Nedbringelse af udladningsrisici i 12 kV luftisolerede RMU ved hjælp af graderingsskjolddesign

Denne artikel tager den primære isoleringsbrydning i en bestemt type 12kV luftisoléringsringhovedenhed (RMU) som forskningsobjekt, analyserer elektriske feltfordeling og ligelighed omkring det, vurderer isoleringsydeevnen på dette sted, og reducerer udløsningrisiko ved at forbedre isoleringsydeevnen gennem strukturel optimering, hvilket giver en reference for isoleringsdesign af lignende produkter.

1 Struktur af luftisoléringsringhovedenheden

Den tre-dimensionale strukturmodel af den luftisolérings-RMU, der undersøges i denne artikel, er vist på figur 1. Hovedkredsløbet anvender en konfiguration, der kombinerer en vakuumskærm med en tre-positionsskærm, placeret med tre-positionsskærmen på busbar-siden - dvs. tre-positionsskærmen er placeret i øverste del af RMU'en, mens vakuumskærmen er monteret i nederste del i en solid-sealed pole-struktur. Da vakuumskærmen er indkapslet inden for pølen, er dens yderside isoleret med epoxy-resin, som har betydeligt bedre isolerende egenskaber end luft, hvilket opfylder isoleringskravene.

Desuden anvender forbundsbussen ved sælingspunktet af den solid-sealed pole skævede kanter og bueformet design, kombineret med silikone-rubber sæling, hvilket effektivt mindsker lokale udløsningsproblemer i dette område. Isoleringsafstandene mellem busser og til jord er designet i overensstemmelse med relevante isoleringsstandarder og opfylder reguleringskrav.

Isoleringsskærmens blad i tre-positionsskærmen benytter luft som isoleringsmedium. Som et bevægeligt forbindelseskomponent inkluderer dens struktur metaldele såsom pile, fjeder, disk-fjeder og cirklip for at øge kontakttrykket mellem isoleringskontakterne. På grund af de komplekse former af disse metaldele kan elektriske feltfordelingen blive højst ulige, hvilket fører til lokale udløsninger og potentielle nedbrudsrisker, som negativt påvirker isoleringsydeevnen på dette sted.

Derfor er den elektriske design af denne struktur særligt kritisk. I henhold til produkt-designkrav skal isoleringsbrydningen kunne modstå en nominel kortvarig netfrekvens-holdbarhedsspænding på 50kV, med en minimum designet elektrisk afstand på 100mm. Givet den kompleksitet af isoleringsbladets struktur, er graderingsskærme tilføjet på begge sider af bladet for at forbedre elektriske feltligelighed og reducere lokale udløsninger. Den tre-dimensionale model af tre-positionsskærmen er vist på figur 2. Denne artikel udfører elektriske feltsimulationsanalyse på denne isoleringsbrydning.

2 Simulationsanalyse

Finite element software blev brugt til at udføre elektriske feltsimulation på ringhovedenheden, analyserer elektriske feltstyrkefordelingen ved isoleringsbrydningen under den angivne 50 kV nominel kortvarig netfrekvens-holdbarhedsspænding. To elektrostatiske feltsimulationscases blev betragtet:

• Case 1: Busbar-siden (isoleringsfast kontakt-side) er ved lav potentiel (0 V), og linjesiden (isoleringsbladspids-side) er ved højt potentiel (50 kV).

• Case 2: Busbar-siden (isoleringsfast kontakt-side) er ved højt potentiel (50 kV), og linjesiden (isoleringsbladspids-side) er ved lav potentiel (0 V).

Elektriske feltfordelingen ved stedet for maksimal elektrisk feltstyrke for begge cases blev opnået gennem simulation. Elektriske feltstyrkefordelingen ved isoleringsbladspidsen under Case 1 er vist på figur 3, og fordelingen ved isoleringsfast kontakten under Case 2 er vist på figur 4. I Case 1 optræder maksimal elektrisk feltstyrke ved enden af graderingsskærmen, når 7,07 kV/mm; i Case 2 optræder maksimalt ved skævede kanter af isoleringsfast kontakten, med en værdi på 4,90 kV/mm.

