Errekaketa Arriskuak Gutxitzea 12 kV Hego-Insulatutako RMUtan Gradu-Eskuzko Diseinua Erabiliz
Artikulua 12kV aireko isolatzea duen biribilgailu biribila (RMU) mota batetako lehentsuzko isolamenduaren tartearekin egin du ikerketa, bere inguruko elektrizitate-eremuaren banaketa eta uniformitatea aztertzen ditu, izolamenduaren prestazioa balioztatzen du eta emaitzetan egindako egituraren optimizazioaren bidez, eremua uniformeagoa eta isurtasuna handiagoa lortzeko, hala moduz beste produktu antolami bati laguntzeko.
1 Aireko Isolamendua Duen Biribilgailu Biribilaren Egitura
Ariketa honetan ikertutako aireko isolamendua duen RMUnaren egoera hiru dimentsioko modeluan ikus daiteke (Irudia 1). Zirkuitu nagusia vakuumeko txintxar eta posizio hiru bat dituen txintxaren konfigurazio batean oinarritzen da, posizio hiru bat busbarren aldean kokatuta dago – hau da, posizio hiru bat RMUn goian kokatuta dago, baina vakuumeko txintxak beheko zati solido-sealatuan kokatuta dago. Vakuumeko txintxak polotsuan sartuta dago, beraz, kanpoaldea epoxi resina izolatuta dago, airea baino askoz hobeto izolateko. Horrela, izolamenduari buruzko eskaintza bete daiteke.
Gainera, solido-sealatuko polotsuaren itxi puntuan kokatutako konektore busbarrak eskuinak eta arkua duten diseinu batekin, siliko gomarekin itxia, horrengo eremuan partzialki isurtzeko arriskua murrizten du. Busbarreren arteko eta lurren arteko izolamendu-distantziak orekatu direla izan daiteke izolamendu-estandarrak kontuan hartuta, eta normen eskaintzak bete daitezke.
Posizio hiru batetako isolamendu-txinta airea erabiltzen du insulante moduan. Mugitu daitekeen konexio-komponente gisa, bere egitura metal-pieza anitz ditu, pinak, springuak, disko-springuak eta circlipak barne, isolamendu kontaktuen arteko presioa handituz. Baina, komponente metal hauek forma kompletxuak dituzte, elektrizitate-eremuaren banaketa ez-uniformea sortuz, partzialki isurtzeko eta kolapsatzeko arrisku handiagoa sortuz, horrek izolamendu-prestazioa gaixitzen du.
Beraz, egituraren elektrizitate-diseinua oso garrantzitsua da. Produktuaren diseinu-eskaintzak kontuan hartuta, isolamendu-tarteak 50kV-ko mugitza-bisteko tensioa suportatu behar du, eta diseinuaren distantzia elektrikoa gutxienez 100mm izan behar du. Txintaren egituraren komplexutasunagatik, graduatutako eskudoak gehitzen dira txintaren bi aldetan, elektrizitate-eremu uniformeagoa lortzeko eta partzialki isurtzeko arriskua murrizteko. Posizio hiru batetako egoera hiru dimentsioko modeluan ikus daiteke (Irudia 2). Ariketa honek isolamendu-tarte honen gainean elektrizitate-eremuaren simulazioa egin du.
2 Simulazio Analisia
Elementu finituaren softwarea erabiliz, biribilgailu biribilaren elektrizitate-eremuaren simulazioa egin da, 50 kV-ko mugitza-bisteko tensioa jarrita, isolamendu-tartearen elektrizitate-eremuaren banaketa aztertuta. Bi kasu elektrostatico simulatu dira:
Kasu 1: Busbarren aldea (isolamendu finkoaren kontaktuaren aldea) potentzia baxuan (0 V), eta linearen aldea (isolamendu-txintaren muturretan) potentzia altuan (50 kV).
Kasu 2: Busbarren aldea (isolamendu finkoaren kontaktuaren aldea) potentzia altuan (50 kV), eta linearen aldea (isolamendu-txintaren muturretan) potentzia baxuan (0 V).
Simulazioaren bidez, bi kasuetan ere, elektrizitate-eremuaren banaketa maximoa lortu da. Kasu 1-n, isolamendu-txintaren muturretan elektrizitate-eremuaren banaketa ikus daiteke (Irudia 3), eta Kasu 2-n, isolamendu finkoaren kontaktuan (Irudia 4). Kasu 1-n, elektrizitate-eremu maximoa graduatutako eskudoko amaieran agertzen da, 7.07 kV/mm-ko balioarekin; Kasu 2-n, isolamendu finkoaren kontaktuaren eskualdean agertzen da, 4.90 kV/mm-ko balioarekin.
