Päästövaaran vähentäminen 12 kV ilmakeinäeristettyihin RMU:eihin gradointikilven avulla

Tämä artikkeli käsittelee tietyntyyppisen 12 kV ilmaeristettyjen rengasmaisten yksiköiden (RMU) ensisijaista eristyskatkoa, analysoi sähkökentän jakautumista ja tasaisuutta sen ympärillä, arvioi eristyksen suorituskykyä tällä paikalla, ja vähentää purkauksen riskiä sekä parantaa eristystehokkuutta rakenteellisella optimoinnilla, tarjoten näin viitekehyksen samankaltaisten tuotteiden eristysuunnittelulle.

1 Ilmaeristetyn rengasmaisen yksikön rakenne

Tutkitun ilmaeristetyn RMU:n kolmiulotteinen rakennemalli on esitetty kuvassa 1. Pääpiirros hyödyntää tyhjiökynaavijan ja kolmipaikan kytkimen yhdistelmäasetelmaa, jossa kolmipaikka asetetaan päävirtajohdon puolelle - toisin sanoen kolmipaikka sijoitetaan RMU:n yläosaan, kun taas tyhjiökynaavijä on asennettu alaosassa tiiviisti suljetussa polurakenteessa. Koska tyhjiökynaavijä on upotettu poluun, sen ulkopinta on eristetty epoksiharjalla, jolla on huomattavasti parempi eristysominaisuus kuin ilmassa, täten täyttäen eristyvaatimukset.

Lisäksi tiiviisti suljetun polun sulkupisteen yhteydessä oleva yhdistävä päävirtajohto käyttää niveltä ja kaarevaa muotoilua yhdistettynä silikonikumiin, mikä tehokkaasti lievittää osittaispurkautumisongelmia tällä alueella. Päävirtajohtojen väliset eristysvälimatkat ja maan vastaiset välimatkat on suunniteltu vastaamaan sovellettavia eristystandardeja ja niiden mukaisia vaatimuksia.

Kolmipaikan eristyslevyssä eristysvälineeksi toimii ilma. Liikutettavana yhdistävänä komponenttina sen rakenne sisältää metalliosia, kuten nivelleitä, kevyitä ja raskaita kevyitä ja circlippejä, joilla lisätään kosketuspainetta eristyskontaktien välillä. Kuitenkin näiden metalliosien monimutkaisen muodon vuoksi sähkökentän jakautuminen voi tulla erittäin epätasaiseksi, mikä johtaa osittaiseen purkautumiseen ja mahdollisiin murrosmahdollisuuksiin, jotka heikentävät eristyksen suorituskykyä tällä paikalla.

Siksi tämän rakenteen sähkösuunnittelu on erityisen tärkeää. Tuotesuunnittelun vaatimusten mukaan eristyskatko on tarkoitus kestää 50 kV:n nimellisen lyhytaikaisen virtaympäristön kestävän jännitteen, ja vähimmäissuunnitelluksi sähkövälimatkaksi on määritelty 100 mm. Erityisesti eristyslevyn monimutkaisen rakenteen vuoksi molemmille levyn sivuille on lisätty graduaatiovarjoja, jotta sähkökentän tasaisuutta paranetaan ja osittaispurkautumista vähennetään. Kolmipaikan kolmiulotteinen malli on esitetty kuvassa 2. Tässä artikkelissa suoritetaan sähkökenttäsimulaatioanalyysi tälle eristyskatkolle.

2 Simulaatioanalyysi

Rengasmaiseen yksikköön suoritettiin sähkökenttäsimulointia elementtimenetelmällä, analysoiden sähkökentän voiman jakautumista eristyskatkolla määritellyllä 50 kV:n nimellisellä lyhytaikaisella virtaympäristön kestävällä jännitteellä. Kaksi elektrostaattista kentän simulaatiota otettiin huomioon:

• Tapaus 1: Päävirtajohtopuoli (eristyskiinteä kontaktipuoli) on alimmalla potenttiollassa (0 V), ja linjapuoli (eristyslevyn kärkipuoli) on korkeimmalla potenttiollassa (50 kV).

• Tapaus 2: Päävirtajohtopuoli (eristyskiinteä kontaktipuoli) on korkeimmalla potenttiollassa (50 kV), ja linjapuoli (eristyslevyn kärkipuoli) on alimmalla potenttiollassa (0 V).

Simuloinnilla saatiin molemmissa tapauksissa maksimaalisen sähkökentän voiman jakautuma. Tapauksessa 1 eristyslevyn kärkipuolen sähkökentän voiman jakautuma on esitetty kuvassa 3, ja tapauksessa 2 eristyskiinteän kontaktin sähkökentän voiman jakautuma on esitetty kuvassa 4. Tapauksessa 1 maksimaalinen sähkökentän voima ilmenee graduaatiovarjon päähän, saavuttaen 7,07 kV/mm; tapauksessa 2 maksimi ilmenee eristyskiinteän kontaktin nivellin reunalle, jossa arvo on 4,90 kV/mm.

