تقلیل ریسک های تخلیه در RMUهای عایق هوایی 12 kV با استفاده از طراحی سپر مرتبه بندی

این مقاله با بررسی شکاف اصلی عایق‌بندی یک نوع واحد توزیع حلقه‌ای هوایی (RMU) با ولتاژ ۱۲ کیلوولت، توزیع و یکنواختی میدان الکتریکی در اطراف آن را تحلیل می‌کند، عملکرد عایق‌بندی در این محل را ارزیابی می‌نماید و با بهینه‌سازی ساختاری، خطر برق‌گذری را کاهش داده و عملکرد عایق‌بندی را افزایش می‌دهد. این تحقیق مرجعی برای طراحی عایق‌بندی محصولات مشابه فراهم می‌کند.

۱ ساختار واحد توزیع حلقه‌ای هوایی

さらに、ソリッドシールドポールのシール部にある接続母線は、カッターデザインとアーク形状を組み合わせており、シリコーンゴムシールと組み合わせることで、この領域での部分放電問題を効果的に軽減します。母線間および地線への絶縁クリアランスは、関連する絶縁基準に基づいて設計され、規制要件を満たしています。

スリー・ポジション・スイッチの分離ブレードは、空気を絶縁媒体として使用します。移動可能な接続部品として、その構造にはピン、ばね、ディスクばね、クリップなどの金属部品が含まれており、分離接触点間の接触圧力を高めます。しかし、これらの金属部品の複雑な形状により、電界分布が非常に不均一になり、部分放電や潜在的な破壊リスクが生じ、この場所の絶縁性能に悪影響を与える可能性があります。

したがって、この構造の電気設計は特に重要です。製品設計要件によれば、分離ブレーキは50kVの定格短時間商用周波数耐電圧を耐えられる必要があります。最小設計電気クリアランスは100mmです。分離ブレード構造の複雑さを考えると、ブレードの両側にグレーディングシールドを追加して電界の一様性を改善し、部分放電を減少させます。スリー・ポジション・スイッチの三次元モデルは図2に示されています。この論文では、この分離ブレーキについて電界シミュレーション分析を行っています。

2 シミュレーション分析

有限要素ソフトウェアを使用して、リングメインユニットの電界シミュレーションを行い、指定された50 kV定格短時間商用周波数耐電圧下での分離ブレーキの電界強度分布を分析しました。以下の2つの静電界シミュレーションケースを考慮しました：

• ケース1: バスバー側（分離固定接触側）が低電位（0 V）、ライン側（分離ブレード先端側）が高電位（50 kV）。

• ケース2: バスバー側（分離固定接触側）が高電位（50 kV）、ライン側（分離ブレード先端側）が低電位（0 V）。

シミュレーションを通じて、両ケースにおける最大電界強度の位置での電界分布を得ました。ケース1における分離ブレード先端の電界強度分布は図3に、ケース2における分離固定接触の電界強度分布は図4に示されています。ケース1では、最大電界強度はグレーディングシールドの端で7.07 kV/mmに達し、ケース2では分離固定接触のカッター部で4.90 kV/mmに達しました。

空気の典型的な臨界破壊電界強度は3 kV/mmです。図3と図4から、分離ブレーキのほとんどの領域での電界強度は3 kV/mm未満であり、破壊を引き起こすほどではありませんが、局所的な領域でこの閾値を超えることがあり、部分放電が発生します。空気が乾燥状態から湿潤状態に変化すると、その絶縁能力が低下し[10]、臨界一様破壊電界強度が3 kV/mm以下になります。また、非常に不均一な電界分布はさらに空気の臨界破壊強度を低下させ、破壊の可能性とリスクを増大させます。外部環境要因による空気絶縁媒体への影響を軽減し、電界の一様性を改善するために、本研究では分離ブレーキ全体の電界の一様性と耐電圧レベルを評価し、ブレーキの絶縁能力を向上させるための基礎とします。

3 空気絶縁特性

3.1 電界非均一係数の決定

実際には、完全に均一な電界は存在せず、すべての電界は本質的に非均一です。電界非均一係数fに基づいて、電界は2種類に分類されます：f ≤ 4の場合、電界はわずかに非均一とみなされ、f > 4の場合、電界は高度に非均一とみなされます。非均一係数fはf = Eₘₐₓ/Eₐᵥで定義され、Eₘₐₓはシミュレーション結果のピーク値から得られる最大局所電界強度、Eₐᵥは適用電圧を最小電気クリアランスで割った平均電界強度です。

図3から、Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm、Eₐᵥ = 0.5 kV/mmです。したがって、分離ブレーキの電界非均一係数はf = 14.14 > 4となり、高度に非均一な電界であることがわかります。高度に非均一な電界では、安定した部分放電が発生し、非均一性の程度が高いほど部分放電が顕著になり、放電量も大きくなります。12 kVのリングメインユニットでは、キャビネット全体の部分放電量は20 pC未満であることが要求されます[5,11]。したがって、電界非均一係数を減らすことは部分放電レベルを低下させるのに役立ちます。