Airearen elektrizitate-eremu kritikoa 3 kV/mm da. Irudi 3 eta 4-ek ikusten digute bezala, isolamendu-tartearen gehienetan elektrizitate-eremuaren balioa 3 kV/mm baino txikiagoa da, kolapsatzeko arriskurik gabe, baina lokaltoki, balio hau gainditzen da, partzialki isurtzeko. Airearen egoera sekoetatik urrunetzatera aldatzen denean, bere izolamendu-prestazioa jaisten da [10], elektrizitate-eremu kritikoa 3 kV/mm baino txikiago bihurtuz. Gainera, elektrizitate-eremuaren banaketaren ez-uniformitasuna handiagoa denean, airearen kolapsatzeko arriskua handiagoa da. Hori dela eta, ekidin-ekologikoaren eragina murrizteko eta elektrizitate-eremu uniformeagoa lortzeko, ariketa honek elektrizitate-eremuaren uniformitasun maila eta suportatzen duen tensioa aztertu ditu, isolamendu-prestazioa hobetzeko oinarri gisa.
3 Airearen Izolamendu-Ezaugarriak
3.1 Elektrizitate-eremuaren Ez-uniformitasun Koeffizientuaren Zehazpena
Praktikan, elektrizitate-eremu perfektuki uniformerik ez da existitzen; guztiak ez-uniformeak dira. Elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientu f kontuan hartuta, elektrizitate-eremuak bi motatan sailkatzen dira: f ≤ 4 bada, eremua ez-uniforme txikiagokoa dela esaten da; f > 4 bada, ez-uniforme handiagokoa dela esaten da. Ez-uniformitasun koeffizientua f honela definitzen da: f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, non Eₘₐₓ elektrizitate-eremu lokal maximoa simulaorion emaitzetik lortzen den, eta Eₐᵥ elektrizitate-eremu batezbestekoak, aplikatutako tensioa zati distantzia elektrikoa minimoa delako.
Irudia 3-aren arabera, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm eta Eₐᵥ = 0.5 kV/mm. Beraz, isolamendu-tartearen elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientua f = 14.14 > 4, hau da, eremua ez-uniforme handiagokoa. Ez-uniforme handiagoko eremuetan, partzialki isurtzeko aukera daude, eta ez-uniformitasuna handiagoa, partzialki isurtzeko magnitudea handiagoa. 12 kV biribilgailu biribil batean, kabinetu osoaren partzialki isurtzeko kopuru totala 20 pC baino txikiagoa izan behar da [5,11]. Horrela, elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientua murrizteak partzialki isurtzeko maila jaitsi egingo du.
3.2 Airearen Suportatzen Duen Tensioaren Zehazpena
Elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientuak airearen suportatzen duen tensioa eragiten du. Erremua ez-uniforme txikiagokoa bada, suportatzen duen tensioa hau da:
non U suportatzen duen tensioa adierazten du; d elektrodoen arteko distantzia elektrikoa minimoa; k fidagarritasun faktorea, arrakasta-aritmetikoa kontuan hartuta, 1.2-1.5 artekoa; eta E₀ gasaren dielektrikotasun kolapsatzeko elektrizitate-eremuaren balioa. Praktikan, kolapsatzeko elektrizitate-eremu hori elektrodoen konfigurazio espesifikarekin dator. Airearen kolapsatzeko elektrizitate-eremuak elektrodoen egitura eta distantzia desberdinetan aldatzen dira. Aldaketa-analisiaren araberako, lan hau E₀ = 3 kV/mm hartzen du. Formula (1)-en arabera, distantzia elektrikoa minimoa (d) handitzea eta elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientua (f) murriztea airearen suportatzen duen tensioa handiagoa egingo du.
Erremua ez-uniforme handiagokoa bada, 100 mm distantzia elektrikoaren artean, suportatzen duen tensioa hau da:
Formula hau, U50%(d) elektrodo baten 50% kolapsatzeko tensioa adierazten du distantzia elektriko jakin batean. Ez-uniforme handiagoko eremuetan, kolapsatzeko tensioen dispersioa handia da, eta isurtasun-tartea luzea, kolapsatzeko tensioa inestablea da. Ingeniaritzan praktikan, U50%(d) kolapsatzeko proba anitz eginez, kolapsatzeko 50% probabilitatea duen tensioa zehaztuta. Balio hori produktuaren egitura eta elektrizitate-eremuaren uniformitasunarekin lotuta dago. Ez-uniformitasun koeffizientu txikiagoa, kolapsatzeko tensioen dispersioa txikiagoa, kolapsatzeko tensio handiagoa, eta beraz, suportatzen duen tensio handiagoa. Horrela, elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientua murrizteak isolamendu-tartearen suportatzen duen tensioa handitzen du.
