Eindämmung von Entladegefahren in 12-kV-Luftisolierten RMUs durch Verwendung eines Grading-Shield-Designs
Dieses Papier nimmt den primären Isolationspunkt einer bestimmten Art von 12kV luftisoliertem Ringverteiler (RMU) als Untersuchungsobjekt, analysiert die elektrische Feldverteilung und Gleichmäßigkeit in seiner Umgebung, bewertet die Isolierleistung an dieser Stelle und reduziert das Entladungsrisiko, während die Isolierleistung durch strukturelle Optimierung verbessert wird, um so eine Referenz für die Isolierdesigns ähnlicher Produkte bereitzustellen.
1 Struktur des Luftisolierten Ringverteilers
Das dreidimensionale Strukturmodell des untersuchten luftisolierten RMU ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Hauptkreis verwendet eine Konfiguration, die einen Vakuumschalter mit einem Dreipositionsschalter kombiniert, wobei der Dreipositionsschalter auf der Busseite angeordnet ist - d.h., der Dreipositionsschalter befindet sich im oberen Teil des RMU, während der Vakuumschalter im unteren Teil in einer massiv versiegelten Pfahlstruktur montiert ist. Da der Vakuumschalter innerhalb des Pfahls eingeschlossen ist, ist seine Außenfläche mit Epoxidharz isoliert, das signifikant bessere Isolier Eigenschaften als Luft hat, was den Isolieranforderungen entspricht.
Darüber hinaus wird an der Verschlussstelle des massiv versiegelten Pfahls eine abgerundete Kante und ein Bogen-Design angewendet, kombiniert mit Silikon-Rubber-Dichtung, um partielle Entladungsprobleme in diesem Bereich effektiv zu verringern. Die Isolierabstände zwischen den Bussen und zum Boden sind nach den relevanten Isolierstandards entworfen und erfüllen regulatorische Anforderungen.
Die Isolationsklinge des Dreipositionsschalters verlässt sich auf Luft als Isoliermedium. Als bewegliche Verbindungskomponente enthält ihre Struktur Metallteile wie Bolzen, Federn, Scheibenfedern und Ringe, um den Kontakt Druck zwischen den Isolierungskontakten zu erhöhen. Aufgrund der komplexen Formen dieser Metallteile kann die elektrische Feldverteilung jedoch stark ungleichmäßig werden, was zu partiellen Entladungen und potenziellen Durchschlagrisiken führt, die die Isolierleistung an dieser Stelle negativ beeinflussen.
Daher ist das elektrische Design dieser Struktur besonders kritisch. Gemäß den Produktdesignanforderungen muss der Isolationspunkt eine nominelle kurzzeitige Netzfrequenz-Spannung von 50kV aushalten, mit einem minimalen geplanten elektrischen Abstand von 100mm. Angesichts der Komplexität der Isolationsklingenstruktur werden Schirmplatten auf beiden Seiten der Klinge hinzugefügt, um die elektrische Feldgleichmäßigkeit zu verbessern und partielle Entladungen zu reduzieren. Das dreidimensionale Modell des Dreipositionsschalters ist in Abbildung 2 dargestellt. In dieser Arbeit wird eine elektrische Feldsimulation für diesen Isolationspunkt durchgeführt.
2 Simulationsanalyse
Finite-Elemente-Software wurde verwendet, um eine elektrische Feldsimulation am Ringverteiler durchzuführen und die elektrische Feldstärkeverteilung am Isolationspunkt unter der spezifizierten 50 kV nominellen kurzzeitigen Netzfrequenz-Spannung zu analysieren. Zwei elektrostatische Feldsimulationsfälle wurden berücksichtigt:
Fall 1: Die Busseite (Isolationsfixkontaktseite) ist bei niedrigem Potential (0 V), und die Leitungseite (Isolationsklingenspitze) ist bei hohem Potential (50 kV).