3.2 空気耐電圧の決定

電界非均一係数は乾燥空気の耐電圧に影響を与えます。電界がわずかに非均一な場合、耐電圧は次の式で与えられます：

ここで、Uは耐電圧、dは電極間の最小電気クリアランス、kは信頼係数（通常、経験上1.2〜1.5）、E₀はガスの絶縁破壊電界強度を表します。実際には、この破壊電界強度は2つの電極の具体的な構成に依存し、空気の破壊強度は異なる電極構造やクリアランス距離によって変動します。比較分析のために、本論文ではE₀ = 3 kV/mmと仮定します。式(1)から、最小電気クリアランスdを増加させ、電界非均一係数fを減少させることで、空気絶縁媒体の耐電圧を向上させることができます。

高度に非均一な電界の場合、最小電気クリアランスが100 mm範囲内の電極については、耐電圧は以下の式で計算されます：

この式では、U50%(d)は特定の電気クリアランスdでの雷衝撃試験中の50%破壊電圧を表します。高度に非均一な電界では、破壊電圧に大きな分散があり、放電遅延時間が長くなるため、破壊電圧は非常に不安定です。実際のエンジニアリングアプリケーションでは、U50%(d)は複数回の雷衝撃試験を行い、50%の確率で破壊が発生する適用電圧を特定することで決定されます。この値は製品の構造と電界の一様性に密接に関連しています。電界非均一係数が低いほど、破壊電圧の分散が少なくなり、破壊電圧が高くなり、結果として耐電圧が高くなります。したがって、電界非均一係数を減らすことは分離ブレーキの耐電圧を向上させるのに有益です。

4 構造最適化

分離ブレード先端周辺の電界の一様性を改善し、電界非均一係数を減らすために、グレーディングシールドの構造を最適化しました。最適化前後のグレーディングシールドのモデルは図5に示され、断面図は図6に示されています。図6から、最適化前の設計と比較して、最適化されたグレーディングシールドは端部が厚く丸みを帯びており、コーナー半径が0.75 mmから4 mmに増加しています。この改良により曲率半径が増加し、電界の一様分布が促進されます。最適化された分離ブレード先端周辺の電界強度分布は図7に示されています。この図から、最大電界強度が3.66 kV/mmに減少し、約半分になったことがわかり、顕著な改善が確認できます。

前述の式f=Emax/Eavによれば、最適化後の電界非均一係数は7.32となり、最適化前の約半分に減少しました。

これは、分離ブレード先端周辺の電界の一様性が顕著に改善されたことを示しており、構造最適化が有効であったことを示しています。最適化前後のグレーディングシールドのデータ比較は表1に示されています。表1から、最適化されたグレーディングシールド構造が分離ブレーキ間の破壊放電リスクを実際に減少させたことがわかります。ただし、分離ブレーキ間の電界は依然として高度に非均一であり、その耐電圧はU50%(d)によって決定されます。耐電圧の改善度合いは、現場試験を通じてさらに確認できます。

この翻訳は、原文で提供された技術的詳細と文脈を維持し、英語話者向けに明確かつ正確な情報を提供しています。

5 実験検証

シミュレーション分析の有効性を検証するために、12 kVの空気絶縁リングメインユニットで部分放電試験を行いました。3つのプロトタイプユニット（No. 1からNo. 3）を準備しました。最初に、すべての3つのユニットの分離ブレードにオリジナル（最適化前）のグレーディングシールドを装着して部分放電試験を行いました。その後、最適化されたグレーディングシールドを装着して試験を繰り返しました。得られた部分放電データは表2に示されています。

表から、最適化前の部分放電レベルはすべて20 pCを超えていますが、最適化後は4.5 pC以下に減少しました。これは、最適化されたグレーディングシールド構造がリングメインユニットの絶縁性能を効果的に向上させ、先行のシミュレーションと分析の妥当性を確認していることを示しています。

6 結論

12 kVの空気絶縁リングメインユニットの分離ブレーキの電界分析に基づいて、以下の結論が得られました：

• 空気の絶縁能力はSF₆よりも劣るため、リングメインユニットのスリー・ポジション・スイッチで空気を絶縁媒体として使用する場合、電界分布を改善することが絶縁性能を向上させる上で重要です。

• 空気絶縁リングメインユニットのスリー・ポジション・スイッチの移動部品（分離ブレード）の構造が複雑なため、特定の場所での電界強度分布は非常に不均一になることがあります。この不均一性を減らすために、分離ブレードの両側にグレーディングシールドを追加し、ブレードの接続部近傍の高電界領域をシールドすることで、最大電界強度の位置をグレーディングシールドの端に移動させることができます。本研究では、シールドの端の曲率半径を0.75 mmから4 mmに増加させることで、最大局所電界強度と電界非均一係数をそれぞれ約半分に減少させ、目的の最適化効果を達成しました。

• 電界分布の一様性、または電界非均一係数は、部分放電と破壊放電に大きく影響します。高度に非均一な電界では、安定した部分放電（コロナ放電）が発生する傾向があります。どちらの非均一な電界でも、非均一係数が高いほど、電極間の耐電圧が低くなります。