Ilman typinen kriittinen murtojännite on 3 kV/mm. Kuvien 3 ja 4 perusteella, vaikka enemmistössä eristyskatkon alueita sähkökentän voima on alle 3 kV/mm - mikä ei ole riittävä murtoon - paikalliset alueet ylittävät tämän kynnysarvon, mikä johtaa osittaiseen purkautumiseen. Kun ilma muuttuu kuivasta kosteaan, sen eristykyky laskee [10], mikä alentaa kriittisen tasaisen murtojännitteen alle 3 kV/mm. Lisäksi erittäin epätasainen sähkökentän jakautuminen edelleen vähentää ilmaa koskevan kriittisen murtojännitteen, lisäämällä murron todennäköisyyttä ja riskiä. Ulkoisten ympäristötekijöiden vaikutuksen vähentämiseksi ilmaeristyksen mediaan ja sähkökentän tasaisuuden parantamiseksi tämä tutkimus arvioi sähkökentän tasaisuuden asteen ja kestävän jännitteen tason eristyskatkolla, toimien perustana eristystehokkuuden parantamiselle katkolla.

3 Ilman eristysominaisuudet

3.1 Sähkökentän epätasaisuuskertoimen määrittäminen

Käytännössä täydellisesti tasainen sähkökenttä ei ole olemassa; kaikki sähkökentät ovat luonteeltaan epätasaisia. Sähkökentän epätasaisuuskertoimen f perusteella sähkökentät luokitellaan kahteen ryhmään: kun f ≤ 4, kenttä pidetään hieman epätasaisena; kun f > 4, se pidetään erittäin epätasaisena. Epätasaisuuskertoimen f määritelmä on f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, missä Eₘₐₓ on paikallinen maksimisähkökentän voima, joka saadaan simuloinnin huippuarvosta, ja Eₐᵥ on keskimääräinen sähkökentän voima, laskettuna sovellettavan jännitteen ja pienimmän sähkövälimatkan avulla.

Kuvasta 3 Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm ja Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Siksi eristyskatkon sähkökentän epätasaisuuskertoimeksi saadaan f = 14,14 > 4, mikä osoittaa erittäin epätasaisen sähkökentän. Erittäin epätasaisissa kentissä voidaan esiintyä vakaita osittaispurkautumisia, ja mitä suurempi epätasaisuuden aste, sitä merkittävämpi osittaispurkautuminen ja suurempi purkautumismäärä. 12 kV rengasmaiselle yksikölle koko laitteen osittaispurkautumismäärä on vaadittu olemaan alle 20 pC [5,11]. Siksi sähkökentän epätasaisuuskertoimen vähentäminen auttaa osittaispurkautumistasoa vähentämään.

3.2 Ilman kestävän jännitteen määrittäminen

Sähkökentän epätasaisuuskertoimen vaikutus kuivaa ilmaa koskevaan kestävään jännitteeseen. Kun kenttä on hieman epätasainen, kestävä jännite on:

missä U tarkoittaa kestävää jännitettä; d on vähimmäissähkövälimatka elinkeistä; k on luotettavuuskertoimia, joka periaatteessa on kokemuksen mukaan 1,2-1,5; ja E₀ tarkoittaa kaasun dielektrisen murtojännitteen voimaa. Käytännössä tämä murtojännite riippuu kahden elinkin tietystä asettelusta, ja ilman murtojännite vaihtelee eri elinkirakenteiden ja välimatkojen kanssa. Vertailuanalyysin tarkoituksessa tässä artikkelissa oletetaan, että E₀ = 3 kV/mm. Yhtälön (1) mukaan vähimmäissähkövälimatkan d kasvattaminen ja sähkökentän epätasaisuuskertoimen f vähentäminen voivat molemmat parantaa ilmaeristymediatin kestävää jännitettä.

Erittäin epätasaisessa sähkökentässä, kun vähimmäissähkövälimatka on noin 100 mm, kestävä jännite lasketaan seuraavasti:

Yhtälössä U50%(d) tarkoittaa 50 prosentin murtojännitettä tietyllä sähkövälimatkalla d salamanimpulssitesteissä. Erittäin epätasaisissa sähkökentissä murtojännitteissä on huomattava hajaannus ja pitkä purkautumisaika, mikä tekee murtojännitteestä erittäin epävakaa. Käytännön insinöörimäärityksessä U50%(d) määritetään suorittamalla useita salamanimpulssitestejä ja tunnistamalla sovellettava jännite, jolla on 50 prosentin murtojännitteen todennäköisyys. Tämä arvo on läheisesti liitetty tuotteen rakenteeseen ja sähkökentän tasaisuuteen. On havaittu, että alhaisempi sähkökentän epätasaisuuskertoimella on vähemmän hajaannusta murtojännitteissä, korkeampi murtojännite ja siksi korkeampi kestävä jännite. Siksi sähkökentän epätasaisuuskertoimen vähentäminen on hyödyllistä eristyskatkon kestävän jännitteen parantamiseksi.

