Pagpapababa ng mga Panganib sa Pag-discharge sa 12 kV Air-Insulated RMUs Gamit ang disenyo ng Grading Shield
Ang papel na ito ay tumutukoy sa pangunahing paghihiwalay ng isang uri ng 12kV air-insulated ring main unit (RMU) bilang paksa ng pagsasaliksik, analisa ang distribusyon at kaganapan ng elektrikong field sa paligid nito, pagtatasa ng kakayahan ng insulasyon sa lugar na ito, at pagbabawas ng panganib ng paglabas ng kuryente habang pinapabuti ang kakayahan ng insulasyon sa pamamagitan ng pag-o-optimize ng struktura, na nagbibigay ng sanggunian para sa disenyo ng insulasyon ng mga katulad na produkto.
1 Struktura ng Air-Insulated Ring Main Unit
Ang tatlong dimensyonal na modelo ng estruktura ng air-insulated RMU na pinag-aaralan sa papel na ito ay ipinapakita sa Figure 1. Ang pangunahing circuit ay gumagamit ng konfigurasyon na naglalabas ng vacuum switch kasama ang three-position switch, na inilalarawan na may three-position switch sa gilid ng busbar—i.e., ang three-position switch ay nakalagay sa itaas ng RMU, samantalang ang vacuum switch ay nakalagay sa ilalim sa solid-sealed pole structure. Dahil ang vacuum switch ay nakalinya sa loob ng pole, ang panlabas nito ay may insulasyon ng epoxy resin, na may mas mabuting kakayanan ng insulasyon kaysa sa hangin, na sumasapat sa mga pamantayan ng insulasyon.
Karagdagan pa, ang koneksyon ng busbar sa sealing point ng solid-sealed pole ay gumagamit ng chamfered edges at arc-shaped design, na pinagsamaan ng silicone rubber sealing, na epektibong nagbabawas ng mga isyu ng partial discharge sa lugar na ito. Ang mga clearance ng insulasyon sa pagitan ng mga busbar at sa lupa ay disenyo ayon sa mga kaugnay na pamantayan ng insulasyon at sumasapat sa mga regulasyon.
Ang isolation blade ng three-position switch ay umasa sa hangin bilang medium ng insulasyon. Bilang isang komponente ng koneksyon na maaaring galawin, ang strukturang ito ay kumakatawan sa mga metal na bahagi tulad ng pins, springs, disc springs, at circlips upang mapalakas ang presyon ng kontak sa pagitan ng mga isolation contacts. Gayunpaman, dahil sa mahirap na hugis ng mga metal na bahaging ito, ang distribusyon ng elektrikong field ay maaaring maging labis na hindi pantay, na nagdudulot ng partial discharge at potensyal na panganib ng breakdown, na negatibong umaapekto sa kakayanan ng insulasyon sa lugar na ito.
Kaya, ang disenyo ng elektrikal ng strukturang ito ay partikular na mahalaga. Ayon sa mga pamantayan ng disenyo ng produkto, ang isolation break ay dapat matitiisin ang rated short-time power-frequency withstand voltage na 50kV, na may minimum na disenyo ng electrical clearance na 100mm. Dahil sa kumplikadong estrukturang ito ng isolation blade, idinagdag ang mga grading shields sa parehong gilid ng blade upang mapabuti ang kaganapan ng elektrikong field at bawasan ang partial discharge. Ang tatlong dimensyonal na modelo ng three-position switch ay ipinapakita sa Figure 2. Ang papel na ito ay naglalayong mag-analisa ng simulasyon ng elektrikong field sa isolation break na ito.
2 Simulasyon at Analisis
Ginamit ang software ng finite element upang magsagawa ng simulasyon ng elektrikong field sa ring main unit, na nag-aanalisa ng distribusyon ng lakas ng elektrikong field sa isolation break sa ilalim ng 50 kV na rated short-time power-frequency withstand voltage. Ipinag-uutos ang dalawang kaso ng electrostatic field simulation:
Kaso 1: Ang gilid ng busbar (isolation fixed contact side) ay nasa mababang potensyal (0 V), at ang gilid ng line (isolation blade tip side) ay nasa mataas na potensyal (50 kV).
