá en las posiciones localizadas donde la intensidad del campo supere 3 kV/mm.

Cuando el aire cambia de seco a húmedo, su capacidad aislante disminuye. La intensidad crítica de campo eléctrico de ruptura en condiciones de campo uniforme cae por debajo de 3 kV/mm. Además, una distribución altamente no uniforme del campo eléctrico también reduce la intensidad crítica de campo de ruptura del aire. Ambos factores aumentan la posibilidad y el riesgo de ruptura. Para mitigar el impacto de las condiciones ambientales externas en el medio aislante de aire y mejorar el coeficiente de uniformidad del campo eléctrico, este artículo tiene como objetivo determinar el grado de uniformidad del campo eléctrico a lo largo del hueco de aislamiento y el valor de voltaje de resistencia del hueco. Esto sirve como base para mejorar la capacidad aislante del hueco de aislamiento.

​3 Características de aislamiento del aire​

​3.1 Determinación del coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico​

Los campos eléctricos perfectamente uniformes no existen en la práctica; todos los campos eléctricos son no uniformes. Basándose en el coeficiente de no uniformidad f, los campos eléctricos se clasifican en dos tipos: campos eléctricos ligeramente no uniformes cuando f ≤ 4; y campos eléctricos extremadamente no uniformes cuando f > 4. El coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico f se determina por f = E_max / E_avg, donde E_max es la intensidad máxima local del campo eléctrico, obtenible de los resultados de la simulación, y E_avg es la intensidad media del campo eléctrico, calculada como el voltaje aplicado dividido por la distancia eléctrica mínima.

De la Figura 3, E_max = 7.07 kV/mm y E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Por lo tanto, el coeficiente de no uniformidad para el hueco de aislamiento f = 14.14 > 4, clasificándolo como un campo extremadamente no uniforme. Fenómenos de descarga parcial estable pueden formarse cerca de campos extremadamente no uniformes. Cuanto mayor sea el grado de no uniformidad, más pronunciada será la descarga parcial y mayor será la magnitud de la descarga. Para una RMU de 12kV, el requisito es que la descarga parcial total de todo el gabinete debe ser menor a 20pC. Reducir el coeficiente de no uniformidad f es beneficioso para disminuir la magnitud de la descarga parcial.

​3.2 Determinación del voltaje de resistencia del aire​

El coeficiente de no uniformidad afecta el voltaje de resistencia del aire seco. Cuando el campo es ligeramente no uniforme, el voltaje de resistencia es:
​Fórmula (1)​​

Donde:

• U es el voltaje de resistencia.
• d es la distancia eléctrica mínima entre electrodos.
• k es un factor de confiabilidad, que generalmente varía de 1.2 a 1.5 según la experiencia.
• E₀ es la intensidad de campo eléctrico de ruptura del gas. En la práctica, este valor se relaciona con la estructura del electrodo. La intensidad de campo de ruptura del aire varía bajo diferentes estructuras de electrodos y distancias. Para el análisis comparativo en este artículo, se establece provisionalmente E₀ = 3 kV/mm.

De la Fórmula (1), aumentar la distancia eléctrica mínima d o disminuir el coeficiente de no uniformidad f puede mejorar el voltaje de resistencia del aire. Cuando el campo es extremadamente no uniforme, para electrodos con una distancia mínima d alrededor de 100mm, el voltaje de resistencia se determina por:
​Fórmula (2)​​

Donde U_50%(d) es el voltaje de ruptura de impulso de rayo al 50% para el electrodo con una distancia eléctrica d. En campos extremadamente no uniformes, el voltaje de ruptura presenta una dispersión significativa y un retraso de tiempo de descarga largo, lo que lo hace altamente inestable.

En la práctica de ingeniería, U_50%(d) se determina mediante múltiples pruebas de impulso de rayo: el voltaje aplicado en el que la ruptura ocurre con una probabilidad del 50% se define como U_50%(d). Este valor depende de la estructura del producto y del grado de uniformidad del campo. Se establece que un coeficiente de no uniformidad menor resulta en una menor dispersión del voltaje de ruptura, un voltaje de ruptura más alto y, en consecuencia, un voltaje de resistencia más alto. Por lo tanto, reducir el coeficiente de no uniformidad f mejora el voltaje de resistencia del hueco de aislamiento.

​4 Optimización estructural​

Para mejorar la uniformidad del campo eléctrico alrededor de la cabeza de la hoja de aislamiento y reducir el coeficiente de no uniformidad, se optimizó la estructura del escudo de gradiente.

En comparación con el diseño original, el escudo de gradiente optimizado presenta un extremo engrosado con un diseño de esquina redondeada. El radio de filo se incrementó de 0.75mm a 4mm, mejorando el radio de curvatura en esta área, lo que beneficia para lograr una distribución de campo más uniforme. La distribución de la intensidad del campo eléctrico en la cabeza de la hoja de aislamiento optimizada se muestra en la Figura 7. La figura muestra que la máxima intensidad del campo eléctrico en esta ubicación es ahora 3.66 kV/mm, aproximadamente la mitad del valor antes de la optimización, indicando una mejora significativa.

Basándose en la fórmula f = E_max / E_avg, el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico después de la optimización es 7.32. En comparación con el estado pre-optimización, este valor se ha reducido a aproximadamente la mitad. La uniformidad del campo eléctrico cerca de la cabeza de la hoja de aislamiento también ha mejorado significativamente, demostrando la razonabilidad de la optimización estructural.

La estructura optimizada del escudo de gradiente efectivamente reduce el riesgo de descarga de ruptura a lo largo del hueco de aislamiento. Sin embargo, el campo a lo largo del hueco sigue siendo extremadamente no uniforme, y su voltaje de resistencia aún se determina por U_50%(d). El grado en que el voltaje de resistencia puede aumentar necesita determinarse a través de pruebas de campo posteriores.

​5 Conclusión​

A través del análisis del campo eléctrico del hueco de aislamiento en una RMU aislada con aire de 12kV, este artículo llegó a las siguientes conclusiones:

1. Debido a la menor capacidad aislante del aire en comparación con el SF6, el uso de aire para aislamiento en el interruptor de tres posiciones dentro de las RMUs requiere mejorar la distribución del campo eléctrico para aumentar la capacidad aislante.
2. Debido a la complejidad estructural de las partes móviles (la hoja de aislamiento) dentro del interruptor de tres posiciones de las RMUs aisladas con aire, la distribución de la intensidad del campo eléctrico en posiciones localizadas puede volverse altamente no uniforme. Para reducir la no uniformidad, se pueden agregar escudos de gradiente en ambos lados de la hoja de aislamiento para proteger la intensidad del campo eléctrico cerca de los extremos de los conectores de la hoja, desplazando la máxima intensidad local del campo eléctrico a los extremos de los escudos de gradiente. Este artículo aumentó el radio de curvatura del extremo del escudo de gradiente de 0.75mm a 4mm. Esto redujo tanto la máxima intensidad local del campo eléctrico como el coeficiente de no uniformidad a aproximadamente la mitad de sus valores originales, logrando el efecto deseado.
3. El grado de uniformidad del campo eléctrico, o el coeficiente de no uniformidad, afecta significativamente la descarga parcial y la descarga de ruptura. Los campos extremadamente no uniformes facilitan fácilmente la formación de descargas parciales estables (descargas de corona). Tanto para campos ligeramente no uniformes como para campos extremadamente no uniformes, un coeficiente de no uniformidad mayor corresponde a un voltaje de resistencia más bajo entre los dos electrodos.