12 kV õhuisolevatel RMU-de ulatuse riskide vähendamine gradueeriva kaitse disaini abil
See käsitlus võtab aluseks teatud tüübi 12kV õhuisoleeritud ringmõõdus ühiku (RMU) põhiline isolatsioonilõike, analüüsides selle ümber olevat elektrivälja jaotust ja ühtluse, hindades selle koha isolatsioonijõudlust, vähendades laengumisriske ja parandades isolatsioonijõudlust struktuursete optimiseeringute kaudu, nii et see annaks viidet sarnaste toodete isolatsioonikujundamiseks.
1 Õhuisoleeritud Ringmõõdu Struktuur
Selles töös uuritava õhuisoleeritud RMU kolmemõõtmeline struktuurimudel on näha Joonisel 1. Peamine tsüklit kasutab konfiguratsiooni, mis koosneb vakuumiklambirist ja kolmekohalise lüliti, kus kolmekohaline lülitin asub busbari pool - st kolmekohaline lülitin asub RMU ülemises osas, samas kui vakuumiklamber on paigutatud alumisse osa tugeva polestruktuuri kaudu. Kuna vakuumiklamber on pole sisse ehitatud, on selle väljakülg epoksi resina abil isolitud, mille isolatsioomomadused on oluliselt paremad kui õhu, täites nii isolatsiooninõuded.
Lisaks kasutatakse tugeva pole sulgemiskohal ühenduse busbaril nurkade tasandamist ja kaarelikku disaini, mis on kombinatsioonis silikoontummringi sulgemisega, mis tõhusalt vähendab osaliselt laengumise probleeme selles piirkonnas. Busbaride ja maapinnaga isolatsioonivahe on disainitud vastavalt asjakohastele isolatsioonistandarditele ja rahuldab reguleerivate nõueteid.
Kolmekohalise lülitja isolatsioonilõige sõltub õhust kui insuleerimismeediumist. Kui liikuv ühenduskomponent on selle struktuur hõlmab metallilisi osi, nagu pinna, vedru, keelvedru ja circlippe, et suurendada isolatsioonikontaktide vahelist kontaktjõudu. Kuid nende metalliliste osade keerulised kujud võivad põhjustada elektrivälja jaotuse väga ebavõrdsemaks, mis võib tingida osalist laengumist ja mahajärgnevaid laengumisriske, mis negatiivselt mõjutavad selle koha isolatsioonijõudlust.
Seetõttu on selle struktuuri elektrooniline disain eriti kriitiline. Toote disaininõuetega kooskõlas peab isolatsioonilõige taluma 50kV kiirema võrkliikumise ajalise taastuvuse voltagena, mille minimaalne disainitud elektriline vahe on 100mm. Arvestades isolatsioonilõike keerulist struktuuri, lisatakse lõigele mõlemale poolele graderimissildid, et parandada elektrivälja ühtlust ja vähendada osalist laengumist. Kolmekohalise lülitja kolmemõõtmeline mudel on näha Joonisel 2. See töö teostab elektrivälja simulatsioonanalüüsi selle isolatsioonilõike korral.
2 Simulatsioonanalüüs
Elektrivälja simulatsiooni ringmõõdu korral kasutati elementide meetodiga tarkvara, analüüsides elektrivälja tugevuse jaotust isolatsioonilõikes määratud 50 kV kiirema võrkliikumise ajalise taastuvuse voltagena. Kaalutud kahe elektrostaatilise välja simulatsioonijuhtumi:
Juhtum 1: Busbari pool (isolatsioonifikseeritud kontakti pool) on madal potentsiaal (0 V), ja liini pool (isolatsioonilõike tipu pool) on kõrge potentsiaal (50 kV).
Juhtum 2: Busbari pool (isolatsioonifikseeritud kontakti pool) on kõrge potentsiaal (50 kV), ja liini pool (isolatsioonilõike tipu pool) on madal potentsiaal (0 V).
Mõlemate juhtumite korral saadi simulatsioonide kaudu maksimaalse elektrivälja tugevuse asukoht. Juhtumi 1 korral isolatsioonilõike tipu elektrivälja tugevuse jaotus on näha Joonisel 3, ja Juhtumi 2 korral isolatsioonifikseeritud kontakti elektrivälja tugevuse jaotus on näha Joonisel 4. Juhtumi 1 korral on maksimaalne elektrivälja tugevus graderimissildi lõpus, jõudes 7,07 kV/mm; Juhtumi 2 korral on maksimaalne elektrivälja tugevus isolatsioonifikseeritud kontakti nurka, väärtusega 4,90 kV/mm.