Den typiske kritiske nedbruds-elektriske feltstyrke for luft er 3 kV/mm. Som vist på figurer 3 og 4, selvom elektriske feltstyrken i de fleste områder af isoleringsbrydningen er under 3 kV/mm - utilstrækkelig til at forårsage nedbrud - overskrider lokale regioner denne tærskel, hvilket fører til lokale udløsninger. Når luften ændres fra tørt til fugtigt, falder dens isolerende kapacitet [10], hvilket sænker den kritiske uniforme nedbruds-elektriske feltstyrke under 3 kV/mm. Desuden reducerer høj grad af ulige elektriske feltfordeling yderligere den kritiske nedbrudsstyrke af luft, hvilket øger risikoen og sandsynligheden for nedbrud. For at mildne indvirkningen af eksterne miljøfaktorer på luft-isoleringsmedium og forbedre feltligelighed, evaluerer denne studie graden af elektriske feltligelighed og holdbarhedsspændingsniveauet over isoleringsbrydningen, som grundlag for at forbedre isoleringskapaciteten af brydningen.

3 Luftisoleringskarakteristikker

3.1 Bestemmelse af elektriske feltulighedskoefficient

I praksis findes der ikke en perfekt ligelig elektrisk felt; alle elektriske felter er i sig selv ulige. Baseret på elektriske feltulighedskoefficienten f, er elektriske felter inddelt i to typer: når f ≤ 4, anses feltet for let ulige; når f > 4, anses det for højt ulige. Ulighedskoefficienten f defineres som f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, hvor Eₘₐₓ er den maksimale lokale elektriske feltstyrke, opnået fra toppunktet i simulationsresultaterne, og Eₐᵥ er den gennemsnitlige elektriske feltstyrke, beregnet som den anvendte spænding divideret med den mindste elektriske afstand.

Fra figur 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm og Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Derfor er elektriske feltulighedskoefficienten ved isoleringsbrydningen f = 14,14 > 4, hvilket indikerer et højt ulige elektrisk felt. I områder med højt ulige felter kan der opstå stabile lokale udløsninger, og jo højere grad af ulighed, jo mere udtalt er lokale udløsninger og størrelsen af udløsningen. For en 12 kV ringhovedenhed er det krævet, at den totale lokale udløsning for hele kabinetet er mindre end 20 pC [5,11]. Derfor hjælper det med at reducere elektriske feltulighedskoefficienten til at mindske niveauet for lokale udløsninger.

3.2 Bestemmelse af luft-holdbarhedsspænding

Elektriske feltulighedskoefficienten påvirker holdbarhedsspændingen af tørt luft. Når feltet er let ulige, er holdbarhedsspændingen:

hvor U betegner holdbarhedsspændingen; d repræsenterer den mindste elektriske afstand mellem elektroder; k er en pålidelighedsfaktor, typisk variere fra 1,2 til 1,5 baseret på erfaring; og E₀ refererer til dielektriske nedbruds-elektriske feltstyrke for gas. I praksis afhænger denne nedbruds-elektriske feltstyrke af den specifikke konfiguration af de to elektroder, og luftnedbrudsstyrken varierer med forskellige elektrodestrukturer og afstandsafstande. For sammenligningsanalyse antager denne artikel E₀ = 3 kV/mm. Som angivet af ligning (1), kan både forøgelsen af den mindste elektriske afstand d og reduktionen af elektriske feltulighedskoefficienten f forbedre holdbarhedsspændingen af luft-isoleringsmedium.

Når man behandler et højt ulige elektrisk felt, for elektroder med en mindste elektriske afstand inden for 100 mm-området, beregnes holdbarhedsspændingen som følger:

I formelen repræsenterer U50%(d) 50% nedbruds-spændingen for en elektrod under en bestemt elektriske afstand d under lynimpuls-tester. I højt ulige elektriske felter er der en betydelig dispersion i nedbruds-spændinger og længere udløsningsforsinkelser, hvilket gør nedbruds-spændingen højst ustabil. I praktisk ingeniørpraksis fastsættes U50%(d) ved at udføre flere lynimpuls-tester og identificere den anvendte spænding, hvor der er en 50% sandsynlighed for nedbrud. Dette tal er tæt relateret til produktets struktur og elektriske feltligelighed. Det er etableret, at en lavere elektriske feltulighedskoefficient resulterer i mindre dispersion i nedbruds-spændingen, højere nedbruds-spænding og dermed højere holdbarhedsspænding. Derfor er reduktionen af elektriske feltulighedskoefficienten gavnlig for at forbedre holdbarhedsspændingen af isoleringsbrydningen.

