12 kV hava diyaqan RMU-larda qidalanma risklərini azaltmaq üçün qradient qoruyucu dizaynının istifadəsi

Dyson

Alan: Elektrik Standartları

China

Bu makale, 12kV hava ile izole edilmiş döngü anahtarı biriminde (RMU) belirli bir tip birincil yalıtım kesmesini araştırma nesnesi olarak alır, etrafındaki elektrik alan dağılımını ve eşitliğini analiz eder, bu konumdaki yalıtım performansını değerlendirir ve yapısal iyileştirme yoluyla yayılma riskini azaltarak yalıtım performansını artırır, böylece benzer ürünlerin yalıtım tasarımına referans sağlar.

1 Hava İle İzole Edilmiş Döngü Anahtarı Biriminin Yapısı

Bu makalede incelenen hava ile izole edilmiş RMU'nun üç boyutlu yapısal modeli Şekil 1'de gösterilmiştir. Ana devre, vakum anahtarı ile üç pozisyonlu anahtarı birleştirerek yapılandırılmıştır, üç pozisyonlu anahtar busbar tarafında yerleştirilmiştir - yani, üç pozisyonlu anahtar RMU'nun üst kısmında, vakum anahtarı ise katı kapalı pol kavramında alt kısımda monte edilmiştir. Vakum anahtarı pol içinde kapsüllendiği için dış kısmı epoksi reçine ile izole edilmiştir, bu da hava ile kıyaslandığında çok daha iyi yalıtım özelliklerine sahiptir, bu şekilde yalıtım gereksinimleri karşılanır.

Ayrıca, katı kapalı polun sıkıştırma noktasındaki bağlantı busbarı, keskin kenarların yumuşatılması ve yay şeklinde tasarlanması, silikon lastik ile sıkıştırma kombinasyonu ile bu bölgedeki kısmi yayılmanın etkili bir şekilde azaltılmasını sağlar. Busbarlar arasındaki ve toprağa olan yalıtım açıklıkları ilgili yalıtım standartlarına göre tasarlanmıştır ve düzenleyici gereksinimleri karşılamaktadır.

Üç pozisyonlu anahtardaki yalıtım bıçağı, havayı yalıtım ortamı olarak kullanır. Hareketli bir bağlantı bileşeni olarak, yapısı, yalıtım temas noktaları arasındaki temas basıncını artırmak için pin, yay, disk yay ve halka gibi metal parçalar içerir. Ancak, bu metal parçaların karmaşık şekilleri nedeniyle elektrik alan dağılımı oldukça eşitsiz olabilir, bu da kısmi yayılmaya ve potansiyel bozulma risklerine yol açarak bu konumdaki yalıtım performansını olumsuz etkileyebilir.

Bu nedenle, bu yapının elektriksel tasarımı özellikle önemlidir. Ürün tasarım gereksinimlerine göre, yalıtım kesişimi 50kV nominal kısa süreli güç frekans dayanım voltajına dayanmalıdır, minimum tasarlanmış elektriksel açıklık 100mm olmalıdır. Yalıtım bıçağının karmaşık yapısından dolayı, bıçağın her iki tarafına derecelendirme ekranları eklenerek elektrik alanının eşitliği artırılır ve kısmi yayılım azaltılır. Üç pozisyonlu anahtara ait üç boyutlu model Şekil 2'de gösterilmiştir. Bu makale, bu yalıtım kesişiminde elektrik alan simülasyon analizi yapmaktadır.

2 Simülasyon Analizi

Sonlu eleman yazılımı, döngü anahtarı biriminde elektrik alan simülasyonu gerçekleştirerek, belirlenen 50 kV nominal kısa süreli güç frekans dayanım voltajı altında yalıtım kesişimindeki elektrik alan dağılımını analiz etmektedir. İki elektrostatik alan simülasyon durumu göz önünde bulundurulmuştur:

Durum 1: Busbar tarafı (yalıtım sabit temas noktası tarafı) düşük potansiyelde (0 V), hat tarafı (yalıtım bıçağın ucu tarafı) yüksek potansiyelde (50 kV).
Durum 2: Busbar tarafı (yalıtım sabit temas noktası tarafı) yüksek potansiyelde (50 kV), hat tarafı (yalıtım bıçağın ucu tarafı) düşük potansiyelde (0 V).

