Намаляване на рисковете от разрядване в 12 кВ въздушно изолирани RMU чрез използване на дизайн с градиентен щит

Тази статия взима за обект на изучаване основната изолационна разтворка на определен тип 12кВ въздушно-изолирано кръгово разпределително устройство (RMU), анализира разпределението и равномерността на електрическото поле около него, оценява изолационните свойства в това място и чрез оптимизация на конструкцията намалява риска от разрядване и подобрява изолационните характеристики, предоставяйки референция за изолационния дизайн на подобни продукти.

1 Конструкция на въздушно-изолираното кръгово разпределително устройство

Тримерният конструктивен модел на изследваното въздушно-изолирано RMU е показан на фигура 1. Основната верига използва конфигурация, комбинираща вакуумен ключ с трипозиционен ключ, при което трипозиционният ключ е разположен от страната на магистралната жица - т.е. трипозиционният ключ е разположен в горната част на RMU, докато вакуумният ключ е монтиран в долната част в твърдозатворена стойка. Тъй като вакуумният ключ е инкапсулиран в стойката, неговата външна повърхност е изолирана с епоксидна смола, която има значително по-добри изолационни свойства от въздуха, удовлетворявайки изолационните изисквания.

Освен това, свързващата магистрала в точката на затваряне на твърдозатворената стойка използва закръглени краища и дъговиден дизайн, комбинирани с изолация от силиконова гума, което ефективно намалява проблемите с локални разрядвания в тази зона. Изолационните разстояния между магистралите и до земята са проектирани в съответствие със съответните изолационни стандарти и удовлетворяват регулаторните изисквания.

Изолационната пластина на трипозиционния ключ разчита на въздуха като изолационна среда. Като подвижен свързващ компонент, неговата конструкция включва метални части, такива като булавки, пружини, дискови пружини и пръстени, за увеличаване на контактното налягане между изолационните контакти. Обаче, поради сложните форми на тези метални части, разпределението на електрическото поле може да стане много неравномерно, водейки до локални разрядвания и потенциални рискове от пробив, които неблагоприятно влияят върху изолационните свойства в това място.

Следователно, електрическият дизайн на тази конструкция е особено важен. Според изискванията за дизайн на продукта, изолационната разтворка трябва да издържа насилено краткосрочно напрежение при честота на 50кВ, с минимално проектирано електрическо разстояние от 100мм. Учитывайки сложната конструкция на изолационната пластина, добавят се защитни щитове от двете страни на пластината, за да се подобри равномерността на електрическото поле и да се намали локалното разрядване. Тримерният модел на трипозиционния ключ е показан на фигура 2. В тази статия се провежда симулация на електрическото поле за тази изолационна разтворка.

2 Симулационен анализ

Използван е софтуер за крайни елементи, за да се проведе симулация на електрическото поле върху кръговото разпределително устройство, анализирайки разпределението на напрежението на електрическото поле в изолационната разтворка при зададеното насилено краткосрочно напрежение от 50 кВ. Бяха разгледани два случая на симулация на електростатичното поле:

• Случай 1: Страничната жица (страната на фиксираните изолационни контакти) е на ниско напрежение (0 В), а линейната жица (страничната част на изолационната пластина) е на високо напрежение (50 кВ).

• Случай 2: Страничната жица (страната на фиксираните изолационни контакти) е на високо напрежение (50 кВ), а линейната жица (страничната част на изолационната пластина) е на ниско напрежение (0 В).

Чрез симулация беше получено разпределението на електрическото поле в местата с най-висока сила на електрическото поле в двата случая. Разпределението на напрежението на електрическото поле в страничната част на изолационната пластина при Случай 1 е показано на фигура 3, а разпределението във фиксираните изолационни контакти при Случай 2 е показано на фигура 4. При Случай 1, максималната сила на електрическото поле се наблюдава в края на защитния щит, достигайки 7,07 кВ/мм; при Случай 2, максималната сила се наблюдава в закръгления край на фиксираните изолационни контакти, със стойност 4,90 кВ/мм.