Kaso 2: Ang gilid ng busbar (isolation fixed contact side) ay nasa mataas na potensyal (50 kV), at ang gilid ng line (isolation blade tip side) ay nasa mababang potensyal (0 V).
Nakuha ang distribusyon ng elektrikong field sa lugar ng pinakamataas na lakas ng elektrikong field para sa parehong mga kaso sa pamamagitan ng simulasyon. Ang distribusyon ng lakas ng elektrikong field sa isolation blade tip sa Kaso 1 ay ipinapakita sa Figure 3, at ang distribusyon sa isolation fixed contact sa Kaso 2 ay ipinapakita sa Figure 4. Sa Kaso 1, ang pinakamataas na lakas ng elektrikong field ay nangyayari sa dulo ng grading shield, na umabot sa 7.07 kV/mm; sa Kaso 2, ang pinakamataas ay nangyayari sa chamfered edge ng isolation fixed contact, na may halaga na 4.90 kV/mm.
Ang typical critical breakdown electric field strength para sa hangin ay 3 kV/mm. Tandaan sa Figures 3 at 4, habang ang lakas ng elektrikong field sa karamihan ng lugar ng isolation break ay nasa ibaba ng 3 kV/mm—insufficient para makapag-cause ng breakdown—localized regions lumampas sa threshold na ito, na nagdudulot ng partial discharge. Kapag ang hangin ay nagbago mula dry to humid conditions, ang kakayanan ng insulasyon nito ay bumababa [10], na binababa ang critical uniform breakdown field strength sa ibaba ng 3 kV/mm. Karagdagan pa, ang labis na hindi pantay na distribusyon ng elektrikong field ay pati rin bumababa sa critical breakdown strength ng hangin, na nagpapataas ng posibilidad at panganib ng breakdown. Upang mabawasan ang impact ng external environmental factors sa hangin bilang medium ng insulasyon at mapabuti ang kaganapan ng field, ang pag-aaral na ito ay nagtatasa ng degree ng kaganapan ng elektrikong field at ng level ng withstand voltage sa buong isolation break, na nagbibigay ng basehan para mapabuti ang kakayanan ng insulasyon ng break.
3 Katangian ng Insulasyon ng Hangin
3.1 Pagtatakda ng Coefficient ng Hindi Pantay na Elektrikong Field
Sa praktikal, walang perpekto na pantay na elektrikong field; lahat ng elektrikong field ay may inherent na hindi pantay. Batay sa coefficient ng hindi pantay na elektrikong field f, ang elektrikong field ay naklase sa dalawang uri: kapag f ≤ 4, ang field ay itinuturing na kaunti lamang ang hindi pantay; kapag f > 4, ito ay itinuturing na labis na hindi pantay. Ang coefficient ng hindi pantay f ay inilalarawan bilang f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, kung saan Eₘₐₓ ang maximum local electric field strength, na nakuha mula sa peak value sa resulta ng simulasyon, at Eₐᵥ ang average electric field strength, na kalkulado bilang applied voltage divided by the minimum electrical clearance.
Mula sa Figure 3, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm at Eₐᵥ = 0.5 kV/mm. Kaya, ang coefficient ng hindi pantay na elektrikong field sa isolation break ay f = 14.14 > 4, na nagpapahiwatig ng labis na hindi pantay na elektrikong field. Sa mga rehiyon na may labis na hindi pantay na field, maaaring mangyari ang stable partial discharge, at ang mas mataas ang degree ng hindi pantay, mas malinaw ang partial discharge at mas malaking discharge magnitude. Para sa 12 kV ring main unit, ang kabuuang partial discharge quantity ng buong cabinet ay kinakailangang mas mababa sa 20 pC [5,11]. Kaya, ang pagbabawas ng coefficient ng hindi pantay na elektrikong field ay nakakatulong sa pagbabawas ng lebel ng partial discharge.