Her iki durumda da maksimum elektrik alan gücü olan yerde elektrik alan dağılımı simülasyon yoluyla elde edilmiştir. Durum 1'de, yalıtım bıçağın ucundaki elektrik alan dağılımı Şekil 3'te, Durum 2'de ise yalıtım sabit temas noktasındaki dağılım Şekil 4'te gösterilmiştir. Durum 1'de, derecelendirme ekranının ucunda maksimum elektrik alan gücü 7.07 kV/mm'ye ulaşır; Durum 2'de ise yalıtım sabit temas noktasının yumuşatılmış kenarında maksimum değeri 4.90 kV/mm'dir.

Havanın tipik kritik bozulma elektrik alanı gücü 3 kV/mm'dir. Şekil 3 ve 4'te gösterildiği gibi, yalıtım kesişimindeki çoğu alandaki elektrik alan gücü 3 kV/mm'nin altında olup, bozulmaya yetmezken, lokal bölgeler bu eşiği aşarak kısmi yayılmasına neden olur. Hava kurudan nemli koşullara geçtiğinde, izolasyon kabiliyeti azalır [10], bu da kritik düzgün bozulma alan gücünü 3 kV/mm'nin altına düşürür. Ayrıca, oldukça eşitsiz elektrik alan dağılımı havanın kritik bozulma gücünü daha da azaltarak, bozulma olasılığını ve riskini artırır. Dış çevre faktörlerinin hava izolasyon ortamına etkisini azaltmak ve alanın eşitliğini artırmak için, bu çalışma yalıtım kesişimindeki elektrik alanın eşitlik derecesini ve dayanım voltaj seviyesini değerlendirir, bu da kesişimdeki yalıtım kabiliyetini artırmak için temel oluşturur.

3 Hava Izolasyon Özellikleri

3.1 Elektrik Alan Eşitsizlik Katsayısının Belirlenmesi

Pratikte, tamamen eşit bir elektrik alan bulunmaz; tüm elektrik alanlar doğal olarak eşitsizdir. Elektrik alan eşitsizlik katsayısı f 'ye bağlı olarak, elektrik alanlar ikiye ayrılır: f ≤ 4 olduğunda, alan hafifçe eşitsiz kabul edilir; f > 4 olduğunda, alan oldukça eşitsiz kabul edilir. Eşitsizlik katsayısı f, f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ olarak tanımlanır, burada Eₘₐₓ maksimum yerel elektrik alan gücüdür, simülasyon sonuçlarındaki zirve değerinden elde edilir, ve Eₐᵥ ortalama elektrik alan gücüdür, uygulanan gerilimin minimum elektrik açıklığına bölünmesiyle hesaplanır.

Şekil 3'ten, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm ve Eₐᵥ = 0.5 kV/mm. Bu nedenle, yalıtım kesişimindeki elektrik alan eşitsizlik katsayısı f = 14.14 > 4, bu oldukça eşitsiz bir elektrik alan olduğunu gösterir. Çok eşitsiz alanlarda, istikrarlı kısmi yayılma meydana gelebilir ve eşitsizlik derecesi ne kadar yüksekse, kısmi yayılmanın büyüklüğü o kadar belirgin olur. 12 kV döngü anahtarı birimi için, dolabın toplam kısmi yayılım miktarının 20 pC'den küçük olması gerekir [5,11]. Bu nedenle, elektrik alan eşitsizlik katsayısını azaltmak, kısmi yayılım düzeyini azaltmaya yardımcı olur.

