Mitigando Riesgos de Descarga en RMU Aislados por Aire de 12 kV Utilizando un Diseño de Escudo de Grado
Este documento toma la interrupción primaria de cierto tipo de unidad de distribución de anillo aislada por aire (RMU) de 12 kV como objeto de estudio, analizando la distribución y uniformidad del campo eléctrico alrededor de ella, evaluando el rendimiento aislante en esta ubicación y reduciendo el riesgo de descarga mientras se mejora el rendimiento aislante a través de la optimización estructural, proporcionando así una referencia para el diseño aislante de productos similares.
1 Estructura de la Unidad de Distribución de Anillo Aislada por Aire
El modelo estructural tridimensional de la RMU aislada por aire estudiada en este documento se muestra en la Figura 1. El circuito principal adopta una configuración que combina un interruptor de vacío con un interruptor de tres posiciones, dispuesto con el interruptor de tres posiciones en el lado del busbar, es decir, el interruptor de tres posiciones está ubicado en la parte superior de la RMU, mientras que el interruptor de vacío está montado en la parte inferior en una estructura de polo sólidamente sellado. Dado que el interruptor de vacío está encapsulado dentro del polo, su exterior está aislado con resina epoxi, que tiene propiedades aislantes significativamente mejores que el aire, cumpliendo así con los requisitos de aislamiento.
Además, el busbar de conexión en el punto de sellado del polo sólidamente sellado emplea bordes redondeados y un diseño arqueado, combinado con un sello de caucho de silicona, lo que mitiga eficazmente los problemas de descarga parcial en esta área. Las distancias de aislamiento entre los busbars y hacia tierra están diseñadas según las normas de aislamiento pertinentes y satisfacen los requisitos reglamentarios.
La hoja de aislamiento del interruptor de tres posiciones depende del aire como medio aislante. Como componente de conexión móvil, su estructura incluye partes metálicas como pernos, resortes, discos de muelle y circlips para aumentar la presión de contacto entre los contactos de aislamiento. Sin embargo, debido a las formas complejas de estas piezas metálicas, la distribución del campo eléctrico puede volverse altamente no uniforme, lo que lleva a descargas parciales y riesgos potenciales de ruptura, afectando negativamente el rendimiento aislante en esta ubicación.
Por lo tanto, el diseño eléctrico de esta estructura es particularmente crítico. Según los requisitos de diseño del producto, la interrupción de aislamiento debe soportar un voltaje de resistencia de frecuencia de potencia a corto plazo nominal de 50 kV, con un espacio eléctrico mínimo diseñado de 100 mm. Dada la complejidad de la estructura de la hoja de aislamiento, se añaden escudos de gradiente en ambos lados de la hoja para mejorar la uniformidad del campo eléctrico y reducir la descarga parcial. El modelo tridimensional del interruptor de tres posiciones se muestra en la Figura 2. Este documento realiza un análisis de simulación del campo eléctrico en esta interrupción de aislamiento.
2 Análisis de Simulación
Se utilizó software de elementos finitos para realizar una simulación del campo eléctrico en la unidad de distribución de anillo, analizando la distribución de la intensidad del campo eléctrico en la interrupción de aislamiento bajo el voltaje de resistencia de frecuencia de potencia a corto plazo nominal especificado de 50 kV. Se consideraron dos casos de simulación de campo electrostático:
Caso 1: El lado del busbar (lado del contacto fijo de aislamiento) está a bajo potencial (0 V), y el lado de la línea (lado de la punta de la hoja de aislamiento) está a alto potencial (50 kV).
Caso 2: El lado del busbar (lado del contacto fijo de aislamiento) está a alto potencial (50 kV), y el lado de la línea (lado de la punta de la hoja de aislamiento) está a bajo potencial (0 V).
A través de la simulación, se obtuvo la distribución del campo eléctrico en la ubicación de máxima intensidad del campo eléctrico para ambos casos. La distribución de la intensidad del campo eléctrico en la punta de la hoja de aislamiento en el Caso 1 se muestra en la Figura 3, y la distribución en el contacto fijo de aislamiento en el Caso 2 se muestra en la Figura 4. En el Caso 1, la máxima intensidad del campo eléctrico ocurre en el extremo del escudo de gradiente, alcanzando 7.07 kV/mm; en el Caso 2, la máxima ocurre en el borde redondeado del contacto fijo de aislamiento, con un valor de 4.90 kV/mm.