3.2 Pagtatakda ng Withstand Voltage ng Hangin
Ang coefficient ng hindi pantay na elektrikong field ay nakakaapekto sa withstand voltage ng dry air. Kapag ang field ay kaunti lamang ang hindi pantay, ang withstand voltage ay:
kung saan U ang withstand voltage; d ang minimum electrical clearance sa pagitan ng mga electrode; k ang reliability factor, karaniwang nasa 1.2 hanggang 1.5 batay sa karanasan; at E₀ ang dielectric breakdown electric field strength ng gas. Sa praktikal, ang breakdown field strength na ito ay depende sa specific configuration ng dalawang electrodes, at ang air breakdown strength ay nag-iiba-iba depende sa iba't ibang estruktura ng electrode at clearance distances. Para sa layuning komparatibo, ang papel na ito ay asumse na E₀ = 3 kV/mm. Tulad ng ipinapakitang Equation (1), ang pagtaas ng minimum electrical clearance d at pagbabawas ng coefficient ng hindi pantay na elektrikong field f ay parehong maaaring mapabuti ang withstand voltage ng medium ng insulasyon ng hangin.
Kapag may labis na hindi pantay na elektrikong field, para sa mga electrode na may minimum electrical clearance sa range ng 100 mm, ang withstand voltage ay kalkulahin bilang sumusunod:
Sa formula, U50%(d) ang 50% breakdown voltage ng electrode sa ispesipikong electrical clearance d sa lightning impulse tests. Sa labis na hindi pantay na elektrikong field, may malaking dispersion sa breakdown voltages at mas mahabang discharge time lags, na nagpapahirap sa breakdown voltage. Sa praktikal na engineering applications, U50%(d) ay natutukoy sa pamamagitan ng pag-conduct ng maraming lightning impulse tests at pag-identify ng applied voltage kung saan may 50% probability ng breakdown. Ang halagang ito ay malapit na nauugnay sa estruktura ng produkto at sa kaganapan ng elektrikong field. Itinatag na ang mas mababang coefficient ng hindi pantay na elektrikong field ay nagreresulta sa mas kaunti na dispersion ng breakdown voltage, mas mataas na breakdown voltage, at kaya, mas mataas na withstand voltage. Kaya, ang pagbabawas ng coefficient ng hindi pantay na elektrikong field ay nakakabuti para mapabuti ang withstand voltage ng isolation break.
4 Pag-o-optimize ng Estruktura
Upang mapabuti ang kaganapan ng elektrikong field sa paligid ng dulo ng isolation blade at bawasan ang coefficient ng hindi pantay na elektrikong field, ginawa ang pag-o-optimize sa grading shield structure. Ang mga modelo ng grading shield bago at pagkatapos ng pag-o-optimize ay ipinapakita sa Figure 5, samantalang ang cross-sectional views ay ibinigay sa Figure 6. Tulad ng ipinapakita sa Figure 6, kumpara sa pre-optimization design, ang optimized grading shield ay may mas matulis na dulo na may rounded corners, na nagpapalaki ng corner radius mula 0.75 mm hanggang 4 mm. Ang pagpapalaki ng curvature radius ay nagpopromote ng mas pantay na distribusyon ng elektrikong field. Ang distribusyon ng lakas ng elektrikong field sa paligid ng optimized isolation blade tip ay ipinapakita sa Figure 7. Mula sa figure na ito, malinaw na ang maximum electric field strength ay binalansehang bumaba sa 3.66 kV/mm, na humigit-kumulang kalahati ng orihinal na halaga, na nagpapahiwatig ng malaking pag-unlad.
Ayon sa nabanggit na formula f=Emax/Eav, ang coefficient ng hindi pantay na elektrikong field pagkatapos ng pag-o-optimize ay 7.32, na humigit-kumulang kalahati kumpara sa bago pa itong i-optimize.