4 Rakenteellinen optimointi

Eristyslevyn kärkipuolen ympärillä olevan sähkökentän tasaisuuden parantamiseksi ja sähkökentän epätasaisuuskertoimen vähentämiseksi graduaatiovarjojen rakennetta optimoitiin. Graduaatiovarjojen mallit ennen ja jälkeen optimoinnin on esitetty kuvassa 5, kun taas poikkileikkeet on esitetty kuvassa 6. Kuvasta 6 on nähtävissä, että verrattuna ennakoivaan suunnitteluun optimoitu graduaatiovarjo on paksuammalla päällä pyöreillä kulmissa, jossa kulmaradius on kasvanut 0,75 mm:stä 4 mm:ään. Tämä parantaminen lisää kulmaradiaania, mikä edistää sähkökentän tasaisempaa jakautumista. Optimoidun eristyslevyn kärkipuolen ympärillä oleva sähkökentän voiman jakautuma on esitetty kuvassa 7. Kuvasta on selvää, että maksimaalinen sähkökentän voima on vähentynyt 3,66 kV/mm:ään, noin puoleen alkuperäisestä arvosta, mikä osoittaa huomattavaa parannusta.

Mainitun kaavan f=Emax/Eavf=Emax/Eav mukaan optimoitu sähkökentän epätasaisuuskertoimella on 7,32, mikä on noin puolet alkuperäisestä arvosta.

Tämä osoittaa merkittävän parannuksen eristyslevyn kärkipuolen ympärillä olevan sähkökentän tasaisuudessa, mikä osoittaa, että rakenteellinen optimointi oli tehokasta. Taulukossa 1 on esitetty vertailu graduaatiovarjojen optimoinnin ennen ja jälkeen. Taulukosta 1 on nähtävissä, että optimoitu graduaatiovarjojen rakenne todella vähentää murtojen riskiä eristyskatkolla. Kuitenkin sähkökenttä eristyskatkolla on edelleen erittäin epätasainen, mikä tarkoittaa, että sen kestävä jännite määräytyy edelleen U50%(d)U50%(d). Kestävän jännitteen parannuksen laajuuden voidaan vahvistaa paikan päällä suoritettujen testien avulla.

5 Kokeellinen varmistus

Simulaatioanalyysin tehokkuuden varmistamiseksi suoritettiin osittaispurkautumistestejä 12 kV:n ilmaeristetylle rengasmaiselle yksikölle. Valmistettiin kolme prototyyppiyksikköä (Nro 1-3). Osittaispurkautumistestit suoritettiin ensin alkuperäisillä (ennen optimointia) graduaatiovarjoilla asennettuna kaikkien kolmen yksikön eristyslevyille. Tämän jälkeen asennettiin optimoidut graduaatiovarjot ja testit toistettiin. Tuloksena saatujen osittaispurkautumistiedot on esitetty taulukossa 2.

Taulukosta nähdään, että optimoinnin ennen osittaispurkautumistasot olivat kaikki yli 20 pC, kun taas optimoinnin jälkeen ne vähentyivät alle 4,5 pC. Tämä osoittaa, että optimoidun graduaatiovarjojen rakenne tehokkaasti parantaa rengasmaisen yksikön eristystehokkuutta ja vahvistaa edellisten simulointien ja analyysien pätevyyttä.

6 Johtopäätös

12 kV ilmaeristetyn rengasmaisen yksikön eristyskatkon sähkökenttäanalyysin perusteella on seuraavat johtopäätökset:

• Koska ilman eristykyky on huonompi kuin SF₆:n, sähkökentän jakautumisen parantaminen on olennaista eristystehokkuuden parantamiseksi, kun ilmaa käytetään eristysvälineenä kolmipaikan kytkimissä rengasmaisissa yksiköissä.

• Kolmipaikan kytkimien siirtymäkomponenttien (eristyslevyjen) monimutkaisen rakenteen vuoksi sähkökentän voiman jakautuminen tietyillä paikoilla voi tulla erittäin epätasaiseksi. Tätä epätasaisuutta vähennetään lisäämällä graduaatiovarjoja eristyslevyn molemmille puolille, mikä suojailee korkean kentän alueita levyn yhteyden osissa, siirtäen huippukentän voiman sijainnin graduaatiovarjojen päihin. Tässä tutkimuksessa kulmaradian lisääminen varjon päähän 0,75 mm:stä 4 mm:ään vähensi sekä paikallista maksimisähkökentän voimaa että sähkökentän epätasaisuuskertoimia noin puoleen alkuperäisestä arvosta, saavuttaen halutun optimointieffektin.

• Sähkökentän jakautumisen tasaisuus, tai sähkökentän epätasaisuuskertoimien, vaikuttaa merkittävästi osittaispurkautumisiin ja murtoihin. Erittäin epätasaisissa kentissä voidaan esiintyä vakaita osittaispurkautumisia (korona-purkautumisia). Sekä hieman että erittäin epätasaisissa kentissä korkeampi epätasaisuuskertoimella on alhaisempi kestävä jännite elinkeistä.