کاهش ریسک‌های تخلیه در RMUهای عایق هوایی ۱۲ کیلوولت با استفاده از طراحی سپر پله‌بندی
این مقاله از جدایی اصلی در نوع خاصی از واحدهای حلقه‌ای هوایی عایق شده با ولتاژ ۱۲ کیلوولت (RMU) به عنوان موضوع تحقیق استفاده می‌کند، توزیع و یکنواختی میدان الکتریکی در اطراف آن را تحلیل می‌کند، عملکرد عایق در این مکان را ارزیابی می‌کند و با بهینه‌سازی ساختاری، خطر تخلیه را کاهش داده و عملکرد عایق را افزایش می‌دهد، بنابراین مرجعی برای طراحی عایق محصولات مشابه فراهم می‌آورد.
۱ ساختار واحد حلقه‌ای هوایی عایق شده
مدل ساختاری سه‌بعدی RMU هوایی عایق شده که در این مقاله مطالعه شده است در شکل ۱ نشان داده شده است. مدار اصلی از یک ترکیب بین قطعک خلاء و سوئیچ سه‌وضعیتی تشکیل شده است، با تنظیم سوئیچ سه‌وضعیتی در سمت میله‌های هدایتی - یعنی سوئیچ سه‌وضعیتی در بخش بالای RMU قرار دارد، در حالی که قطعک خلاء در بخش پایین در ساختار ستونی جامد نصب شده است. چون قطعک خلاء در داخل ستون جاسازی شده است، خارج آن با رزین اپوکسی عایق شده است که خصوصیات عایقی به طور قابل توجهی بهتر از هوا است و نیازهای عایقی را برآورده می‌کند.
به علاوه، میله‌های هدایتی در نقطه بسته‌بندی ستون جامد از لبه‌های صاف و طرح منحنی استفاده می‌کنند که با ترکیب با عایق‌سازی سیلیکونی، مسائل تخلیه محلی در این منطقه را مؤثرانه کاهش می‌دهند. فاصله‌های عایقی بین میله‌های هدایتی و زمین طبق استانداردهای عایقی مربوطه طراحی شده و الزامات مقرراتی را برآورده می‌کنند.
بریده جدایی سوئیچ سه‌وضعیتی از هوا به عنوان مedium عایقی استفاده می‌کند. به عنوان یک مولفه اتصال قابل حرکت، ساختار آن شامل قطعات فلزی مانند پین‌ها، فنرهای مارپیچ، دیسک‌های فنری و سیروکلیپ‌ها برای افزایش فشار تماس بین نقاط تماس جدایی است. با این حال، به دلیل اشکال پیچیده این قطعات فلزی، توزیع میدان الکتریکی می‌تواند بسیار غیریکنواخت شود و منجر به تخلیه محلی و خطرات تخریب شود که به طور منفی بر عملکرد عایق در این مکان تأثیر می‌گذارد.
بنابراین، طراحی الکتریکی این ساختار بسیار حیاتی است. طبق نیازهای طراحی محصول، برش جدایی باید به ولتاژ تحمل کوتاه‌مدت تغییرات بسامدی ۵۰ کیلوولت مقاوم باشد، با حداقل فاصله الکتریکی طراحی شده ۱۰۰ میلی‌متر. با توجه به پیچیدگی ساختار بریده جدایی، سپرهای رتبه‌بندی شده در دو طرف بریده اضافه شده‌اند تا یکنواختی میدان الکتریکی را بهبود بخشند و تخلیه محلی را کاهش دهند. مدل سه‌بعدی سوئیچ سه‌وضعیتی در شکل ۲ نشان داده شده است. این مقاله تحلیل شبیه‌سازی میدان الکتریکی این برش جدایی را انجام می‌دهد.
۲ تحلیل شبیه‌سازی
از نرم‌افزار المان محدود برای انجام شبیه‌سازی میدان الکتریکی واحد حلقه‌ای استفاده شده و توزیع شدت میدان الکتریکی در برش جدایی تحت ولتاژ تحمل کوتاه‌مدت تغییرات بسامدی ۵۰ کیلوولت مشخص شده تحلیل شده است. دو مورد شبیه‌سازی میدان الکترواستاتیکی در نظر گرفته شده است:
مورد ۱: سمت میله‌های هدایتی (سمت تماس ثابت جدایی) در پتانسیل پایین (۰ ولت) و سمت خط (سمت نوک بریده جدایی) در پتانسیل بالا (۵۰ کیلوولت).
مورد ۲: سمت میله‌های هدایتی (سمت تماس ثابت جدایی) در پتانسیل بالا (۵۰ کیلوولت) و سمت خط (سمت نوک بریده جدایی) در پتانسیل پایین (۰ ولت).