3.2 Havada Dayanım Geriliminin Belirlenmesi

Elektrik alan eşitsizlik katsayısı, kuru havanın dayanım gerilimini etkiler. Alan hafifçe eşitsiz olduğunda, dayanım gerilimi şu şekilde hesaplanır:

burada U, dayanım gerilimi; d, elektrotlar arasındaki minimum elektrik açıklığı; k, genellikle deneyime dayalı olarak 1.2 ile 1.5 arasında değişen güvenilirlik faktörü; ve E₀, gazın dielektrik bozulma elektrik alanıdır. Pratikte, bu bozulma alan gücü, iki elektrotun belirli konfigürasyonuna bağlıdır ve hava bozulma gücü farklı elektrot yapıları ve açıklık mesafeleriyle değişir. Karşılaştırmalı analiz amacıyla, bu makalede E₀ = 3 kV/mm olarak kabul edilmiştir. Denklem (1)'den, minimum elektrik açıklığını d artırarak ve elektrik alan eşitsizlik katsayısını f azaltarak, hava izolasyon ortamının dayanım gerilimini artırabileceğini görebiliriz.

Çok eşitsiz bir elektrik alanla çalışırken, 100 mm aralığında minimum elektrik açıklığı olan elektrotlar için dayanım gerilimi şu şekilde hesaplanır:

Formülde, U50%(d), belirli bir elektrik açıklığı d altında yıldırım darbe testlerinde elektrotun %50 bozulma gerilimidir. Çok eşitsiz elektrik alanlarda, bozulma gerilimlerinde önemli bir dağılım ve daha uzun yayılma gecikmeleri vardır, bu da bozulma gerilimini oldukça kararsız hale getirir. Pratik mühendislik uygulamalarında, U50%(d), birçok yıldırım darbe testi gerçekleştirilerek ve %50 bozulma olasılığına karşılık gelen uygulanan gerilim belirlenerek hesaplanır. Bu değer, ürünün yapısı ve elektrik alanın eşitliğiyle yakından ilişkilidir. Düşük bir elektrik alan eşitsizlik katsayısı, bozulma geriliminde daha az dağılıma, daha yüksek bozulma gerilimine ve dolayısıyla daha yüksek dayanım gerilimine yol açar. Bu nedenle, elektrik alan eşitsizlik katsayısını azaltmak, yalıtım kesişimindeki dayanım gerilimini artırmak için faydalıdır.

4 Yapısal Optimizasyon

Yalıtım bıçağın ucundaki elektrik alanın eşitliğini artırmak ve elektrik alan eşitsizlik katsayısını azaltmak için, derecelendirme ekranı yapısının optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon öncesi ve sonrası derecelendirme ekranlarının modelleri Şekil 5'te, kesit görüntüleri ise Şekil 6'da gösterilmiştir. Şekil 6'dan görülebileceği gibi, optimizasyon öncesi tasarım ile karşılaştırıldığında, optimizeli derecelendirme ekranı, köşeleri yuvarlatılmış ve daha kalın bir uç ile donatılmıştır, köşe yarıçapı 0.75 mm'den 4 mm'ye çıkarılmıştır. Bu geliştirme, eğrilik yarıçapını artırarak, elektrik alan dağılımının daha eşit olmasını sağlar. Optimizeli yalıtım bıçağın ucundaki elektrik alan dağılımı Şekil 7'de gösterilmiştir. Bu şekilden, maksimum elektrik alan gücü 3.66 kV/mm'ye düşürülmüş, orijinal değerinin yaklaşık yarısı olduğu, bu da belirgin bir iyileşme olduğunu gösterir.

Yukarıda belirtilen formül $f = E_{ma x} / E_{a v}$ ile, optimizasyon sonrası elektrik alan eşitsizlik katsayısı 7.32'dir, bu, optimizasyon öncesi değerine kıyasla yaklaşık yarıya düşmüştür.