Tavaline kriitiline murdvälja tugevus õhul on 3 kV/mm. Nagu näha Joonistetest 3 ja 4, siis kuigi suurim osa isolatsioonilõike elektrivälja tugevus on allapoole 3 kV/mm - mittepiisav murdmine -, siis lokalsetes piirkondades see limiidi ületatakse, mis põhjustab osalist laengumist. Kui õhu olekus muutub kuivast niiskaks, siis selle isolatsioonivõime vähenekse [10], vähendades kriitilist ühtlase murdvälja tugevust alla 3 kV/mm. Lisaks väga ebavõrdne elektrivälja jaotus veelgi vähendab õhu kriitilist murdvälja tugevust, suurendades laengumise tõenäosust ja riske. Et vähendada välise keskkonna tegurite mõju õhuisoleerimismeediumile ja parandada välja ühtlust, hindab see uuring elektrivälja ühtlust ja taastuvuse voltagena isolatsioonilõike kogemuste põhjal, et parandada lõike isolatsioonivõimet.
3 Õhu Isolatsioomomadused
3.1 Elektrivälja Ebatõene Koefitsiendi Määramine
Praktikas ei eksisteeri täpselt ühtlust elektrivälja, kõik väljad on loomulikult ebatõened. Põhinedes elektrivälja ebatõene koefitsiendil f, klassifitseeritakse elektrivälju kahte tüüpi: kui f ≤ 4, siis välja peetakse vähe ebatõene; kui f > 4, siis välja peetakse väga ebatõene. Ebatõene koefitsient f defineeritakse kui f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, kus Eₘₐₓ on maksimaalne lokalne elektrivälja tugevus, mida saadakse simulatsioonitulemuste põhjal, ja Eₐᵥ on keskmine elektrivälja tugevus, mis arvutatakse kui rakendatav voltag jagatud minimaalse elektrilise vahega.
Nagu näha Joonisest 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm ja Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Seega on elektrivälja ebatõene koefitsient isolatsioonilõikes f = 14,14 > 4, mis näitab väga ebatõenet elektrivälja. Väga ebatõenes väljas võib esineda stabiilset osalist laengumist, ja mida suurem ebatõene, seda ilmnematum on osaline laengumine ja suurem laengumisvool. 12 kV ringmõõdu korral nõutakse, et kogu kabinetis osaline laengumine oleks vähem kui 20 pC [5,11]. Seega aitab ebatõene koefitsiendi vähendamine vähendada osalist laengumist.
3.2 Õhu Taastuvuse Voltagena Määramine
Elektrivälja ebatõene koefitsient mõjutab kuiva õhu taastuvuse voltagena. Kui välja on vähe ebatõene, siis taastuvuse voltagena on:
kus U tähistab taastuvuse voltagena; d tähistab minimaalset elektrilist vahe elektroodide vahel; k on usaldusväärsuse tegur, tavaliselt 1,2 kuni 1,5 kogemuse põhjal; ja E₀ viitab gaasi dielektrilise murdvälja tugevusele. Praktikas sõltub see murdvälja tugevus konkreetsetest elektroodide konfiguratsioonidest, ja õhu murdvälja tugevus varieerub erinevate elektroode struktuuride ja vahega. Selleks, et võrrelda, see artikkel eeldab E₀ = 3 kV/mm. Väljend (1) järgi võivad minimaalset elektrilist vahe d suurenemine ja elektrivälja ebatõene koefitsiendi f vähendamine mõlemad parandada õhu isolatsioonimeediumi taastuvuse voltagena.
Kui tegemist on väga ebatõene elektrivälja, siis elektroodidega, mille minimaalne elektriline vahe on 100 mm ulatuses, arvutatakse taastuvuse voltagena järgmiselt:
Valemis U50%(d) tähistab elektroodi 50% murdvoltage konkreetse elektrilise vahe d kirjavilkude impulsitestide käigus. Väga ebatõenes väljas on murdvoltage suured dispersioonid ja pikemad laengumisaeged, mis teevad murdvoltage väga ebastabiilseks. Praktikas määratakse U50%(d) mitme kirjavilkude impulsitestide kaudu, tuvastades voltagena, millel on 50% tõenäosus murda. See väärtus on tihe seotud toote struktuuriga ja elektrivälja ühtlust. On leitud, et väiksem elektrivälja ebatõene koefitsient tõstab murdvoltage ja vähendab dispersiooni, suurendades seega taastuvuse voltagena. Seega aitab ebatõene koefitsiendi vähendamine parandada isolatsioonilõike taastuvuse voltagena.