توزیع میدان الکتریکی در محل شدت میدان الکتریکی ماکزیمم برای هر دو مورد از طریق شبیه‌سازی به دست آمده است. توزیع شدت میدان الکتریکی در نوک بریده جدایی در مورد ۱ در شکل ۳ و توزیع در تماس ثابت جدایی در مورد ۲ در شکل ۴ نشان داده شده است. در مورد ۱، شدت میدان الکتریکی ماکزیمم در انتهای سپر رتبه‌بندی شده رخ می‌دهد و به ۷.۰۷ کیلوولت بر میلی‌متر می‌رسد؛ در مورد ۲، شدت ماکزیمم در لبه صاف تماس ثابت جدایی رخ می‌دهد و مقدار آن ۴.۹۰ کیلوولت بر میلی‌متر است.
شدت میدان الکتریکی بحرانی معمولی برای هوا ۳ کیلوولت بر میلی‌متر است. همان‌طور که در شکل‌های ۳ و ۴ نشان داده شده است، در حالی که شدت میدان الکتریکی در بیشتر مناطق برش جدایی کمتر از ۳ کیلوولت بر میلی‌متر است - که برای ایجاد تخریب کافی نیست - مناطق محلی وجود دارند که از این آستانه بیشتر می‌شوند و منجر به تخلیه محلی می‌شوند. وقتی هوا از خشک به مرطوب تغییر می‌کند، قابلیت عایقی آن کاهش می‌یابد [۱۰]، که شدت میدان الکتریکی بحرانی یکنواخت را کمتر از ۳ کیلوولت بر میلی‌متر می‌کند. علاوه بر این، توزیع میدان الکتریکی بسیار غیریکنواخت شدت میدان الکتریکی بحرانی هوا را کاهش می‌دهد و احتمال و خطر تخریب را افزایش می‌دهد. برای کاهش تأثیر عوامل محیطی خارجی بر مedium عایقی هوا و بهبود یکنواختی میدان، این مطالعه درجه یکنواختی میدان الکتریکی و سطح ولتاژ تحمل برش جدایی را ارزیابی می‌کند و به عنوان پایه‌ای برای افزایش قابلیت عایقی برش استفاده می‌شود.
۳ ویژگی‌های عایقی هوا
۳.۱ تعیین ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی
در عمل، میدان الکتریکی کاملاً یکنواخت وجود ندارد؛ تمام میدان‌های الکتریکی ذاتاً غیریکنواخت هستند. بر اساس ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی f، میدان‌های الکتریکی به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: وقتی f ≤ ۴، میدان به عنوان کمی غیریکنواخت در نظر گرفته می‌شود؛ وقتی f > ۴، به عنوان بسیار غیریکنواخت در نظر گرفته می‌شود. ضریب غیریکنواختی f به صورت f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ تعریف می‌شود، که در آن Eₘₐₓ شدت میدان الکتریکی محلی ماکزیمم است که از مقدار پیک در نتایج شبیه‌سازی به دست می‌آید، و Eₐᵥ شدت میدان الکتریکی میانگین است که به صورت ولتاژ اعمال شده تقسیم بر کمترین فاصله الکتریکی محاسبه می‌شود.
از شکل ۳، Eₘₐₓ = ۷.۰۷ کیلوولت بر میلی‌متر و Eₐᵥ = ۰.۵ کیلوولت بر میلی‌متر. بنابراین، ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی در برش جدایی f = ۱۴.۱۴ > ۴ است که نشان‌دهنده یک میدان الکتریکی بسیار غیریکنواخت است. در مناطق با میدان‌های الکتریکی بسیار غیریکنواخت، تخلیه محلی پایدار می‌تواند رخ دهد و هرچه درجه غیریکنواختی بیشتر باشد، تخلیه محلی بیشتر و مقدار تخلیه بیشتر می‌شود. برای یک واحد حلقه‌ای ۱۲ کیلوولت، مجموع کلی تخلیه محلی در کل کابین باید کمتر از ۲۰ پیکوکولمب باشد [۵, ۱۱]. بنابراین، کاهش ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی به کاهش سطح تخلیه محلی کمک می‌کند.
۳.۲ تعیین ولتاژ تحمل هوا
ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی بر ولتاژ تحمل هوا تأثیر می‌گذارد. وقتی میدان کمی غیریکنواخت است، ولتاژ تحمل به صورت زیر است:
که در آن U ولتاژ تحمل را نشان می‌دهد؛ d کمترین فاصله الکتریکی بین الکترودها را نشان می‌دهد؛ k یک عامل قابلیت اطمینان است که معمولاً بر اساس تجربه بین ۱.۲ تا ۱.۵ متغیر است؛ و E₀ به شدت میدان الکتریکی تخریب دی الکتریک گاز اشاره دارد. در عمل، این شدت میدان تخریب به ترتیب خاص دو الکترود بستگی دارد و شدت تخریب هوا با ساختارهای مختلف الکترود و فواصل متفاوت تغییر می‌کند. برای مقایسه تحلیلی، این مقاله E₀ = ۳ کیلوولت بر میلی‌متر را فرض می‌کند. همان‌طور که توسط معادله (۱) نشان داده شده است، افزایش کمترین فاصله الکتریکی d و کاهش ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی f می‌تواند ولتاژ تحمل مedium عایقی هوا را افزایش دهد.
