Tecnología y Pruebas de Unidades de Anillo Principal con Aislamiento Sólido de Media Tensión

1 Introducción​
Los métodos de aislamiento comunes para las celdas de anillo de media tensión (RMUs) de 10 kV incluyen el aislamiento por gas, el aislamiento sólido y el aislamiento por aire.
• El aislamiento por gas generalmente utiliza SF₆ como medio aislante. Sin embargo, una sola molécula de SF₆ tiene un efecto invernadero 25 000 veces mayor que una molécula de CO₂, y el SF₆ persiste en la atmósfera durante 3 400 años, lo que supone un riesgo ambiental significativo. Las RMUs de media tensión están ampliamente distribuidas, lo que hace que la recuperación de SF₆ sea difícil y costosa si se gestiona de manera responsable.
• El aislamiento por aire requiere mayores distancias de aislamiento, lo que impide una reducción significativa del tamaño del equipo de conmutación.

Con el rápido desarrollo de las redes de distribución urbana, aplicaciones como edificios de gran altura y tránsito ferroviario exigen un mejor rendimiento de las RMUs, requiriendo un menor espacio, alta seguridad y confiabilidad, mantenimiento mínimo y adecuación al medio ambiente. Las RMUs de media tensión con aislamiento sólido representan una tendencia en crecimiento.

Las RMUs de 10 kV con aislamiento sólido utilizan tecnología de aislamiento sólido en lugar de gas SF₆. Su volumen es solo el 30% del de equipos comparables con aislamiento por aire, ofreciendo un rendimiento de aislamiento más confiable y recibiendo un reconocimiento constante de expertos y usuarios.

​2 Materiales y diseño de aislamiento​
El análisis de costos muestra que la estructura de aislamiento representa más del 40% del precio total de las RMUs con aislamiento sólido. La selección de materiales de aislamiento adecuados, el diseño de estructuras de aislamiento racionales y la determinación de métodos de aislamiento apropiados son cruciales para el valor de las RMUs.

Desde su primera síntesis en 1930, la resina epoxi ha sido continuamente mejorada con aditivos. Es conocida por su alta resistencia dieléctrica, alta resistencia mecánica, baja contracción volumétrica durante la curación y facilidad de mecanizado. Por lo tanto, la usamos como material de aislamiento principal para las RMUs de media tensión, mejorada con endurecedores, agentes de endurecimiento, plastificantes, rellenos y pigmentos para formar una resina epoxi de alto rendimiento. Las mejoras en la resistencia al calor, la expansión térmica y la conductividad térmica proporcionan retención del fuego y excelentes propiedades de aislamiento tanto bajo voltaje operativo a largo plazo como bajo sobretensiones a corto plazo.

Las estructuras de aislamiento convencionales de las RMUs crean campos eléctricos no uniformes. Simplemente aumentar las distancias no es suficiente para mejorar la resistencia al aislamiento en tales campos. Optimizamos la estructura del campo para mejorar la uniformidad. La resistencia eléctrica de la resina epoxi varía de 22 a 28 kV/mm, lo que significa que solo se necesitan unos pocos milímetros de distancia entre fases en estructuras optimizadas, reduciendo drásticamente el tamaño del producto.

​3 Diseño estructural de las RMUs de media tensión con aislamiento sólido​
Los interrumpidores de vacío, los interruptores de desconexión, los interruptores de tierra y todos los componentes conductores se colocan en moldes. Luego, se realiza un colado integral con resina epoxi de alto rendimiento utilizando tecnología de gelificación por presión automatizada. El medio de extinción del arco es el vacío, con aislamiento proporcionado por la resina epoxi.

La estructura del gabinete adopta un diseño modular para facilitar la producción en masa estandarizada. Cada compartimento de RMU está separado por particiones metálicas para contener los arcos de falla dentro de módulos individuales. Se utilizan conectores de barra colectora integrados y conectores de contacto integrados. La barra colectora principal consiste en barras colectoras segmentadas y cerradas, conectadas por conectores telescópicos integrados, lo que facilita la instalación y puesta en marcha en el sitio. La puerta del gabinete cuenta con un diseño interno antiaislante y permite el cierre, apertura y puesta a tierra (operación de tres posiciones) con la puerta cerrada. El estado del interruptor es visible a través de ventanas de observación, asegurando una operación segura y confiable.