Типичната критична сила на пробив на въздуха е 3 кВ/мм. Както е показано на фигури 3 и 4, въпреки че силата на електрическото поле в повечето области на изолационната разтворка е под 3 кВ/мм - недостатъчно, за да причини пробив - в локализирани области тази граница е надмината, водейки до локални разрядвания. Когато въздухът се променя от сух до влажен, неговите изолационни свойства намаляват [10], понижавайки критичната равномерна сила на пробив под 3 кВ/мм. Освен това, силно неравномерното разпределение на електрическото поле допълнително намалява критичната сила на пробив на въздуха, увеличавайки вероятността и риска от пробив. За да се намали влиянието на външните фактори върху въздушната изолационна среда и да се подобри равномерността на полята, това проучване оценява степента на равномерността на електрическото поле и нивото на издръжливост на напрежението през изолационната разтворка, служейки като основа за подобряване на изолационните способности на разтворката.

3 Характеристики на въздушната изолация

3.1 Определяне на коефициента на неравномерност на електрическото поле

На практика, идеално равномерно електрическо поле не съществува; всички електрически полета са в本质上，您提供的内容是关于12kV空气绝缘环网柜（RMU）的隔离断口电场分布和均匀性分析的技术文档。以下是保加利亚语的翻译： ---

Този документ взима за обект на изучаване основната изолационна разтворка на определен тип 12кВ въздушно-изолирано кръгово разпределително устройство (RMU), анализира разпределението и равномерността на електрическото поле около нея, оценява изолационните свойства на това място и чрез оптимизация на конструкцията намалява риска от разрядване, а също и подобрява изолационните характеристики, като предоставя референция за изолационния дизайн на подобни продукти.

1 Конструкция на въздушно-изолираното кръгово разпределително устройство

Тримерният конструктивен модел на изследваното въздушно-изолирано RMU е показан на фигура 1. Основната верига използва конфигурация, комбинираща вакуумен ключ с трипозиционен ключ, при което трипозиционният ключ е разположен от страната на магистралната жица — т.е. трипозиционният ключ е разположен в горната част на RMU, докато вакуумният ключ е монтиран в долната част в твърдозатворена стойка. Тъй като вакуумният ключ е инкапсулиран в стойката, неговата външна повърхност е изолирана с епоксидна смола, която има значително по-добри изолационни свойства от въздуха, удовлетворявайки изолационните изисквания.

Освен това, свързващата магистрала в точката на затваряне на твърдозатворената стойка използва закръглени краища и дъговиден дизайн, комбинирани с изолация от силиконова гума, което ефективно намалява проблемите с локални разрядвания в тази зона. Изолационните разстояния между магистралите и до земята са проектирани в съответствие със съответните изолационни стандарти и удовлетворяват регулаторните изисквания.

Изолационната пластина на трипозиционния ключ разчита на въздуха като изолационна среда. Като подвижен свързващ компонент, неговата конструкция включва метални части, такива като булавки, пружини, дискови пружини и пръстени, за увеличаване на контактното налягане между изолационните контакти. Обаче, поради сложните форми на тези метални части, разпределението на електрическото поле може да стане много неравномерно, водейки до локални разрядвания и потенциални рискове от пробив, които неблагоприятно влияят върху изолационните свойства в това място.

Следователно, електрическият дизайн на тази конструкция е особено важен. Според изискванията за дизайн на продукта, изолационната разтворка трябва да издържа насилено краткосрочно напрежение при честота на 50кВ, с минимално проектирано електрическо разстояние от 100мм. Учитывайки сложната конструкция на изолационната пластина, добавят се защитни щитове от двете страни на пластината, за да се подобри равномерността на електрическото поле и да се намали локалното разрядване. Тримерният модел на трипозиционния ключ е показан на фигура 2. В тази статия се провежда симулация на електрическото поле за тази изолационна разтворка.

2 Симулационен анализ

Използван е софтуер за крайни елементи, за да се проведе симулация на електрическото поле върху кръговото разпределително устройство, анализирайки разпределението на напрежението на електрическото поле в изолационната разтворка при зададеното насилено краткосрочно напрежение от 50 кВ. Бяха разгледани два случая на симулация на електростатичното поле:

• Случай 1: Страничната жица (страната на фиксираните изолационни контакти) е на ниско напрежение (0 В), а линейната жица (страничната част на изолационната пластина) е на високо напрежение (50 кВ).