La intensidad crítica típica de ruptura del campo eléctrico para el aire es de 3 kV/mm. Como se muestra en las Figuras 3 y 4, aunque la intensidad del campo eléctrico en la mayoría de las áreas de la interrupción de aislamiento es inferior a 3 kV/mm, insuficiente para causar una ruptura, algunas regiones localizadas superan este umbral, lo que lleva a descargas parciales. Cuando el aire cambia de condiciones secas a húmedas, su capacidad de aislamiento disminuye [10], reduciendo la intensidad crítica de ruptura uniforme del campo eléctrico por debajo de 3 kV/mm. Además, la distribución altamente no uniforme del campo eléctrico reduce aún más la intensidad crítica de ruptura del aire, aumentando la probabilidad y el riesgo de ruptura. Para mitigar el impacto de los factores ambientales externos en el medio aislante de aire y mejorar la uniformidad del campo, este estudio evalúa el grado de uniformidad del campo eléctrico y el nivel de resistencia al voltaje a través de la interrupción de aislamiento, sirviendo como base para mejorar la capacidad aislante de la interrupción.
3 Características de Aislamiento por Aire
3.1 Determinación del Coeficiente de No Uniformidad del Campo Eléctrico
En la práctica, un campo eléctrico perfectamente uniforme no existe; todos los campos eléctricos son inherentemente no uniformes. Basándose en el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico f, los campos eléctricos se clasifican en dos tipos: cuando f ≤ 4, el campo se considera ligeramente no uniforme; cuando f > 4, se considera altamente no uniforme. El coeficiente de no uniformidad f se define como f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, donde Eₘₐₓ es la máxima intensidad local del campo eléctrico, obtenida del valor pico en los resultados de la simulación, y Eₐᵥ es la intensidad promedio del campo eléctrico, calculada como el voltaje aplicado dividido por el espacio eléctrico mínimo.
De la Figura 3, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm y Eₐᵥ = 0.5 kV/mm. Por lo tanto, el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico en la interrupción de aislamiento es f = 14.14 > 4, lo que indica un campo eléctrico altamente no uniforme. En regiones con campos altamente no uniformes, pueden ocurrir descargas parciales estables, y cuanto mayor sea el grado de no uniformidad, más pronunciadas serán las descargas parciales y mayor será la magnitud de la descarga. Para una unidad de distribución de anillo de 12 kV, se requiere que la cantidad total de descarga parcial de todo el gabinete sea menor a 20 pC [5,11]. Por lo tanto, reducir el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico ayuda a disminuir el nivel de descarga parcial.
3.2 Determinación del Voltaje de Resistencia del Aire
El coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico afecta el voltaje de resistencia del aire seco. Cuando el campo es ligeramente no uniforme, el voltaje de resistencia es:
donde U denota el voltaje de resistencia; d representa el espacio eléctrico mínimo entre electrodos; k es un factor de confiabilidad, que generalmente oscila entre 1.2 y 1.5 según la experiencia; y E₀ se refiere a la intensidad de ruptura dieléctrica del gas. En la práctica, esta intensidad de ruptura depende de la configuración específica de los dos electrodos, y la resistencia de ruptura del aire varía con diferentes estructuras de electrodos y distancias de separación. Con fines de análisis comparativo, este documento asume E₀ = 3 kV/mm. Como indica la Ecuación (1), aumentar el espacio eléctrico mínimo d y reducir el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico f pueden ambos mejorar el voltaje de resistencia del medio aislante de aire.
Cuando se trata de un campo eléctrico altamente no uniforme, para electrodos con un espacio eléctrico mínimo dentro del rango de 100 mm, el voltaje de resistencia se calcula como sigue:
En la fórmula, U50%(d) representa el voltaje de ruptura al 50% de un electrodo bajo un espacio eléctrico específico d durante pruebas de impulso de rayo. En campos eléctricos altamente no uniformes, hay una dispersión significativa en los voltajes de ruptura y tiempos de retardo de descarga más largos, lo que hace que el voltaje de ruptura sea altamente inestable. En aplicaciones de ingeniería prácticas, U50%(d) se determina realizando múltiples pruebas de impulso de rayo e identificando el voltaje aplicado en el que hay una probabilidad del 50% de ruptura. Este valor está estrechamente relacionado con la estructura del producto y la uniformidad del campo eléctrico. Se ha establecido que un coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico más bajo resulta en menos dispersión en el voltaje de ruptura, un voltaje de ruptura más alto y, en consecuencia, un voltaje de resistencia más alto. Por lo tanto, reducir el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico es beneficioso para mejorar el voltaje de resistencia de la interrupción de aislamiento.