Fall 2: Die Busseite (Isolationsfixkontaktseite) ist bei hohem Potential (50 kV), und die Leitungseite (Isolationsklingenspitze) ist bei niedrigem Potential (0 V).
Durch Simulation wurde die elektrische Feldverteilung an der Stelle der maximalen elektrischen Feldstärke für beide Fälle ermittelt. Die elektrische Feldstärkeverteilung an der Isolationsklingenspitze unter Fall 1 ist in Abbildung 3 dargestellt, und die Verteilung am Isolationsfixkontakt unter Fall 2 ist in Abbildung 4 dargestellt. Im Fall 1 tritt die maximale elektrische Feldstärke am Ende der Schirmplatte auf, mit 7,07 kV/mm; im Fall 2 tritt sie an der abgerundeten Kante des Isolationsfixkontakts auf, mit einem Wert von 4,90 kV/mm.
Die typische kritische Durchschlagsfeldstärke für Luft beträgt 3 kV/mm. Wie in Abbildung 3 und 4 gezeigt, liegt die elektrische Feldstärke in den meisten Bereichen des Isolationspunkts unter 3 kV/mm - nicht ausreichend, um einen Durchschlag zu verursachen - aber lokale Bereiche überschreiten diese Schwelle, was zu partiellen Entladungen führt. Wenn Luft von trocken zu feucht wechselt, sinkt ihre Isolierfähigkeit [10], was die kritische gleichmäßige Durchschlagsfeldstärke unter 3 kV/mm senkt. Darüber hinaus verringert eine hochgradig ungleichmäßige elektrische Feldverteilung die kritische Durchschlagsfestigkeit der Luft weiter, was das Risiko eines Durchschlags erhöht. Um die Auswirkungen externer Umweltfaktoren auf das Luftisoliermedium zu mildern und die Feldgleichmäßigkeit zu verbessern, bewertet diese Studie den Grad der elektrischen Feldgleichmäßigkeit und das Spannungsniveau über dem Isolationspunkt, als Grundlage zur Verbesserung der Isolierfähigkeit des Punkts.
3 Luftisoliercharakteristika
3.1 Bestimmung des Koeffizienten der elektrischen Feldungleichmäßigkeit
In der Praxis gibt es kein vollkommen gleichmäßiges elektrisches Feld; alle elektrischen Felder sind grundsätzlich ungleichmäßig. Basierend auf dem Koeffizienten der elektrischen Feldungleichmäßigkeit f werden elektrische Felder in zwei Typen eingeteilt: wenn f ≤ 4, gilt das Feld als leicht ungleichmäßig; wenn f > 4, gilt es als stark ungleichmäßig. Der Ungleichmäßigkeitskoeffizient f ist definiert als f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, wobei Eₘₐₓ die maximale lokale elektrische Feldstärke ist, die aus dem Spitzenwert in den Simulationsergebnissen erhalten wird, und Eₐᵥ die mittlere elektrische Feldstärke, die als die angewendete Spannung geteilt durch den minimalen elektrischen Abstand berechnet wird.
Aus Abbildung 3 ergibt sich Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm und Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Daher beträgt der Koeffizient der elektrischen Feldungleichmäßigkeit am Isolationspunkt f = 14,14 > 4, was ein stark ungleichmäßiges elektrisches Feld anzeigt. In Bereichen mit stark ungleichmäßigen Feldern kann stabile partielle Entladung auftreten, und je höher der Grad der Ungleichmäßigkeit, desto ausgeprägter ist die partielle Entladung und desto größer ist die Entladungsgröße. Für einen 12 kV Ringverteiler ist die gesamte partielle Entladungsmenge des gesamten Gehäuses kleiner als 20 pC [5,11]. Daher hilft es, den Koeffizienten der elektrischen Feldungleichmäßigkeit zu reduzieren, um die Niveaus der partiellen Entladung zu verringern.