• Случай 2: Страничната жица (страната на фиксираните изолационни контакти) е на високо напрежение (50 кВ), а линейната жица (страничната част на изолационната пластина) е на ниско напрежение (0 В).

Чрез симулация беше получено разпределението на електрическото поле в местата с най-висока сила на електрическото поле в двата случая. Разпределението на напрежението на електрическото поле в страничната част на изолационната пластина при Случай 1 е показано на фигура 3, а разпределението във фиксираните изолационни контакти при Случай 2 е показано на фигура 4. При Случай 1, максималната сила на електрическото поле се наблюдава в края на защитния щит, достигайки 7,07 кВ/мм; при Случай 2, максималната сила се наблюдава в закръгления край на фиксираните изолационни контакти, със стойност 4,90 кВ/мм.

Типичната критична сила на пробив на въздуха е 3 кВ/мм. Както е показано на фигури 3 и 4, въпреки че силата на електрическото поле в повечето области на изолационната разтворка е под 3 кВ/мм — недостатъчно, за да причини пробив — в локализирани области тази граница е надмината, водейки до локални разрядвания. Когато въздухът се променя от сух до влажен, неговите изолационни свойства намаляват [10], понижавайки критичната равномерна сила на пробив под 3 кВ/мм. Освен това, силно неравномерното разпределение на електрическото поле допълнително намалява критичната сила на пробив на въздуха, увеличавайки вероятността и риска от пробив. За да се намали влиянието на външните фактори върху въздушната изолационна среда и да се подобри равномерността на полята, това проучване оценява степента на равномерността на електрическото поле и нивото на издръжливост на напрежението през изолационната разтворка, служейки като основа за подобряване на изолационните способности на разтворката.

3 Характеристики на въздушната изолация

3.1 Определяне на коефициента на неравномерност на електрическото поле

На практика, идеално равномерно електрическо поле не съществува; всички електрически полета са в известна степен неравномерни. На основата на коефициента на неравномерност на електрическото поле f, електрическите полета се класифицират в два типа: когато f ≤ 4, полето се счита за леко неравномерно; когато f > 4, то се счита за силно неравномерно. Коефициентът на неравномерност f се дефинира като f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, където Eₘₐₓ е максималната локална сила на електрическото поле, получена от пиковата стойност в резултатите от симулацията, а Eₐᵥ е средната сила на електрическото поле, изчислена като приложено напрежение, делено на минималното електрическо разстояние.

От фигура 3, Eₘₐₓ = 7,07 кВ/мм и Eₐᵥ = 0,5 кВ/мм. Следователно, коефициентът на неравномерност на електрическото поле в изолационната разтворка е f = 14,14 > 4, което показва, че полето е силно неравномерно. В областите с силно неравномерни полета, могат да се появи устойчиви локални разрядвания, и колкото по-голяма е степента на неравномерност, толкова по-изразени са локалните разрядвания и по-голяма е величината на разрядването. За 12 кВ кръгово разпределително устройство, общата величина на локалните разрядвания в целия кабинет трябва да е по-малка от 20 пК [5,11]. Ето защо, намаляването на коефициента на неравномерност на електрическото поле помага за намаляване на нивото на локалните разрядвания.

3.2 Определяне на издръжливостта на въздуха

Коефициентът на неравномерност на електрическото поле влияе върху издръжливостта на сухия въздух. Когато полето е леко неравномерно, издръжливостта е:

където U означава издръжливостта; d представлява минималното електрическо разстояние между електродите; k е фактор за надеждност, обикновено в интервала от 1,2 до 1,5, базиран на опит; и E₀ се отнася до диелектричната пробивна сила на газа. На практика, тази пробивна сила зависи от конкретната конфигурация на двата електрода, и пробивната сила на въздуха варира с различни електродни структури и разстояния. За целите на сравнителен анализ, в тази статия се приема, че E₀ = 3 кВ/мм. Както е указано в уравнение (1), увеличаването на минималното електрическо разстояние d и намаляването на коефициента на неравномерност на електрическото поле f могат да подобрят издръжливостта на въздушната изолационна среда.

При работа с силно неравномерно електрическо поле, за електроди с минимално електрическо разстояние в рамките на 100 мм, издръжливостта се изчислява както следва:

В формулата, U50%(d) представлява 50% пробивното напреж