Snížení rizik vybíjení v 12 kV vzduchem izolovaných rozvodných skříních pomocí konstrukce s rozměrovým štítem

Tento článek se zabývá primárním izolačním rozestupem určitého typu vzduchem izolovaného okruhového přepážkového bloku (RMU) s napětím 12 kV. Analyzuje elektrické pole a jeho rozmístění v okolí tohoto místa, hodnotí izolační vlastnosti na tomto místě a snižuje riziko výboje a zlepšuje izolační vlastnosti prostřednictvím strukturální optimalizace, čímž poskytuje referenční informace pro návrh izolace podobných produktů.

1 Struktura vzduchem izolovaného okruhového přepážkového bloku

Trojrozměrný strukturní model studovaného vzduchem izolovaného RMU je znázorněn na obrázku 1. Hlavní obvod používá konfiguraci kombinující vakuumový spínač s třípolohovým spínačem, který je umístěn na straně sběrnice – tedy třípolohový spínač se nachází v horní části RMU, zatímco vakuumový spínač je montován v dolní části v pevně uzavřené polosběrnici. Protože vakuumový spínač je zapouzdřen uvnitř polosběrnice, jeho vnější povrch je izolován epoxidovým pryskyřicovým směsí, která má výrazně lepší izolační vlastnosti než vzduch, což splňuje požadavky na izolaci.

Kromě toho spojnice sběrnice v místě uzavření pevně uzavřené polosběrnice používá zaoblené hrany a obloukový návrh, kombinovaný s silikónovými gumovými těsněními, což efektivně snižuje problémy s částečným výbojem v této oblasti. Izolační mezery mezi sběrnicemi a k zemi jsou navrženy podle příslušných izolačních standardů a splňují regulační požadavky.

Izolačné lopatka třípolohového spínače se spoléhá na vzduch jako izolační médium. Jako pohyblivá spojovací součást obsahuje ve své struktuře kovové části, jako jsou hřebíky, pružiny, disky a drážky, aby zvýšila kontaktové tlak mezi izolačními kontakty. V důsledku složitých tvarů těchto kovových částí se však distribuce elektrického pole může stát velmi nerovnoměrnou, což vede k částečnému výboji a potenciálnímu riziku protržení, což negativně ovlivňuje izolační vlastnosti v daném místě.

Proto je elektrotechnický návrh této struktury zvláště důležitý. Podle požadavků na návrh produktu musí izolační rozestup odolat krátkodobému síťovému stálému napětí 50 kV, s minimálně navrženou elektrickou vzdáleností 100 mm. Vzhledem ke složitosti struktury izolační lopatky jsou na obou stranách lopatky přidány gradované štíty, aby se zlepšila rovnoměrnost elektrického pole a snížil částečný výboj. Trojrozměrný model třípolohového spínače je znázorněn na obrázku 2. Tento článek provede simulaci elektrického pole na tomto izolačním rozestupu.

2 Simulační analýza

Pro simulaci elektrického pole na okruhovém přepážkovém bloku bylo použito software metody konečných prvků, analyzující distribuci intenzity elektrického pole na izolačním rozestupu pod specifikovaným krátkodobým síťovým stálým napětím 50 kV. Byly zvažovány dva případy statického elektrického pole:

• Případ 1: Strana sběrnice (strana pevného izolačního kontaktu) je v nízkém potenciálu (0 V), a strana vedení (strana špičky izolační lopatky) je v vysokém potenciálu (50 kV).

• Případ 2: Strana sběrnice (strana pevného izolačního kontaktu) je v vysokém potenciálu (50 kV), a strana vedení (strana špičky izolační lopatky) je v nízkém potenciálu (0 V).

Distribuce elektrického pole v místech maximální intenzity pro oba případy byla získána pomocí simulace. Distribuce intenzity elektrického pole na špičce izolační lopatky v případě 1 je znázorněna na obrázku 3, a distribuce na pevném izolačním kontaktu v případě 2 je znázorněna na obrázku 4. V případě 1 se maximální intenzita elektrického pole objevuje na konci gradovaného štítu, dosahující 7,07 kV/mm; v případě 2 se maximum nachází na zaoblené hraně pevného izolačního kontaktu, s hodnotou 4,90 kV/mm.