3.2 Bestimmung der Luftdurchschlagsfestigkeit
Der Koeffizient der elektrischen Feldungleichmäßigkeit beeinflusst die Durchschlagsfestigkeit trockener Luft. Wenn das Feld leicht ungleichmäßig ist, lautet die Durchschlagsfestigkeit:
wobei U die Durchschlagsfestigkeit bezeichnet; d den minimalen elektrischen Abstand zwischen den Elektroden darstellt; k ein Zuverlässigkeitsfaktor ist, der normalerweise aufgrund der Erfahrung zwischen 1,2 und 1,5 liegt; und E₀ die dielektrische Durchschlagsfeldstärke des Gases bezeichnet. In der Praxis hängt diese Durchschlagsfeldstärke von der spezifischen Konfiguration der beiden Elektroden ab, und die Luftdurchschlagsfestigkeit variiert mit verschiedenen Elektrodenstrukturen und Abständen. Zum Zweck der vergleichenden Analyse geht diese Arbeit von E₀ = 3 kV/mm aus. Wie in Gleichung (1) gezeigt, können sowohl die Erhöhung des minimalen elektrischen Abstands d als auch die Reduzierung des Koeffizienten der elektrischen Feldungleichmäßigkeit f die Durchschlagsfestigkeit des Luftisoliermediums verbessern.
Bei stark ungleichmäßigen elektrischen Feldern, für Elektroden mit einem minimalen elektrischen Abstand im Bereich von 100 mm, wird die Durchschlagsfestigkeit wie folgt berechnet:
In der Formel repräsentiert U50%(d) die 50%-Durchschlagsspannung einer Elektrode unter einem spezifischen elektrischen Abstand d bei Blitzimpulsprüfungen. Bei stark ungleichmäßigen elektrischen Feldern gibt es eine erhebliche Streuung der Durchschlagspannungen und längere Entladungsverzögerungen, was die Durchschlagsspannung sehr instabil macht. In praktischen Ingenieur-Anwendungen wird U50%(d) durch die Durchführung mehrerer Blitzimpulsprüfungen und die Identifizierung der angewendeten Spannung bestimmt, bei der eine 50% Wahrscheinlichkeit eines Durchschlags besteht. Dieser Wert ist eng mit der Struktur des Produkts und der Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes verbunden. Es ist festgestellt worden, dass ein niedrigerer Koeffizient der elektrischen Feldungleichmäßigkeit zu weniger Streuung der Durchschlagsspannung, einer höheren Durchschlagsspannung und somit einer höheren Durchschlagsfestigkeit führt. Daher ist die Reduzierung des Koeffizienten der elektrischen Feldungleichmäßigkeit förderlich für die Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit des Isolationspunkts.
4 Strukturoptimierung
Um die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes um die Spitze der Isolationsklinge zu verbessern und den Koeffizienten der elektrischen Feldungleichmäßigkeit zu reduzieren, wurde die Struktur der Schirmplatte optimiert. Modelle der Schirmplatte vor und nach der Optimierung sind in Abbildung 5 dargestellt, während Querschnittsansichten in Abbildung 6 gezeigt werden. Wie in Abbildung 6 zu sehen ist, hat die optimierte Schirmplatte im Vergleich zum Vorgängerdesign eine dickere Endfläche mit abgerundeten Ecken, wobei der Eckenradius von 0,75 mm auf 4 mm erhöht wurde. Diese Verbesserung erhöht den Krümmungsradius und fördert eine gleichmäßigere Verteilung des elektrischen Feldes. Die elektrische Feldstärkeverteilung um die optimierte Isolationsklingenspitze ist in Abbildung 7 dargestellt. Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, dass die maximale elektrische Feldstärke auf 3,66 kV/mm reduziert wurde, etwa halb so viel wie ihr ursprünglicher Wert, was eine bemerkenswerte Verbesserung zeigt.
Gemäß der oben genannten Formel f=Emax/Eav, beträgt der Koeffizient der elektrischen Feldungleichmäßigkeit nach der Optimierung 7,32, was etwa halb so viel wie vor der Optimierung ist.
