Mitigació dels riscos de descàrrega en RMUs d'12 kV aïllades per aire mitjançant el disseny d'un escut de graduació
Aquest article pren com a objecte d'estudi la principal interrupció d'isolament d'un cert tipus d'unitat de distribució de corrent (RMU) aïllada per aire de 12kV, analitzant la distribució i uniformitat del camp elèctric al seu voltant, avaluant el rendiment d'aislament en aquesta ubicació, i reduint el risc de descàrrega mentre s'enmillora el rendiment d'aislament mitjançant l'optimització estructural, proporcionant així una referència per al disseny d'aislament de productes similars.
1 Estructura de l'Unitat de Distribució Aïllada per Aire
El model estructural tridimensional de la RMU aïllada per aire estudiada en aquest article es mostra a la Figura 1. El circuit principal adopta una configuració que combina un interruptor de buit amb un interruptor de tres posicions, disposat amb l'interruptor de tres posicions al costat de la barra de bus—és a dir, l'interruptor de tres posicions està situat a la part superior de la RMU, mentre que l'interruptor de buit està muntat a la part inferior en una estructura de polsòlid hermètic. Com que l'interruptor de buit està encapsulat dins del pol, el seu exterior està aïllat amb resina epoxi, que té significativament millors propietats d'aislament que l'aire, així doncs, compleix els requisits d'aislament.
Addicionalment, la barra de connexió al punt de sellatge del polsòlid hermètic utilitza arestes arrodonides i un disseny en forma d'arc, combinat amb el sellatge de caucho de sílicona, que mitiga eficientment els problemes de descàrregues parcials en aquesta àrea. Les separacions d'aislament entre les barres de bus i amb terra estan dissenyades segons les normes d'aislament rellevants i compleixen els requisits reglamentaris.
La llastra d'isolament de l'interruptor de tres posicions depèn de l'aire com a medi aïllant. Com a component connectiu mòbil, la seva estructura inclou parts metàl·liques com claus, molles, discos de molla i anells per augmentar la pressió de contacte entre els contactes d'isolament. Tanmateix, degut a les formes complexes d'aquestes parts metàl·liques, la distribució del camp elèctric pot tornar-se altament no uniforme, conduint a descàrregues parcials i riscos de trencament, que afecten negativament el rendiment d'aislament en aquesta ubicació.
Per tant, el disseny elèctric d'aquesta estructura és particularment crític. Segons els requisits de disseny del producte, l'interrupció d'isolament ha de resistir una tensió de suport de freqüència industrial de curt termini nominal de 50kV, amb un desglesi elèctric mínim dissenyat de 100mm. Atès la complexitat de l'estructura de la llastra d'isolament, s'afegeixen escuts de graduació als dos costats de la llastra per millorar la uniformitat del camp elèctric i reduir les descàrregues parcials. El model tridimensional de l'interruptor de tres posicions es mostra a la Figura 2. Aquest article realitza una anàlisi de simulació del camp elèctric a aquesta interrupció d'aislament.
2 Anàlisi de Simulació
S'utilitzà programari d'elements finits per realitzar una simulació del camp elèctric a l'unitat de distribució, analitzant la distribució de la intensitat del camp elèctric a l'interrupció d'aislament sota la tensió de suport de freqüència industrial de curt termini especificada de 50 kV. Es van considerar dos casos de simulació de camp electroestàtic:
Cas 1: El costat de la barra de bus (costat del contacte fix d'aislament) està a baixa potencial (0 V), i el costat de la línia (costat de la punta de la llastra d'aislament) està a alt potencial (50 kV).
Cas 2: El costat de la barra de bus (costat del contacte fix d'aislament) està a alt potencial (50 kV), i el costat de la línia (costat de la punta de la llastra d'aislament) està a baixa potencial (0 V).
La distribució del camp elèctric a la ubicació de la màxima intensitat del camp elèctric per als dos casos va ser obtinguda mitjançant simulació. La distribució de la intensitat del camp elèctric a la punta de la llastra d'aislament en el Cas 1 es mostra a la Figura 3, i la distribució al contacte fix d'aislament en el Cas 2 es mostra a la Figura 4. En el Cas 1, la màxima intensitat del camp elèctric ocorre al final de l'escut de graduació, assolint 7,07 kV/mm; en el Cas 2, la màxima ocorre a l'aresta arrodonida del contacte fix d'aislament, amb un valor de 4,90 kV/mm.