Typická kritická intenzita elektrického pole pro vznik protržení vzduchu je 3 kV/mm. Jak je znázorněno na obrázcích 3 a 4, i když intenzita elektrického pole v většině oblastí izolačního rozestupu je nižší než 3 kV/mm – nedostačující k vzniku protržení – v některých lokalizovaných oblastech přesahuje tento práh, což vede k částečnému výboji. Když se vzduch změní z suchého na vlhký, jeho izolační schopnost klesne [10], což snižuje kritickou rovnoměrnou intenzitu elektrického pole pod 3 kV/mm. Navíc velmi nerovnoměrná distribuce elektrického pole dále snižuje kritickou intenzitu protržení vzduchu, což zvyšuje pravděpodobnost a riziko protržení. Aby byl snížen dopad externích faktorů na vzduch jako izolační médium a zlepšena rovnoměrnost pole, tato studie hodnotí stupeň rovnoměrnosti elektrického pole a úroveň odolnosti proti napětí v izolačním rozestupu, což slouží jako základ pro zlepšení izolačních vlastností rozestupu.

3 Charakteristiky vzduchové izolace

3.1 Stanovení koeficientu nerovnoměrnosti elektrického pole

V praxi dokonale rovnoměrné elektrické pole neexistuje; všechna elektrická pole jsou vlastně nerovnoměrná. Na základě koeficientu nerovnoměrnosti elektrického pole f se elektrická pole dělí do dvou typů: pokud f ≤ 4, je pole označeno jako mírně nerovnoměrné; pokud f > 4, je označeno jako výrazně nerovnoměrné. Koeficient nerovnoměrnosti f je definován jako f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, kde Eₘₐₓ je maximální lokální intenzita elektrického pole, získaná z vrcholu výsledků simulace, a Eₐᵥ je průměrná intenzita elektrického pole, vypočtená jako aplikované napětí děleno minimální elektrickou vzdáleností.

Z obrázku 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm a Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Tedy koeficient nerovnoměrnosti elektrického pole v izolačním rozestupu je f = 14,14 > 4, což naznačuje výrazně nerovnoměrné elektrické pole. V oblastech s výrazně nerovnoměrným polem může docházet ke stabilnímu částečnému výboji, a čím vyšší je stupeň nerovnoměrnosti, tím výraznější je částečný výboj a tím větší je jeho intenzita. Pro 12 kV okruhový přepážkový blok je celková kvantita částečného výboje celé skříně požadována být menší než 20 pC [5,11]. Z tohoto důvodu snížení koeficientu nerovnoměrnosti elektrického pole pomáhá k snížení úrovně částečného výboje.

3.2 Určení odolnosti vzduchu proti napětí

Koeficient nerovnoměrnosti elektrického pole ovlivňuje odolnost suššího vzduchu proti napětí. Pokud je pole mírně nerovnoměrné, odolnost proti napětí je:

kde U označuje odolnost proti napětí; d reprezentuje minimální elektrickou vzdálenost mezi elektrodami; k je faktor spolehlivosti, obvykle se pohybuje v rozmezí 1,2 až 1,5 na základě zkušeností; a E₀ označuje dielektrickou protržení intenzitu elektrického pole plynu. V praxi tato protržení intenzita pole závisí na konkrétní konfiguraci dvou elektrod, a protržení intenzita vzduchu se liší pro různé struktury elektrod a vzdálenosti. Pro účely srovnávací analýzy tento článek předpokládá E₀ = 3 kV/mm. Jak ukazuje rovnice (1), zvýšení minimální elektrické vzdálenosti d a snížení koeficientu nerovnoměrnosti elektrického pole f mohou oba zlepšit odolnost vzduchového izolačního média proti napětí.

Při řešení výrazně nerovnoměrného elektrického pole, pro elektrody s minimální elektrickou vzdáleností v rozsahu 100 mm, se odolnost proti napětí vypočítává následovně:

V rovnici U50%(d) reprezentuje 50% protržení napětí elektrody při konkrétní elektrické vzdálenosti d během testů bleskového impulzu. Při výrazně nerovnoměrném elektrickém poli je značná rozptylnost v protržení napětí a delší časy prodlevy výboje, což způsobuje, že protržení napětí je velmi nestabilní. V praxi se U50%(d) stanoví prováděním mnoha testů bleskového impulzu a identifikací aplikovaného napětí, při kterém je pravděpodobnost protržení 50%. Tato hodnota je těsně spojena s konstrukcí produktu a rovnoměrností elektrického pole. Je zjištěno, že nižší koeficient nerovnoměrnosti elektrického pole vede k menší rozptylnosti protržení napětí, vyššímu protržení napětí a tedy vyšší odolnosti proti napětí. Proto snížení koeficientu nerovnoměrnosti elektrického pole je prospěšné pro zlepšení odolnosti proti napětí izolačního rozestupu.

