Verligging van ontladingrisiko's in 12 kV luggeïsoleerde RMU's deur gebruikmaking van 'n graderingskermontwerp
Hierdie dokument neem die primêre isolasie-afbreek van 'n sekere tipe 12kV luggeïsoleerde ringhooftoestel (RMU) as navorsingobjek, analiseer die elektriese veldverdeling en eenvormigheid daaromtrent, evalueer die isolasievermoë by hierdie plek, en verminder ontladingrisiko terwyl isolasievermoë deur strukturele optimalisering verhoog word, daarmee 'n verwysing vir die isolasieontwerp van soortgelyke produkte verskaf.
1 Struktuur van die Luggeïsoleerde Ringhooftoestel
Die driedimensionele strukturele model van die luggeïsoleerde RMU wat in hierdie dokument bestudeer word, word in Figuur 1 gewys. Die hoofskakel maak gebruik van 'n konfigurasie wat 'n vakuumskakelaar met 'n drie-posisieskakelaar kombineer, gerangskik met die drie-posisieskakelaar aan die busbaarkant - dit wil sê, die drie-posisieskakelaar is geplaas boaan die RMU, terwyl die vakuumskakelaar onderaan in 'n soliede-geseelde paalstruktur gevestig is. Aangesien die vakuumskakelaar binne die paal ingesluit is, is sy buitekant met epoxyhars geïsoleer, wat beduidend beter isolasieeienskappe het as lug, en dus isolasierequiremente bevredig.
Verder maak die verbindingsbusbaar by die sluitingspunt van die soliede-geseelde paal gebruik van afgeronde rande en bogenvormige ontwerp, gekombineer met silikonrubbersealing, wat effektief plaaslike ontladingprobleme in hierdie gebied verminder. Die isolasieafstande tussen busbare en na die grond is volgens relevante isolasienorme ontwerp en voldoen aan regulerende vereistes.
Die isolasieblad van die drie-posisieskakelaar is afhanklik van lug as die geïsoleerde medium. As 'n beweeglike verbindingskomponent, bevat sy struktuur metaaldele soos pyns, veere, skootveere en circlips om kontakdruk tussen die isolasiekontakte te verhoog. Tog, as gevolg van die komplekse vorme van hierdie metaaldele, kan die elektriese veldverdeling hoogs nie-eenvormig wees, wat lei tot plaaslike ontlading en potensiële inslagrisiko's, wat negatief op die isolasievermoë by hierdie plek impak.
Dus is die elektriese ontwerp van hierdie struktuur veral krities. Volgens produkontwerpvereistes moet die isolasie-afbreek 'n bepaalde korttydige nettoverdraaglike spanning van 50kV verdra, met 'n minimum ontwerpelektriese afstand van 100mm. Gegewe die kompleksiteit van die isolasiebladstruktuur, word graadverskilskilde aan albei kante van die blad bygevoeg om die elektriese veld-eenvormigheid te verbeter en plaaslike ontlading te verminder. Die driedimensionele model van die drie-posisieskakelaar word in Figuur 2 getoon. Hierdie dokument voer 'n elektriese veldsimulasie-analise op hierdie isolasie-afbreek uit.
2 Simulasie Analise
Eindige-element sagteware is gebruik om 'n elektriese veldsimulasie op die ringhooftoestel uit te voer, die elektriese veldsterkteverdeling by die isolasie-afbreek onder die gespesifiseerde 50 kV bepaalde korttydige nettoverdraaglike spanning te analiseer. Twee elektrostatische veldsimulasiegevalle is oorweeg:
Geval 1: Die busbaarkant (isolasie-vaste kontak-kant) is by lae potensiaal (0 V), en die lynkant (isolasiebladspitskant) is by hoë potensiaal (50 kV).
Geval 2: Die busbaarkant (isolasie-vaste kontak-kant) is by hoë potensiaal (50 kV), en die lynkant (isolasiebladspitskant) is by lae potensiaal (0 V).
Deur simulasie is die elektriese veldverdeling by die plek van maksimum elektriese veldsterkte vir beide gevalle verkry. Die elektriese veldsterkteverdeling by die isolasiebladspits onder Geval 1 word in Figuur 3 getoon, en die verdeling by die isolasievaste kontak onder Geval 2 word in Figuur 4 getoon. In Geval 1 kom die maksimum elektriese veldsterkte voor by die einde van die graadverskilskild, en bereik 7.07 kV/mm; in Geval 2 kom die maksimum voor by die afgeronde rand van die isolasievaste kontak, met 'n waarde van 4.90 kV/mm.