4 Optimización Estructural
Para mejorar la uniformidad del campo eléctrico alrededor de la punta de la hoja de aislamiento y reducir el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico, se realizó una optimización de la estructura del escudo de gradiente. Los modelos del escudo de gradiente antes y después de la optimización se muestran en la Figura 5, mientras que las vistas en sección se proporcionan en la Figura 6. Como se puede ver en la Figura 6, en comparación con el diseño pre-optimización, el escudo de gradiente optimizado presenta un extremo más grueso con esquinas redondeadas, aumentando el radio de esquina de 0.75 mm a 4 mm. Esta mejora aumenta el radio de curvatura, promoviendo una distribución más uniforme del campo eléctrico. La distribución de la intensidad del campo eléctrico alrededor de la punta de la hoja de aislamiento optimizada se ilustra en la Figura 7. A partir de esta figura, es evidente que la máxima intensidad del campo eléctrico se ha reducido a 3.66 kV/mm, aproximadamente la mitad de su valor original, lo que indica una mejora notable.
Según la fórmula anterior f=Emax/Eav, el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico después de la optimización es 7.32, que es aproximadamente la mitad en comparación con antes de la optimización.
Esto indica una mejora significativa en la uniformidad del campo eléctrico alrededor de la punta de la hoja de aislamiento, demostrando que la optimización estructural fue efectiva. Una comparación de los datos antes y después de la optimización del escudo de gradiente se muestra en la Tabla 1. Como se puede ver en la Tabla 1, la estructura optimizada del escudo de gradiente reduce efectivamente el riesgo de descarga de ruptura entre las interrupciones de aislamiento. Sin embargo, el campo eléctrico entre las interrupciones de aislamiento sigue siendo altamente no uniforme, lo que significa que su voltaje de resistencia sigue determinado por U50%(d). El grado de mejora en el voltaje de resistencia puede confirmarse aún más mediante pruebas en el sitio.
5 Verificación Experimental
Para validar la efectividad del análisis de simulación, se realizaron pruebas de descarga parcial en una unidad de distribución de anillo aislada por aire de 12 kV. Se prepararon tres unidades prototipo (No. 1 a No. 3). Primero se realizaron pruebas de descarga parcial con los escudos de gradiente originales (pre-optimización) instalados en las hojas de aislamiento de las tres unidades. Posteriormente, se instalaron los escudos de gradiente optimizados y se repitieron las pruebas. Los datos de descarga parcial resultantes se presentan en la Tabla 2.
Como se muestra en la tabla, los niveles de descarga parcial antes de la optimización superaron los 20 pC, mientras que después de la optimización se redujeron a menos de 4.5 pC. Esto indica que la estructura optimizada del escudo de gradiente mejora efectivamente el rendimiento aislante de la unidad de distribución de anillo y confirma la validez de la simulación y análisis anteriores.
6 Conclusión
Basado en el análisis del campo eléctrico de la interrupción de aislamiento en una unidad de distribución de anillo aislada por aire de 12 kV, se extraen las siguientes conclusiones:
Dado que la capacidad aislante del aire es inferior a la de SF₆, es esencial mejorar la distribución del campo eléctrico para mejorar el rendimiento aislante cuando se utiliza el aire como medio aislante en los interruptores de tres posiciones de las unidades de distribución de anillo.
Debido a la complejidad estructural de los componentes móviles (hojas de aislamiento) en los interruptores de tres posiciones de las unidades de distribución de anillo aisladas por aire, la distribución de la intensidad del campo eléctrico en ciertas ubicaciones puede volverse altamente no uniforme. Para reducir esta no uniformidad, se pueden añadir escudos de gradiente en ambos lados de la hoja de aislamiento para proteger las regiones de alto campo cerca de las partes de conexión de la hoja, desplazando así la ubicación de la máxima intensidad del campo a los extremos de los escudos de gradiente. En este estudio, aumentar el radio de curvatura en el extremo del escudo de 0.75 mm a 4 mm redujo tanto la máxima intensidad local del campo eléctrico como el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico a aproximadamente la mitad de sus valores originales, logrando el efecto de optimización deseado.
La uniformidad de la distribución del campo eléctrico, o el coeficiente de no uniformidad del campo eléctrico, influye significativamente en las descargas parciales y de ruptura. Los campos altamente no uniformes tienden a producir descargas parciales estables (descargas coronarias). Tanto en campos ligeramente como altamente no uniformes, un coeficiente de no uniformidad más alto resulta en un voltaje de resistencia más bajo entre los electrodos.