​4 Ventajas y análisis de pruebas de tipo de las RMUs de media tensión con aislamiento sólido​
​4.1 Principales ventajas:​​
(1) Utiliza resina epoxi de alto rendimiento para un aislamiento confiable y baja descarga parcial.
(2) Estructura totalmente aislada y sellada sin partes vivas expuestas. No se ve afectada por polvo o contaminantes. Adecuada para diversos entornos (temperaturas altas/bajas, altitudes elevadas, áreas propensas a explosiones/contaminación). Elimina problemas como fluctuaciones de presión del gas SF₆ durante la operación a alta temperatura o licuefacción en frío extremo. Ofrece ventajas distintivas en áreas costeras con alta salinidad.
(3) Sin SF₆ y sin gases peligrosos, es un producto ecológico. El diseño hermético elimina el mantenimiento regular. La resistencia a explosiones mejorada es adecuada para ubicaciones peligrosas. La estructura totalmente aislada trifásica previene fallas entre fases, garantizando seguridad y confiabilidad.
(4) Ocupa solo el 30% del espacio requerido por las RMUs con aislamiento por aire, siendo una solución ultra compacta.

​4.2 Análisis de pruebas de tipo​
Basándonos en estas ventajas, se realizaron pruebas de tipo comprehensivas, incluyendo:

• Pruebas de aislamiento (42 kV/48 kV de tensión soportada)
• Medición de descarga parcial (≤ 5 pC)
• Pruebas de temperatura alta/baja (+80°C / -45°C)
• Prueba de condensación (Clase II de contaminación)
• Prueba de arco interno (0.5 s)
  Los resultados de las pruebas confirmaron que el producto cumple completamente con las especificaciones, validando todas las ventajas mencionadas.

Además, se realizaron pruebas adicionales según normas nacionales:

• Prueba de elevación de temperatura
• Medición de la resistencia del circuito principal
• Pruebas de corriente máxima de soporte de punta y corriente de soporte a corto plazo
• Prueba de capacidad de cierre de cortocircuito nominal
• Prueba de capacidad de apertura de cortocircuito nominal
• Prueba de resistencia eléctrica
• Prueba mecánica
• Prueba de falla a tierra (entre fases)
• Prueba de conmutación de corriente activa nominal
• Prueba de conmutación de corriente capacitiva nominal
  Todos los resultados cumplen con las normas nacionales.

​5 Puntos clave de construcción​
① Al verter el concreto, primero se vierten vigas y columnas, seguidas de losas. Se vierte capa por capa en la dirección de los tubos de encofrado (nota: traducción ajustada para un significado técnico más claro), distribuyendo el concreto sobre el encofrado autostabilizador CBM antes de vibrarlo hacia abajo. Se deposita la primera capa de concreto hasta la mitad de la altura del encofrado, vibrando simétricamente en ambos lados. Se utilizan vibradores de ≤35 mm de diámetro (generalmente 30 mm) para una penetración y vibración uniforme. Se evitan espacios, subvibración o contacto con el encofrado. Espaciado ≤25 cm, duración ≤3 s por punto. Después de confirmar la compactación, se vuelve a vibrar la capa superficial con un vibrador de regla antes de la fraguado inicial, seguido de nivelación y compactación con una llana de madera.
② Los conductos de agua/electricidad deben pasar entre las nervaduras entre las unidades de encofrado autostabilizador CBM. Si pasan a través de una unidad, se utiliza un tamaño de encofrado más pequeño. Durante la instalación del encofrado y el vertido del concreto, se construyen plataformas de trabajo. Se posicionan los soportes de la tubería de la bomba de concreto en estas plataformas. El personal no debe caminar directamente sobre el encofrado, y los materiales no deben apilarse directamente sobre él.