Die tipiese kritieke inslagveldsterkte vir lug is 3 kV/mm. Soos in Figure 3 en 4 getoon, terwyl die elektriese veldsterkte in die meeste areas van die isolasie-afbreek onder 3 kV/mm val - onvoldoende om inslag te veroorsaak - oorskry sommige lokale areas hierdie drempel, wat lei tot plaaslike ontlading. Wanneer lug van droog na vochtige toestande verander, verminder sy isolasievermoë [10], wat die kritieke eenvormige inslagveldsterkte onder 3 kV/mm bring. Verder verminder 'n hoogs nie-eenvormige elektriese veldverdeling die kritieke inslagsterkte van lug, wat die moontlikheid en risiko van inslag verhoog. Om die impak van eksterne omgewingsfaktore op die lug-isolatiemedium te verminder en veld-eenvormigheid te verbeter, evalueer hierdie studie die mate van elektriese veld-eenvormigheid en die verdraagspanningsvlak oor die isolasie-afbreek, as 'n basis om die isolasievermoë van die afbreek te verhoog.
3 Lugisolasiekenmerke
3.1 Bepaling van Elektriese Veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt
In praktyk bestaan 'n perfekte eenvormige elektriese veld nie; alle elektriese velde is inherente nie-eenvormig. Op grond van die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt f, word elektriese velde in twee tipes geklassifiseer: wanneer f ≤ 4, word die veld beskou as min nie-eenvormig; wanneer f > 4, word dit beskou as hoogs nie-eenvormig. Die nie-eenvormigheidskoëffisiënt f word gedefinieer as f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, waar Eₘₐₓ die maksimum plaaslike elektriese veldsterkte is, verkry uit die piekwaarde in die simulasieresultate, en Eₐᵥ die gemiddelde elektriese veldsterkte is, bereken as die toegepaste spanning verdeel deur die minimum elektriese afstand.
Vanuit Figuur 3, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm en Eₐᵥ = 0.5 kV/mm. Dus is die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt by die isolasie-afbreek f = 14.14 > 4, wat 'n hoogs nie-eenvormige elektriese veld aandui. In areas met hoogs nie-eenvormige velde kan stabiele plaaslike ontlading voorkom, en hoe hoër die mate van nie-eenvormigheid, hoe meer uitgesproke die plaaslike ontlading en hoe groter die ontladingsmaat. Vir 'n 12 kV ringhooftoestel word vereis dat die totale plaaslike ontladingshoeveelheid van die hele kabinet minder as 20 pC moet wees [5,11]. Dus help die verminder van die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt om die plaaslike ontladingsvlak te verlaag.
3.2 Bepaling van Lugverdraagspanning
Die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt beïnvloed die verdraagspanning van droë lug. Wanneer die veld min nie-eenvormig is, is die verdraagspanning:
waar U die verdraagspanning aandui; d die minimum elektriese afstand tussen elektrodes verteenwoordig; k 'n betroubaarheidsfaktor is, tipies tussen 1.2 en 1.5 op ervaring gebaseer; en E₀ verwys na die dielektriese inslagveldsterkte van die gas. In praktyk hang hierdie inslagveldsterkte af van die spesifieke konfigurasie van die twee elektrodes, en die luginslagsterkte varieer met verskillende elektrodestrukture en afstandsafstande. Ten einde vergelykende analise te doen, neem hierdie dokument E₀ = 3 kV/mm aan. Soos aangedui deur Vergelyking (1), kan die verhoog van die minimum elektriese afstand d en die verminder van die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt f albei die verdraagspanning van die lug-isolatiemedium verhoog.
Wanneer 'n hoogs nie-eenvormige elektriese veld behandel word, vir elektrodes met 'n minimum elektriese afstand binne die 100 mm reeks, word die verdraagspanning soos volg bereken:
In die formule stel U50%(d) die 50% inslagspanning van 'n elektrode onder 'n spesifieke elektriese afstand d tydens donderimpuls-toetse voor. In hoogs nie-eenvormige elektriese velde is daar beduidende dispersie in inslagspannings en langer ontladingsvertragings, wat die inslagspanning hoogst onstabiel maak. In praktiese ingenieurspraktyk word U50%(d) bepaal deur verskeie donderimpuls-toetse uit te voer en die toegepaste spanning te identifiseer waarby daar 'n 50% waarskynlikheid van inslag is. Hierdie waarde is nou verbind aan die produkstruktuur en die eenvormigheid van die elektriese veld. Dit is vastgestel dat 'n laer elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt lei tot minder dispersie in inslagspanning, hoër inslagspanning, en gevolglik hoër verdraagspanning. Dus is die verminder van die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt voordelig vir die verhoog van die verdraagspanning van die isolasie-afbreek.