4 Strukturel optimering

For at forbedre ligeligheden af elektriske felt omkring isoleringsbladspidsen og reducere elektriske feltulighedskoefficienten, blev optimering af graderingsskærmens struktur udført. Modeller af graderingsskærmen før og efter optimering vises på figur 5, mens tværsnitvisninger er givet på figur 6. Som ses på figur 6, sammenlignet med pre-optimering design, har den optimerede graderingsskærm en tykkere ende med runde kanter, hvilket øger kantradius fra 0,75 mm til 4 mm. Denne forbedring øger kurveradius, hvilket fremmer mere ligelig fordeling af elektriske felt. Elektriske feltstyrkefordelingen omkring den optimerede isoleringsbladspids er illustreret på figur 7. Fra denne figur er det tydeligt, at den maksimale elektriske feltstyrke er reduceret til 3,66 kV/mm, ca. halvdelen af dens oprindelige værdi, hvilket indikerer en bemærkelsesværdig forbedring.

Ifølge den ovennævnte formel f=Emax/Eavf=Emax/Eav, er elektriske feltulighedskoefficienten efter optimering 7,32, hvilket er ca. halvdelen sammenlignet med før optimering.

Dette indikerer en betydelig forbedring i ligeligheden af elektriske felt omkring isoleringsbladspidsen, hvilket viser, at strukturel optimering var effektiv. En sammenligning af data før og efter graderingsskærmoptimering vises i tabel 1. Som ses i tabel 1, reducerer den optimerede graderingsskærmstruktur virkelig risikoen for nedbrudsudløsning mellem isoleringsbrydningerne. Dog forbliver elektriske felt mellem isoleringsbrydningerne højt ulige, hvilket betyder, at dens holdbarhedsspænding stadig er bestemt af U50%(d)U50%(d). Omfanget af forbedring i holdbarhedsspænding kan bekræftes yderligere gennem stedfortrædende test.

Denne oversættelse fastholder de tekniske detaljer og kontekst, der er givet i den originale tekst, og sikrer klarhed og præcision for en engelsktalende publikum.

5 Eksperimentel verifikation

For at validere effektiviteten af simuleringanalyse, blev lokale udløsningstests udført på en 12 kV luftisoléringsringhovedenhed. Tre prototype-enheder (nr. 1 til nr. 3) blev forberedt. Lokale udløsningstests blev først udført med de originale (pre-optimering) graderingsskærmer installeret på isoleringsblade af alle tre enheder. Herefter blev de optimerede graderingsskærmer installeret, og testene gentaget. De resulterende lokale udløsningdata er præsenteret i tabel 2.

Som vist i tabellen, overstiger lokale udløsningniveauer før optimering alle 20 pC, mens de efter optimering blev reduceret til under 4,5 pC. Dette indikerer, at den optimerede graderingsskærmstruktur effektivt forbedrer isoleringsydeevnen af ringhovedenheden og bekræfter gyldigheden af den foregående simulering og analyse.

6 Konklusion

Baseret på elektriske feltanalyse af isoleringsbrydningen i en 12 kV luftisoléringsringhovedenhed, drages følgende konklusioner:

• Da isoleringskapaciteten af luft er mindre end SF₆, er forbedring af elektriske feltfordeling essentiel for at forbedre isoleringsydeevnen, når luft anvendes som isoleringsmedium i tre-positionsskærmer af ringhovedenheder.

• På grund af den strukturelle kompleksitet af bevægelige komponenter (isoleringsblade) i tre-positionsskærmer af luftisoléringsringhovedenheder, kan elektriske feltstyrkefordelingen på visse steder blive højt ulige. For at reducere denne ulighed kan graderingsskærme tilføjes på begge sider af isoleringsbladet for at skjule de høje feltområder nær bladets forbindelsesdele, hvilket flytter placeringen af topfeltstyrken til enderne af graderingsskærmerne. I denne studie, ved at øge kurveradius ved skærmens ende fra 0,75 mm til 4 mm, blev både den maksimale lokale elektriske feltstyrke og elektriske feltulighedskoefficienten reduceret til ca. halvdelen af deres oprindelige værdier, og opnåede den ønskede optimeringseffekt.

• Ligeligheden af elektriske feltfordeling, eller elektriske feltulighedskoefficient, påvirker betydeligt lokale udløsninger og nedbrud. Højt ulige felter har tendens til at producere stabile lokale udløsninger (korona-udløsninger). I både let og højt ulige felter resulterer en højere ulighedskoefficient i en lavere holdbarhedsspænding mellem elektroderne.