Dies deutet auf eine signifikante Verbesserung der Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes um die Spitze der Isolationsklinge hin, was zeigt, dass die Strukturoptimierung effektiv war. Ein Vergleich der Daten vor und nach der Optimierung der Schirmplatte ist in Tabelle 1 dargestellt. Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, reduziert die optimierte Schirmplattenstruktur tatsächlich das Risiko von Durchschlagsentladungen zwischen den Isolationspunkten. Allerdings bleibt das elektrische Feld zwischen den Isolationspunkten stark ungleichmäßig, was bedeutet, dass seine Durchschlagsfestigkeit weiterhin durch U50%(d) bestimmt wird. Die Ausmaße der Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit können durch Vor-Ort-Tests weiter bestätigt werden.
Diese Übersetzung behält die technischen Details und den Kontext des Originaltextes bei, um Klarheit und Genauigkeit für ein englischsprachiges Publikum sicherzustellen.
5 Experimentelle Überprüfung
Um die Effektivität der Simulationsanalyse zu validieren, wurden partielle Entladungstests an einem 12 kV luftisolierten Ringverteiler durchgeführt. Drei Prototypen (Nr. 1 bis Nr. 3) wurden vorbereitet. Zunächst wurden partielle Entladungstests mit den ursprünglichen (vor der Optimierung) Schirmplatten, die an den Isolationsklingen aller drei Geräte installiert waren, durchgeführt. Anschließend wurden die optimierten Schirmplatten installiert, und die Tests wurden wiederholt. Die resultierenden partiellen Entladungsdaten sind in Tabelle 2 dargestellt.
Wie in der Tabelle zu sehen ist, lagen die partiellen Entladungspegel vor der Optimierung alle über 20 pC, während sie nach der Optimierung auf unter 4,5 pC reduziert wurden. Dies zeigt, dass die optimierte Schirmplattenstruktur die Isolierleistung des Ringverteilers wirksam verbessert und die Gültigkeit der vorherigen Simulation und Analyse bestätigt.
6 Fazit
Basierend auf der elektrischen Feldanalyse des Isolationspunkts in einem 12 kV luftisolierten Ringverteiler werden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:
Da die Isolierfähigkeit von Luft geringer ist als die von SF₆, ist die Verbesserung der elektrischen Feldverteilung notwendig, um die Isolierleistung zu erhöhen, wenn Luft als Isoliermedium in Dreipositionsschaltern von Ringverteilern verwendet wird.
Aufgrund der strukturellen Komplexität der beweglichen Komponenten (Isolationsklingen) in Dreipositionsschaltern von luftisolierten Ringverteilern kann die Verteilung der elektrischen Feldstärke an bestimmten Stellen stark ungleichmäßig werden. Um diese Ungleichmäßigkeit zu reduzieren, können Schirmplatten auf beiden Seiten der Isolationsklinge hinzugefügt werden, um die Hochfeldregionen in der Nähe der Verbindungsstellen der Klinge abzuschirmen, wodurch die Position der maximalen Feldstärke an die Enden der Schirmplatten verschoben wird. In dieser Studie wurde der Krümmungsradius am Ende des Schirms von 0,75 mm auf 4 mm erhöht, wodurch sowohl die maximale lokale elektrische Feldstärke als auch der Koeffizient der elektrischen Feldungleichmäßigkeit auf etwa die Hälfte ihrer ursprünglichen Werte reduziert wurden, was den gewünschten Optimierungseffekt erzielte.
Die Gleichmäßigkeit der elektrischen Feldverteilung, oder der Koeffizient der elektrischen Feldungleichmäßigkeit, beeinflusst signifikant partielle und Durchschlagsentladungen. Stark ungleichmäßige Felder neigen dazu, stabile partielle Entladungen (Koronaentladungen) zu produzieren. In sowohl leicht als auch stark ungleichmäßigen Feldern führt ein höherer Ungleichmäßigkeitskoeffizient zu einer geringeren Durchschlagsfestigkeit zwischen den Elektroden.