4 Egituraren Optimizazioa
Isolamendu-txintaren muturretako elektrizitate-eremuaren uniformitatea hobetzeko eta elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientua murrizteko, graduatutako eskudoen egitura optimizatu da. Graduatutako eskudoen aurreko eta ondorengo modeluak ikus daitezke (Irudia 5), eta sekzio-bista (Irudia 6). Irudia 6-aren arabera, optimizazioa aurretik duten diseinuarekin alderatuta, optimizatutako graduatutako eskudok amaiera lodiera eta ertz bornatu batekin, ertz-radiusa 0.75 mm-tik 4 mm-ra igotzen da. Hobekuntza hau ertz-radiusa handiagoa egin du, elektrizitate-eremuaren banaketa uniformeagoa lortuz. Isolamendu-txintaren muturretako elektrizitate-eremuaren banaketa optimizatutakoaren gainean ikus daiteke (Irudia 7). Irudi horretatik, elektrizitate-eremu maximoa 3.66 kV/mmra jaitsi da, hondarren erdi bat, hobeasketa nabarmena adierazten duena.
Aipaturiko formula f=Emax/Eav-ren arabera, optimizatutako elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientua 7.32 da, hondarren erdi bat optimizatu aurretik.
Honek isolamendu-txintaren muturretako elektrizitate-eremuaren uniformitatea hobetu dela adierazten du, egituraren optimizazioa efektiboa izan dela. Graduatutako eskudoen optimizazioaren aurre eta osteko datuak Ikuspegi 1-ean agertzen dira. Ikuspegi 1-eko datuetan ikus daitezke, optimizatutako graduatutako eskudoen egitura isolamendu-tartearen arteko kolapsatzeko arriskua jaitsi du. Baina, isolamendu-tartearen arteko elektrizitate-eremuak ez-uniformitasun handia mantentzen du, beraz, suportatzen duen tensioa oraindik U50%(d) bezala zehazten da. Suportatzen duen tensioaren hobekuntza neurria landutan egin zaitezkeen probak eginez konfirmatzeko.
5 Probak Eginak
Simulazio analisian egindako emaitzak balioztatzeko, 12 kV aireko isolamendua duen biribilgailu biribil batean partzialki isurtzeko probak egin dira. Hiru prototipo (No. 1- No. 3) prestatu dira. Lehenik, isolamendu-txinten gainean graduatutako eskudo orijinalak (optimizatu aurretik) instalatuta, partzialki isurtzeko probak egin dira. Ondoren, optimizatutako graduatutako eskudok instalatuta, probak berriz egin dira. Partzialki isurtzeko datuak Ikuspegi 2-ean agertzen dira.
Ikuspegi horretan ikus daitezke, optimizatu aurretik, partzialki isurtzeko mailak guztiak 20 pC baino handiagoak dira, baina optimizatu ondoren, 4.5 pC baino txikiagoak jaitsi dira. Honek optimizatutako graduatutako eskudoen egitura izolamendu-prestazioa hobetu duela adierazten du, eta aurreko simulazio eta analisia balioztatzen du.
6 Kontzeptuak
12 kV aireko isolamendua duen biribilgailu biribilaren isolamendu-tartearen elektrizitate-eremuaren analisiaren gainean, hurrengo kontzeptuak atera dira:
Airearen izolamendu-prestazioa SF₆ baino txikiagoa denez, airea izolamendu-moduan erabiltzen denean, biribilgailu biribilaren posizio hiru batetako elektrizitate-eremuaren banaketa hobetzeko garrantzitsu da.
Posizio hiru batetako mugitu daitezkeen osagaien (isolamendu-txintak) egitura komplexa delako, elektrizitate-eremuaren banaketa zenbait puntuetan ez-uniforme handiagoa bihotzen da. Ez-uniformetasuna murrizteko, graduatutako eskudoak isolamendu-txintaren bi aldetan gehitzen dira, elektrizitate-eremu handieneko erdiguneak isolamendu-txintaren konektoreen ondoan kokatuta. Lan hauetan, eskudoko amaieraren ertz-radiusa 0.75 mm-tik 4 mm-ra igotzeak elektrizitate-eremu lokal maximoa eta elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientua hondarren erdi bat jaitsi ditu, optimizazioa lortzeko.
Elektrizitate-eremuaren banaketa uniformearen edo elektrizitate-eremuaren ez-uniformitasun koeffizientuaren, partzialki isurtzeko eta kolapsatzeko isurtasuna eragiten du. Ez-uniformetasun handiarekin, partzialki isurtzeko (korona-isurtasuna) estabilitasuna handiagoa. Ez-uniforme txikiagoko eta ez-uniforme handiagoko eremuetan, ez-uniformitasun koeffizientu handiagoa, elektrodoen arteko suportatzen duen tensioa txikiagoa.