​6 Rendimiento de ingeniería del encofrado autostabilizador CBM​
① Aumento de la altura libre
En comparación con los sistemas de vigas y losas convencionales, los dos proyectos que utilizaron losas huecas redujeron el espesor estructural por piso en 30-50 cm, aumentando la altura libre. El encofrado autostabilizador CBM es ideal para estructuras industriales/públicas de gran luz y carga pesada. Asegura una distribución uniforme de fuerzas y permite la colocación flexible de tabiques.
② Reducción de costos
El sistema de losas huecas CBM presenta una estructura en forma de "I" ortogonal y oculta con nervaduras cercanas, permitiendo una transferencia equilibrada de fuerzas. Basándose en los dos proyectos, se redujo el acero de refuerzo en un 27%, el volumen de concreto en un 29% y el área de encofrado en un 46% en comparación con las estructuras de marco de concreto reforzado convencionales. Los costos de construcción totales disminuyeron en un 26.3%.
③ Simplificación de la construcción
El encofrado CBM ofrece alta resistencia, ligereza, resistencia a impactos y marcos de soporte integrados para una fácil instalación. Con vigas ocultas, la parte inferior de la losa permanece plana, simplificando las operaciones de encofrado y apuntalamiento.
④ Menor peso, rendimiento optimizado
Las losas huecas CBM reducen el peso propio de la estructura en un 27.6% según cálculos, optimizando el diseño de vigas, losas, columnas y cimentaciones.

​7 Discusión sobre los problemas de construcción del encofrado CBM​
① Asegurar la compactación del concreto en el ala inferior es desafiante. Las fugas en las losas huecas CBM son difíciles de remediar.
A diferencia de las losas convencionales, donde el concreto se coloca directamente en una superficie, las losas CBM tienen alas superior e inferior. Lograr la compactación en el ala inferior requiere una vibración meticulosa utilizando vibradores de pequeño diámetro y vibradores externos. Después de esto, se vierten las vigas ocultas y la losa superior, lo que requiere un gran cuidado y supervisión de control de calidad dedicada.
La frecuencia de grietas en las losas CBM es comparable o ligeramente menor que en las losas convencionales. Sin embargo, se produjeron fugas en los techos de los sótanos y losas de techo de ambos proyectos. Identificar la causa es difícil; las fuentes potenciales incluyen grietas en el ala superior, filtración de agua a través de encofrados adyacentes o conductos dentro de las nervaduras. El esfuerzo/costo de reparación por fuga es 5-8 veces mayor que para las losas convencionales.
② Las juntas de construcción y las bandas de expansión requieren un diseño detallado
Las ubicaciones de las juntas de expansión estructural generalmente se especifican en los códigos de diseño. Sin embargo, la naturaleza de doble ala de las losas CBM complica el vertido si una junta se encuentra junto a una unidad de encofrado: asegurar la unión entre el concreto nuevo y viejo en el ala inferior y contener el mortero es difícil. En el sitio, las ubicaciones de las juntas deben ajustarse según la disposición del encofrado para asegurar que las juntas caigan entre nervaduras entre las unidades de encofrado. Puede ser necesario redimensionar las unidades adyacentes.
Dado que las losas CBM generalmente cubren grandes áreas, los diseñadores a menudo pasan por alto la ubicación de las juntas de construcción. Para asegurar una unión adecuada dentro del tiempo de fraguado inicial, el equipo en el sitio debe determinar las ubicaciones de las juntas considerando los límites de ancho de vertido y las capacidades de recursos. Las juntas deben cumplir con los requisitos del código y estar ubicadas entre las nervaduras.
③ Difícil mitigación de la flotación del encofrado
Si se produce la flotación del encofrado durante el vertido, las contramedidas existentes (remover el refuerzo superior, limpiar el concreto, volver a fijar el encofrado) son imprácticas y a menudo ineficaces. Actualmente, la única solución es romper/remover la unidad flotada, colocar refuerzo adicional y verter concreto sólido allí. La vigilancia rigurosa en el sitio de la fijación del encofrado y las medidas anti-flotación es esencial durante la construcción.