4 Struktuuri Optimiseerimine
Isolatsioonilõike tipu ümbruses oleva elektrivälja ühtlust parandamiseks ja elektrivälja ebatõene koefitsiendi vähendamiseks optimeeriti graderimissildi struktuuri. Graderimissildi mudelid enne ja pärast optimeerimist on näha Joonisel 5, samas kui lõigud on näha Joonisel 6. Nagu näha Joonisest 6, võrreldes eeloptimeerimise disainiga, on optimeeritud graderimissildi lõpp on paks ja nurkad on suunatud, suurendades nurgade raadiusi 0,75 mm-st 4 mm-ni. See parandus suurendab nurgade raadiusi, edendades elektrivälja ühtlust. Optimeeritud isolatsioonilõike tipu ümbruses oleva elektrivälja tugevuse jaotus on näha Joonisel 7. Joonisest on näha, et maksimaalne elektrivälja tugevus on vähendatud 3,66 kV/mm-ni, umbes poolt selle algsest väärtusest, mis näitab märkimisvälist parandust.
Eelnimetatud valemiga f=Emax/Eav, elektrivälja ebatõene koefitsient pärast optimeerimist on 7,32, mis on umbes poolt selle eelneva väärtusest.
See näitab olulist parandust isolatsioonilõike tipu ümbruses oleva elektrivälja ühtlust, näitades, et struktuuri optimeerimine oli tõhus. Enne ja pärast graderimissildi optimeerimist andmed on näha Tabelis 1. Nagu näha Tabelist 1, optimeeritud graderimissildi struktuur vähendab tõesti laengumisriske isolatsioonilõike vahel. Kuid isolatsioonilõike vahel olev elektrivälja jääb endiselt väga ebatõene, tähendades, et selle taastuvuse voltagena määratakse U50%(d). Paranduse ulatust taastuvuse voltagena saab edasi kinnitada kohapealsete testide kaudu.
5 Katsete Kontroll
Simulatsioonianalüüsi tõhususe kontrollimiseks tehti osaliste laengumiste katseid 12 kV õhuisoleeritud ringmõõdul. Valmistati kolm prototüüpi (Nr. 1 kuni Nr. 3). Esimesena tehti osaliste laengumiste katseid kõigil kolmel ühikul, kus isolatsioonilõiked olid varajased (eeloptimeeritud) graderimissildid. Seejärel paigaldati optimeeritud graderimissildid ja katseid kordati. Saadud osaliste laengumiste andmed on näha Tabelis 2.
Nagu tabelist näha, osaliste laengumiste tasemed enne optimeerimist olid kõik üle 20 pC, samas kui pärast optimeerimist vähendasid need allapoole 4,5 pC. See näitab, et optimeeritud graderimissildi struktuur tõhusalt parandab ringmõõdu isolatsioonijõudlust ja kinnitab eelmist simulatsioonianalüüsi.
6 Lõpetus
Põhinedes 12 kV õhuisoleeritud ringmõõdu isolatsioonilõike elektrivälja analüüsil, järeldatakse järgmist:
Kuna õhu isolatsioonivõime on halvem kui SF₆, on elektrivälja jaotuse parandamine oluline, et parandada isolatsioonijõudlust, kui õhut kasutatakse kolmekohaliste lülitjate insuleerimismeediumina ringmõõdus.
Kolmekohaliste lülitjate liikuvate komponentide (isolatsioonilõike) struktuurilise keerukuse tõttu võib elektrivälja tugevuse jaotus teatud kohtades muutuda väga ebatõene. Ebatõeneksuse vähendamiseks võidakse isolatsioonilõike mõlemale poolele lisada graderimissildid, et kaitsta kõrgete välja piirkondi lõike ühenduspunktidel, nii et maksimaalne välja tugevuse asukoht liigutatakse graderimissildide lõppudele. Selles uuringus suurendati sildi lõpu kõveruse raadiusi 0,75 mm-st 4 mm-ni, mis vähendas nii maksimaalset lokalset elektrivälja tugevust kui ka elektrivälja ebatõene koefitsienti umbes poolt nende algsest väärtusest, saavutades soovitud optimeerimise efekt.
Elektrivälja jaotuse ühtlust, ehk elektrivälja ebatõene koefitsient, mõjutab oluliselt osalist ja murdvälja laengumist. Väga ebatõenes väljas tekib tõenäoliselt stabiilne osaline laengumine (korona laengumine). Nii vähesel kui ka väga ebatõenes väljal tõstab suurem ebatõene koefitsient elektrivälja tugevuse ja elektroodide vahelise taastuvuse voltagena.