Bu, yalıtım bıçağın ucundaki elektrik alanın eşitliğinin belirgin bir şekilde iyileştirdiğini gösterir, bu da yapısal optimizasyonun etkili olduğunu kanıtlar. Derecelendirme ekranının optimizasyon öncesi ve sonrası verilerin karşılaştırması Tablo 1'de gösterilmiştir. Tablo 1'den görülebileceği gibi, optimizeli derecelendirme ekranı yapısı, yalıtım kesişimleri arasındaki bozulma yayılmasının riskini gerçekten azaltmaktadır. Ancak, yalıtım kesişimleri arasındaki elektrik alan hala oldukça eşitsiz olup, dayanım gerilimi hala $U_{50%} (d)$ tarafından belirlenmektedir. Dayanım geriliminin iyileşme derecesi, saha testleri ile daha fazla doğrulanabilir.

5 Deneysel Doğrulama

Simülasyon analizin etkinliğini doğrulamak için, 12 kV hava ile izole edilmiş döngü anahtarı biriminde kısmi yayılım testleri gerçekleştirilmiştir. Üç prototip birim (No. 1 ila No. 3) hazırlanmıştır. Öncelikle, tüm üç birimdeki yalıtım bıçağın üzerine orijinal (optimizasyon öncesi) derecelendirme ekranları takıldı ve kısmi yayılım testleri gerçekleştirildi. Ardından, optimizeli derecelendirme ekranları takıldı ve testler tekrarlandı. Elde edilen kısmi yayılım verileri Tablo 2'de sunulmuştur.

Tablodan görülebileceği gibi, optimizasyon öncesi kısmi yayılım seviyeleri hepsi 20 pC'yi aşarken, optimizasyon sonrası seviyeler 4.5 pC'nin altına indirildi. Bu, optimizeli derecelendirme ekranı yapısının döngü anahtarı birimindeki yalıtım performansını etkili bir şekilde artırdığını ve önceki simülasyon ve analizlerin geçerliliğini doğrular.

6 Sonuç

12 kV hava ile izole edilmiş döngü anahtarı birimindeki yalıtım kesişimindeki elektrik alan analizi temel alınarak, aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:

Havanın yalıtım kabiliyeti SF₆'ya kıyasla daha düşük olduğu için, hava döngü anahtarı birimlerindeki üç pozisyonlu anahtarlarda insülatör olarak kullanıldığında, elektrik alan dağılımını iyileştirmek, yalıtım performansını artırmak için önemlidir.
Hava ile izole edilmiş döngü anahtarı birimlerindeki üç pozisyonlu anahtarlardaki hareketli bileşenlerin (yalıtım bıçakları) yapısal karmaşıklığı nedeniyle, bazı bölgelerde elektrik alan dağılımı oldukça eşitsiz olabilir. Bu eşitsizliği azaltmak için, yalıtım bıçağın her iki tarafına derecelendirme ekranları ekleyerek, bıçağın bağlanma parçalarına yakın yüksek alan bölgelerini koruyabilir, böylece zirve alan gücü derecelendirme ekranlarının uçlarına kaydırılabilir. Bu çalışmada, ekranın ucundaki eğrilik yarıçapı 0.75 mm'den 4 mm'ye çıkarılarak, maksimum yerel elektrik alan gücü ve elektrik alan eşitsizlik katsayısı orijinal değerlerinin yaklaşık yarısına indirilerek, istenen optimizasyon etkisi elde edilmiştir.
Elektrik alan dağılımının eşitliği veya elektrik alan eşitsizlik katsayısı, kısmi ve bozulma yayılımını önemli ölçüde etkiler. Çok eşitsiz alanlar, istikrarlı kısmi yayılım (kora yayılım) üretmeye eğilimlidir. Hem hafifçe hem de çok eşitsiz alanlarda, daha yüksek bir eşitsizlik katsayısı, elektrotlar arasındaki dayanım gerilimini daha düşük tutar.