4 Strukturele Optimalisering
Om die eenvormigheid van die elektriese veld rondom die isolasiebladspits te verbeter en die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt te verminder, is die struktuur van die graadverskilskild geoptimaliseer. Modelle van die graadverskilskild voor en ná optimalisering word in Figuur 5 getoon, terwyl doorsnedes in Figuur 6 verskaf word. Soos uit Figuur 6 duidelik is, het die geoptimaliseerde graadverskilskild 'n dikker einde met afgeronde hoeke, wat die hoekradius van 0.75 mm tot 4 mm verhoog. Hierdie verbetering verhoog die krommingradius, wat 'n meer eenvormige verdeling van die elektriese veld bevorder. Die elektriese veldsterkteverdeling rondom die geoptimaliseerde isolasiebladspits word in Figuur 7 getoon. Uit hierdie figuur is duidelik dat die maksimum elektriese veldsterkte verlaag is tot 3.66 kV/mm, ongeveer die helfte van sy oorspronklike waarde, wat 'n noemenswaardige verbetering aandui.
Volgens die genoemde formule f=Emax/Eav, is die nie-eenvormigheidskoëffisiënt van die elektriese veld ná optimalisering 7.32, wat ongeveer die helfte is van voor optimalisering.
Dit wys op 'n beduidende verbetering in die eenvormigheid van die elektriese veld rondom die isolasiebladspits, wat bewys dat die strukturele optimalisering effektief was. 'n Vergelyking van die data voor en ná die graadverskilskild-optimalisering word in Tabel 1 getoon. Soos uit Tabel 1 duidelik is, het die geoptimaliseerde graadverskilskildstruktuur werklik die risiko van inslagontlading tussen die isolasie-afbreek verlaag. Tog bly die elektriese veld tussen die isolasie-afbreek hoogs nie-eenvormig, wat beteken dat sy verdraagspanning steeds bepaal word deur U50%(d). Die mate van verbetering in verdraagspanning kan verder bevestig word deur terplekstoetse.
Hierdie vertaling handhaaf die tegniese details en konteks wat in die oorspronklike teks verskaf is, wat duidelikheid en akkuraatheid verseker vir 'n Engelsprekende gehoor.
5 Eksperimentele Verifikasie
Om die doeltreffendheid van die simulasieanalise te bevestig, is plaaslike ontladingstoetse uitgevoer op 'n 12 kV luggeïsoleerde ringhooftoestel. Drie prototipe eenhede (No. 1 tot No. 3) is voorberei. Plaaslike ontladingstoetse is eers uitgevoer met die oorspronklike (voor optimalisering) graadverskilskilde wat op die isolasieblade van al drie eenhede geïnstalleer is. Daarna is die geoptimaliseerde graadverskilskilde geïnstalleer, en die toetse herhaal. Die resulterende plaaslike ontladingsdata word in Tabel 2 aangebied.
Soos in die tabel getoon, het die plaaslike ontladingsvlakke voor optimalisering almal 20 pC oorgestyg, terwyl hulle ná optimalisering verlaag is tot onder 4.5 pC. Dit wys dat die geoptimaliseerde graadverskilskildstruktuur effektief die isolasievermoë van die ringhooftoestel verhoog en bevestig die geldigheid van die voorgaande simulasie en analise.
6 Gevolgtrekking
Op grond van die elektriese veldanalise van die isolasie-afbreek in 'n 12 kV luggeïsoleerde ringhooftoestel, word die volgende gevolgtrekkings gemaak:
Aangesien die isolasievermoë van lug minder is as dat van SF₆, is die verbetering van die elektriese veldverdeling noodsaaklik om die isolasievermoë te verhoog wanneer lug as die geïsoleerde medium in drie-posisieskakelaars van ringhooftoestelle gebruik word.
Gegewe die strukturele kompleksiteit van beweeglike komponente (isolasieblade) in drie-posisieskakelaars van luggeïsoleerde ringhooftoestelle, kan die elektriese veldsterkteverdeling by sekere plekke hoogs nie-eenvormig wees. Om hierdie nie-eenvormigheid te verminder, kan graadverskilskilde aan albei kante van die isolasieblad bygevoeg word om die hoë-veldareas naby die blad se verbindingsdele te skuil, en sodoende die plek van die piekveldsterkte na die einde van die graadverskilskilde te verskuif. In hierdie studie het die verhoging van die krommingradius by die skild se einde van 0.75 mm tot 4 mm sowel die maksimum plaaslike elektriese veldsterkte as die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt tot ongeveer die helfte van hul oorspronklike waardes verlaag, en die gewenste optimaliseringseffect bereik.
Die eenvormigheid van die elektriese veldverdeling, of die elektriese veldnie-eenvormigheidskoëffisiënt, beïnvloed plaaslike en inslagontlading aansienlik. Hoogs nie-eenvormige velde neig om stabiele plaaslike ontlading (korona-ontlading) te produseer. In beide min en hoogs nie-eenvormige velde lei 'n hoër nie-eenvormigheidskoëffisiënt tot 'n laer verdraagspanning tussen die elektrodes.