La intensitat típica crítica de trencament del camp elèctric per a l'aire és 3 kV/mm. Com es mostra a les Figures 3 i 4, tot i que la intensitat del camp elèctric en la majoria de les àrees de l'interrupció d'aislament és inferior a 3 kV/mm—insuficient per causar un trencament—algunes regions localitzades superen aquest llindar, provocant descàrregues parcials. Quan l'aire passa de sec a humit, la seva capacitat d'aislament disminueix [10], rebaixant la intensitat crítica de trencament uniforme del camp elèctric per sota de 3 kV/mm. A més, una distribució del camp elèctric altament no uniforme redueix encara més la intensitat crítica de trencament de l'aire, augmentant la probabilitat i el risc de trencament. Per mitigar l'impacte dels factors ambientals externs en el medi aïllant d'aire i millorar la uniformitat del camp, aquest estudi avaluua el grau de uniformitat del camp elèctric i el nivell de tensió de suport a través de l'interrupció d'aislament, servint com a base per millorar la capacitat d'aislament de l'interrupció.
3 Característiques d'Aïllament per Aire
3.1 Determinació del Coeficient de No Uniformitat del Camp Elèctric
En la pràctica, no existeix un camp elèctric perfectament uniforme; tots els camps elèctrics són inherentment no uniformes. Basant-se en el coeficient de no uniformitat del camp elèctric f, els camps elèctrics es classifiquen en dos tipus: quan f ≤ 4, el camp es considera lleugerament no uniforme; quan f > 4, es considera altament no uniforme. El coeficient de no uniformitat f es defineix com f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, on Eₘₐₓ és la màxima intensitat local del camp elèctric, obtinguda a partir del valor màxim en els resultats de simulació, i Eₐᵥ és la intensitat mitjana del camp elèctric, calculada com la tensió aplicada dividida pel desglesi elèctric mínim.
De la Figura 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm i Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Per tant, el coeficient de no uniformitat del camp elèctric a l'interrupció d'aislament és f = 14,14 > 4, indicant un camp elèctric altament no uniforme. En regions amb camps altament no uniformes, poden ocórrer descàrregues parcials estables, i més elevat sigui el grau de no uniformitat, més pronunciades seran les descàrregues parcials i més gran serà la magnitud de la descàrrega. Per a una unitat de distribució de 12 kV, es requereix que la quantitat total de descàrregues parcials de tot l'armari sigui inferior a 20 pC [5,11]. Per tant, reduir el coeficient de no uniformitat del camp elèctric ajuda a disminuir el nivell de descàrregues parcials.
3.2 Determinació de la Tensió de Suport de l'Aire
El coeficient de no uniformitat del camp elèctric afecta la tensió de suport de l'aire sec. Quan el camp és lleugerament no uniforme, la tensió de suport és:
on U denota la tensió de suport; d representa el desglesi elèctric mínim entre els electrodos; k és un factor de fiabilitat, que normalment oscil·la entre 1,2 i 1,5 basant-se en l'experiència; i E₀ fa referència a la intensitat de trencament dielèctric del gas. En la pràctica, aquesta intensitat de trencament depèn de la configuració específica dels dos electrodos, i la resistència a la ruptura de l'aire varia amb diferents estructures d'electrodos i distàncies de desglesi. Per a propòsits d'anàlisi comparativa, aquest article assumeix E₀ = 3 kV/mm. Com indica l'Equació (1), augmentar el desglesi elèctric mínim d i reduir el coeficient de no uniformitat del camp elèctric f pot millorar la tensió de suport del medi aïllant d'aire.
Quan es tracta d'un camp elèctric altament no uniforme, per a electrodos amb un desglesi elèctric mínim dins de l'interval de 100 mm, la tensió de suport es calcula de la següent manera:
En la fórmula, U50%(d) representa la tensió de trencament del 50% d'un electrodo sota un desglesi elèctric específic d durant proves d'impuls de raig. En camps elèctrics altament no uniformes, hi ha una dispersió significativa en les tensions de trencament i temps de retard de descàrrega més llargs, fent que la tensió de trencament sigui molt inestable. En aplicacions d'enginyeria pràctica, U50%(d) s'obté realitzant diverses proves d'impuls de raig i identificant la tensió aplicada a la qual hi ha una probabilitat del 50% de trencament. Aquest valor està estretament relacionat amb la estructura del producte i la uniformitat del camp elèctric. Es constata que un coeficient de no uniformitat del camp elèctric més baix resulta en menys dispersió en la tensió de trencament, una tensió de trencament més alta, i, per tant, una tensió de suport més elevada. Per tant, reduir el coeficient de no uniformitat del camp elèctric és beneficiós per millorar la tensió de suport de l'interrupció d'aislament.
