Diseño de la solución de unidad principal de anillo aislada con aire seco de 24kV

La combinación de ​Aislamiento Sólido Asistido + Aislamiento de Aire Seco​ representa la dirección de desarrollo para los RMUs de 24kV. Al equilibrar los requisitos de aislamiento con la compactación y empleando aislamiento auxiliar sólido, se pueden pasar las pruebas de aislamiento sin aumentar significativamente las dimensiones entre fases y entre fase y tierra. El encapsulado del poste de interrupción solidifica el aislamiento para el interruptor de vacío y sus conductores de conexión.

Manteniendo el ​espaciado de fases de la barra de salida de 24kV en 110mm, la intensidad del campo eléctrico y el coeficiente de no uniformidad se pueden reducir encapsulando la superficie de la barra. ​Tabla 4​ calcula el campo eléctrico bajo diferentes espaciamientos de fases y grosor de aislamiento de la barra. Muestra que al aumentar adecuadamente el espaciado de fases a ​130mm​ y aplicar un ​encapsulado de epoxi de 5mm​ a la barra redonda, se obtiene una intensidad de campo eléctrico de ​2298 kV/m. Esto mantiene un margen cierto por debajo de la máxima resistencia al soporte del aire seco (3000 kV/m).

​Tabla 4: Condiciones de Campo Eléctrico bajo Diferentes Espaciamientos de Fases y Grosor de Aislamiento de la Barra​

Debido a la ​baja resistencia al aislamiento del aire seco, el aislamiento sólido solo no puede resolver el problema de soportar el voltaje en el espacio de aislamiento. Una ​configuración de doble interrupción​ distribuye eficazmente el voltaje a través de dos espacios de gas. Se diseñan anillos de gradiente (escudos de campo) en áreas de campo concentrado, como los contactos estacionarios de aislamiento y toma a tierra, para reducir la intensidad del campo y minimizar las dimensiones del espacio de aire. Como se muestra en ​Figura 3, un eje principal de nailon reforzado rota el mecanismo de doble interrupción para lograr estados operativos, de aislamiento y de toma a tierra. Los anillos de gradiente en los contactos estacionarios, con un ​diámetro de 60mm​ y encapsulado de epoxi, permiten un ​claro de 100mm​ para soportar un ​voltaje de impulso de rayo de 150kV.

Otras aproximaciones, como ​diseños de disposición de fases segregadas longitudinalmente, el uso de tanques monofásicos de aleación de alta resistencia, o el aumento moderado de la presión del gas, también pueden cumplir con los requisitos de soporte de 24kV. Sin embargo, los RMUs requieren ​bajo costo, y costos excesivamente altos son inaceptables para los usuarios. A través de un diseño optimizado, como el aumento moderado del ancho del RMU, se puede lograr el objetivo de ​bajo costo y miniaturización​ para los RMUs de 24kV aislados con gas ecológico.

​1. Disposición de los Interruptores de Tierra en los RMUs Ecológicos de Gas​
Dos métodos principales de circuito pueden implementar funciones de toma a tierra:

• Interruptor de tierra del lado de salida (interruptor de tierra inferior)
• Interruptor de tierra del lado de la barra (interruptor de tierra superior), opcionalmente clasificado E0, requiriendo coordinación con el interruptor principal para operaciones de toma a tierra.

​El "Esquema de Diseño Estandarizado de RMUs (Cabinas) de 12kV" de la Red Estatal 2022​ especifica que todos los interruptores de tres posiciones (aislar, conectar, toma a tierra) deben utilizar la disposición del lado de la barra, denominada "Interruptor de Tierra Combinado de Función del Lado de la Barra".

Las regulaciones de seguridad eléctrica mandatan que ​no puede existir ningún interruptor automático (CB) o fusible entre el conductor de tierra/interruptor de tierra y el equipo en mantenimiento. Si existe un CB entre el interruptor de tierra y el equipo debido a restricciones de diseño, se deben tomar medidas para asegurar que el CB no pueda abrirse después de cerrar tanto el interruptor de tierra como el CB. Por lo tanto:

• Un ​Interruptor de Tierra del Lado de Línea, ubicado aguas abajo del CB, se conecta directamente al cable de salida a tierra, cumpliendo naturalmente con la regulación ya que no existe un CB entre él y el equipo.
• Un ​Interruptor de Tierra del Lado de la Barra, ubicado aguas arriba del CB, tiene el CB de vacío entre él y el cable de salida a tierra, violando el requisito de conexión directa. Después de cerrar el interruptor de tierra y el CB, se deben implementar ​medidas para prevenir la apertura del CB. Ejemplos incluyen desconectar el circuito de disparo del CB mediante una placa de bloqueo o usar interbloqueos mecánicos para prevenir la apertura accidental del CB y la consecuente pérdida de toma a tierra.

El estándar de la Red Nacional también exige ​interbloqueos mecánicos y eléctricos​ para ​prevenir la apertura manual o eléctrica del CB​ cuando el interruptor de tierra de función combinada utiliza el CB (cerrado) para poner a tierra el lado del cable.

La razón principal para elegir el Interruptor de Tres Posiciones de Aislamiento-Toma a Tierra del Lado de la Barra en el estándar de la Red Nacional es la ​capacidad de hacer toma a tierra/conexión a tierra:

• ​RMUs de SF6: El SF6 tiene ~3 veces la resistencia al aislamiento del aire y ~100 veces mayor capacidad de extinción de arco debido a un enfriamiento superior, asegurando una adecuada capacidad de hacer toma a tierra del interruptor de tierra.
• ​RMUs Ecológicos de Gas: Los gases ecológicos carecen de capacidad intrínseca de extinción de arco y tienen un aislamiento peor. Lograr la capacidad de hacer toma a tierra requerida demanda ​velocidades de cierre muy altas. Sin embargo, los mecanismos de operación estándar de RMU carecen de la energía para tales velocidades. Usar un interruptor de tierra del lado de línea requiere mecanismos de mayor velocidad, costosos, contactos resistentes a arcos robustos y análisis de fuerzas, aumentando el costo y la complejidad. Los ​Interruptores de Tierra del Lado de la Barra, aunque requieren soluciones de interbloqueo con el CB, ofrecen una mayor capacidad de hacer toma a tierra y pueden garantizar la confiabilidad de la toma a tierra.

​Análisis de la Tecnología y Productos de SF6 vs. Gases Ecológicos​ indica que los ​RMUs Ecológicos de 12kV​ pueden cumplir con los requisitos de aislamiento y elevación de temperatura con un aumento mínimo de tamaño, representando una solución técnica madura.

Por otro lado, los ​Productos Aislados de 24kV con Gases Ecológicos​ aún están limitados. El desafío clave es el nivel de voltaje significativamente más alto, lo que lleva a dimensiones mucho mayores y costos más altos, obstaculizando el desarrollo. Es crucial equilibrar factores como el ​tipo de gas aislante, presión de llenado, volumen del tanque de gas y costo del aislamiento auxiliar​ para diseñar ​RMUs de bajo costo y compactos. Reemplazar exitosamente el SF6 no solo captará el mercado doméstico, sino que también permitirá la ​expansión global, promoviendo los productos de bajo carbono y ecológicos de China en todo el mundo.