4 Strukturální optimalizace

Pro zlepšení rovnoměrnosti elektrického pole kolem špičky izolační lopatky a snížení koeficientu nerovnoměrnosti elektrického pole byla provedena optimalizace struktury gradovaného štítu. Modely gradovaného štítu před a po optimalizaci jsou znázorněny na obrázku 5, zatímco řezy jsou uvedeny na obrázku 6. Jak je vidět na obrázku 6, oproti návrhu před optimalizací má optimalizovaný gradovaný štít tučnější konec s zaoblenými rohy, což zvyšuje poloměr rohu z 0,75 mm na 4 mm. Toto zlepšení zvyšuje poloměr zakřivení, což podporuje více rovnoměrné rozdělení elektrického pole. Distribuce intenzity elektrického pole kolem optimalizované špičky izolační lopatky je znázorněna na obrázku 7. Z tohoto obrázku je zřejmé, že maximální intenzita elektrického pole byla snížena na 3,66 kV/mm, což je přibližně polovina původní hodnoty, což naznačuje významné zlepšení.

Podle uvedené rovnice f=Emax/Eavf=Emax/Eav, koeficient nerovnoměrnosti elektrického pole po optimalizaci je 7,32, což je přibližně polovina oproti stavu před optimalizací.

To naznačuje významné zlepšení rovnoměrnosti elektrického pole kolem špičky izolační lopatky, což ukazuje, že strukturální optimalizace byla účinná. Srovnání dat před a po optimalizaci gradovaného štítu je uvedeno v tabulce 1. Jak je vidět z tabulky 1, optimalizovaná struktura gradovaného štítu skutečně snižuje riziko protržení mezi izolačními rozestupy. Nicméně, elektrické pole mezi izolačními rozestupy zůstává výrazně nerovnoměrné, což znamená, že jeho odolnost proti napětí je stále určována U50%(d)U50%(d). Rozsah zlepšení odolnosti proti napětí lze dále potvrdit prostřednictvím terénních zkoušek.

Tento překlad zachovává technické detaily a kontext poskytnuté v původním textu, zajistí jasnost a přesnost pro anglicky mluvící publikum.

5 Experimentální ověření

Pro ověření účinnosti simulace byly provedeny zkoušky částečného výboje na 12 kV vzduchem izolovaném okruhovém přepážkovém bloku. Bylo připraveno tři prototypy (číslo 1 až 3). Nejprve byly provedeny zkoušky částečného výboje s původními (před optimalizací) gradovanými štítu na izolačních lopatkách všech tří jednotek. Poté byly nainstalovány optimalizované gradované štíty a zkoušky byly opakovány. Výsledné data částečného výboje jsou uvedeny v tabulce 2.

Jak je vidět v tabulce, úrovně částečného výboje před optimalizací všechny přesáhly 20 pC, zatímco po optimalizaci byly sníženy na méně než 4,5 pC. To naznačuje, že optimalizovaná struktura gradovaného štítu efektivně zlepšuje izolační vlastnosti okruhového přepážkového bloku a potvrzuje platnost předchozí simulace a analýzy.

6 Závěr

Na základě analýzy elektrického pole izolačního rozestupu v 12 kV vzduchem izolovaném okruhovém přepážkovém bloku byly dospěly k následujícím závěrům:

• Protože izolační schopnosti vzduchu jsou horší než SF₆, je zlepšení distribuce elektrického pole klíčové pro zlepšení izolačních vlastností, když se vzduch používá jako izolační médium v třípolohových spínačích okruhových přepážkových bloků.

• Vzhledem k složité struktuře pohyblivých částí (izolačních lopatek) v třípolohových spínačích vzduchem izolovaných okruhových přepážkových bloků může distribuce intenzity elektrického pole v některých místech být výrazně nerovnoměrná. K snížení této nerovnoměrnosti mohou být na obou stranách izolační lopatky přidány gradované štíty, které budou chránit oblasti s vysokým polem blízko spojovacích částí lopatky, což posune místo maximální intenzity pole na konce gradovaných štitů. V této studii bylo zvětšení poloměru zakřivení na konci štítu ze 0,75 mm na 4 mm snížilo jak maximální lokální intenzitu elektrického pole, tak koeficient nerovnoměrnosti elektrického pole na přibližně polovinu jejich původních hodnot, což dosáhlo požadovaného efektu optimalizace.

• <