وقتی با یک میدان الکتریکی بسیار غیریکنواخت سروکار داریم، برای الکترودها با کمترین فاصله الکتریکی در محدوده ۱۰۰ میلی‌متر، ولتاژ تحمل به صورت زیر محاسبه می‌شود:
در این فرمول، U50%(d) ولتاژ تخریب ۵۰٪ الکترود در یک فاصله الکتریکی خاص d در آزمون‌های ضربه‌ای برق رعدی را نشان می‌دهد. در میدان‌های الکتریکی بسیار غیریکنواخت، توزیع ولتاژ تخریب قابل توجه است و زمان تأخیر تخلیه طولانی‌تر است که ولتاژ تخریب را بسیار ناپایدار می‌کند. در کاربردهای مهندسی عملی، U50%(d) با انجام چندین آزمون ضربه‌ای برق رعدی و شناسایی ولتاژ اعمال شده که احتمال ۵۰٪ تخریب رخ می‌دهد تعیین می‌شود. این مقدار به ساختار محصول و یکنواختی میدان الکتریکی بستگی زیادی دارد. ثابت شده است که ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی کمتر منجر به کمترین توزیع ولتاژ تخریب، ولتاژ تخریب بالاتر و در نتیجه ولتاژ تحمل بالاتر می‌شود. بنابراین، کاهش ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی برای افزایش ولتاژ تحمل برش جدایی مفید است.
۴ بهینه‌سازی ساختاری
برای بهبود یکنواختی میدان الکتریکی در اطراف نوک بریده جدایی و کاهش ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی، بهینه‌سازی ساختار سپرهای رتبه‌بندی شده انجام شد. مدل‌های سپرهای رتبه‌بندی شده قبل و بعد از بهینه‌سازی در شکل ۵ نشان داده شده‌اند، در حالی که برش‌های مقطعی در شکل ۶ ارائه شده‌اند. همان‌طور که از شکل ۶ مشخص است، در مقایسه با طراحی قبل از بهینه‌سازی، سپر رتبه‌بندی شده بهینه‌سازی شده دارای انتهای ضخیم‌تر با گوشه‌های گرد است، که شعاع گوشه را از ۰.۷۵ میلی‌متر به ۴ میلی‌متر افزایش می‌دهد. این بهبود شعاع انحنا را افزایش می‌دهد و توزیع میدان الکتریکی را یکنواخت‌تر می‌کند. توزیع شدت میدان الکتریکی در اطراف نوک بریده جدایی بهینه‌سازی شده در شکل ۷ نشان داده شده است. از این شکل مشخص است که شدت میدان الکتریکی ماکزیمم به ۳.۶۶ کیلوولت بر میلی‌متر کاهش یافته است، که تقریباً نصف مقدار اولیه آن است و نشان‌دهنده بهبود قابل توجهی است.
بر اساس فرمول ذکر شده f=Emax/Eav, ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی پس از بهینه‌سازی ۷.۳۲ است که تقریباً نصف مقدار قبل از بهینه‌سازی است.
این نشان‌دهنده بهبود قابل توجهی در یکنواختی میدان الکتریکی در اطراف نوک بریده جدایی است و نشان می‌دهد که بهینه‌سازی ساختاری موثر بوده است. مقایسه داده‌های قبل و بعد از بهینه‌سازی سپرهای رتبه‌بندی شده در جدول ۱ نشان داده شده است. همان‌طور که از جدول ۱ مشخص است، ساختار بهینه‌سازی شده سپرهای رتبه‌بندی شده به طور مؤثری خطر تخلیه تخریب بین برش‌های جدایی را کاهش می‌دهد. با این حال، میدان الکتریکی بین برش‌های جدایی همچنان بسیار غیریکنواخت است، به این معنی که ولتاژ تحمل آن همچنان توسط U50%(d) تعیین می‌شود. میزان بهبود ولتاژ تحمل می‌تواند از طریق تست‌های میدانی بیشتر تأیید شود.
این ترجمه جزئیات فنی و زمینه ارائه شده در متن اصلی را حفظ می‌کند و روشنی و دقت لازم را برای مخاطبان فارسی‌زبان فراهم می‌آورد.
۵ تأیید آزمایشی
برای تأیید اثربخشی تحلیل شبیه‌سازی، آزمون‌های تخلیه محلی بر روی یک واحد حلقه‌ای هوایی عایق شده ۱۲ کیلوولت انجام شد. سه واحد پروتوتیپ (شماره ۱ تا ۳) آماده شد. آزمون‌های تخلیه محلی ابتدا با نصب سپرهای رتبه‌بندی شده اصلی (قبل از بهینه‌سازی) بر روی بریده‌های جدایی همه سه واحد انجام شد. سپس سپرهای رتبه‌بندی شده بهینه‌سازی شده نصب شدند و آزمون‌ها تکرار شدند. داده‌های تخلیه محلی حاصل در جدول ۲ ارائه شده است.