4 Optimització Estructural
Per millorar la uniformitat del camp elèctric al voltant de la punta de la llastra d'aislament i reduir el coeficient de no uniformitat del camp elèctric, s'ha dut a terme una optimització de l'estructura de l'escut de graduació. Models de l'escut de graduació abans i després de l'optimització es mostren a la Figura 5, mentre que les vistes en tall transversal es proporcionen a la Figura 6. Com es pot veure a la Figura 6, en comparació amb el disseny pre-optimització, l'escut de graduació optimitzat presenta un extrem més gruixut amb cantonades arrodonides, augmentant el radi de curvatura de 0,75 mm a 4 mm. Aquesta millora augmenta el radi de curvatura, promovent una distribució més uniforme del camp elèctric. La distribució de la intensitat del camp elèctric al voltant de la punta de la llastra d'aislament optimitzada es mostra a la Figura 7. A partir d'aquesta figura, es pot observar que la màxima intensitat del camp elèctric s'ha reduït a 3,66 kV/mm, aproximadament la meitat del seu valor original, indicant una millora notable.
Segons la fórmula mencionada f=Emax/Eav, el coeficient de no uniformitat del camp elèctric després de l'optimització és 7,32, que és aproximadament la meitat en comparació amb abans de l'optimització.
Això indica una millora significativa en la uniformitat del camp elèctric al voltant de la punta de la llastra d'aislament, demostrant que l'optimització estructural va ser efectiva. Una comparació de les dades abans i després de l'optimització de l'escut de graduació es mostra a la Taula 1. Com es pot veure a la Taula 1, l'estructura de l'escut de graduació optimitzada reduïx efectivament el risc de descàrregues de trencament entre les interrupcions d'aislament. Tanmateix, el camp elèctric entre les interrupcions d'aislament continua sent altament no uniforme, el que significa que la tensió de suport encara es determina per U50%(d). L'extensió de la millora en la tensió de suport es pot confirmar més endavant mitjançant proves a terreny.
Aquesta traducció manté els detalls tècnics i el context proporcionats en el text original, assegurant claredat i precisió per a un públic anglès.
5 Verificació Experimental
Per validar l'eficàcia de l'anàlisi de simulació, es van realitzar proves de descàrregues parcials en una unitat de distribució aïllada per aire de 12 kV. Es van preparar tres prototips (Nº 1 a Nº 3). Es van realitzar primer les proves de descàrregues parcials amb els escuts de graduació originals (pre-optimització) instal·lats a les llastres d'aislament de tots tres prototips. Posteriorment, es van instal·lar els escuts de graduació optimitzats, i es van repetir les proves. Les dades de descàrregues parcials resultants es presenten a la Taula 2.
Com es mostra a la taula, els nivells de descàrregues parcials abans de l'optimització superaven tots els 20 pC, mentre que després de l'optimització es van reduir a menys de 4,5 pC. Això indica que l'estructura de l'escut de graduació optimitzada millora efectivament el rendiment d'aislament de l'unitat de distribució i confirma la validesa de la simulació i anàlisi precedents.
6 Conclusió
Basant-se en l'anàlisi del camp elèctric de l'interrupció d'aislament en una unitat de distribució aïllada per aire de 12 kV, es trauen les conclusions següents:
Atès que la capacitat d'aislament de l'aire és inferior a la de SF₆, millorar la distribució del camp elèctric és essencial per millorar el rendiment d'aislament quan s'utilitza l'aire com a medi aïllant en els interruptors de tres posicions de les unitats de distribució.
Degut a la complexitat estructural dels components mòbils (llastres d'aislament) en els interruptors de tres posicions de les unitats de distribució aïllades per aire, la distribució de la intensitat del camp elèctric en certes ubicacions pot tornar-se altament no uniforme. Per reduir aquesta no uniformitat, es poden afegir escuts de graduació als dos costats de la llastra d'aislament per protegir les regions de camp elevat properes a les parts de connexió de la llastra, desplaçant així la ubicació de la màxima intensitat del camp elèctric cap als extrems dels escuts de graduació. En aquest estudi, augmentar el radi de curvatura a l'extrem de l'escut de 0,75 mm a 4 mm va reduir tant la màxima intensitat local del camp elèctric com el coeficient de no uniformitat del camp elèctric a aproximadament la meitat dels seus valors originals, aconseguint així l'efecte d'optimització desitjat.
La uniformitat de la distribució del camp elèctric, o el coeficient de no uniformitat del camp elèctric, influeix significativament en les descàrregues parcials i de trencament. Els camps altament no uniformes tendeixen a produir descàrregues parcials estables (descàrregues de corona). Tant en camps lleugerament com altament no uniformes, un coeficient de no uniformitat més elevat resulta en una tensió de suport més baixa entre els electrodos.