Ito ay nagpapahiwatig ng malaking pag-unlad sa kaganapan ng elektrikong field sa paligid ng dulo ng isolation blade, na nagpapakita na ang pag-o-optimize ng estruktura ay epektibo. Ang paghahambing ng datos bago at pagkatapos ng pag-o-optimize ng grading shield ay ipinapakita sa Table 1. Tulad ng ipinapakita sa Table 1, ang optimized grading shield structure talaga ay nagbabawas sa panganib ng breakdown discharge sa pagitan ng isolation breaks. Gayunpaman, ang elektrikong field sa pagitan ng isolation breaks ay nananatiling labis na hindi pantay, kaya ang withstand voltage nito ay patuloy na dinetermina ng U50%(d). Ang kalakihan ng pag-unlad sa withstand voltage ay maaaring mas ma-confirm pa sa pamamagitan ng on-site testing.
Ang pagsasalin na ito ay nagsasagawa ng teknikal na detalye at konteksto na ibinigay sa orihinal na teksto, na nagbibigay ng klaridad at akurasyon para sa English-speaking audience.
5 Eksperimental na Pagsusuri
Upang ipapatunayan ang epektividad ng analisis ng simulasyon, isinagawa ang mga test sa partial discharge sa 12 kV air-insulated ring main unit. Tinalaan ang tatlong prototype units (No. 1 hanggang No. 3). Una, isinagawa ang mga test sa partial discharge sa orihinal (pre-optimization) grading shields na nakalagay sa isolation blades ng lahat ng tatlong units. Pagkatapos, inilagay ang optimized grading shields, at inulit ang mga test. Ang resulta ng partial discharge data ay ipinapakita sa Table 2.
Tulad ng ipinapakita sa table, ang mga lebel ng partial discharge bago pa i-optimize ay lahat lumampas sa 20 pC, samantalang ang mga ito pagkatapos ng pag-o-optimize ay binalansehang bumaba sa ibaba ng 4.5 pC. Ito ay nagpapahiwatig na ang optimized grading shield structure talaga ay nagpapabuti sa kakayanan ng insulasyon ng ring main unit at nagpapatunay ng wasto ang naunang simulasyon at analisis.
6 Pagtatasa
Batay sa analisis ng elektrikong field ng isolation break sa 12 kV air-insulated ring main unit, ang mga sumusunod ang natuklasan:
Dahil ang kakayanan ng insulasyon ng hangin ay mas mababa kaysa sa SF₆, mahalaga ang pagpapabuti ng distribusyon ng elektrikong field upang mapabuti ang kakayanan ng insulasyon kapag ang hangin ay ginagamit bilang medium ng insulasyon sa three-position switches ng ring main units.
Dahil sa kumplikadong estrukturang ito ng mga moving components (isolation blades) sa three-position switches ng air-insulated ring main units, ang distribusyon ng lakas ng elektrikong field sa ilang lugar ay maaaring maging labis na hindi pantay. Upang bawasan ang hindi pantay, maaaring idagdag ang mga grading shields sa parehong gilid ng isolation blade upang shield ang high-field regions malapit sa mga connecting parts ng blade, na nagbabago ang lokasyon ng peak field strength sa dulo ng mga grading shields. Sa pag-aaral na ito, ang pagpapalaki ng curvature radius sa dulo ng shield mula 0.75 mm hanggang 4 mm ay binalansehang bumaba ang maximum local electric field strength at ang coefficient ng hindi pantay na elektrikong field sa humigit-kumulang kalahati ng kanilang orihinal na halaga, na nagpapabuti sa desired optimization effect.
Ang kaganapan ng distribusyon ng elektrikong field, o ang coefficient ng hindi pantay na elektrikong field, ay may malaking impluwensiya sa partial at breakdown discharges. Ang labis na hindi pantay na field ay may tendensiyang mag-produce ng stable partial discharge (corona discharge). Sa parehong kaunti at labis na hindi pantay na field, ang mas mataas na coefficient ng hindi pantay ay nagreresulta sa mas mababang withstand voltage sa pagitan ng mga electrodes.
