Mitigación de riscos de descarga en RMUs a aire de 12 kV usando deseño de escudo de gradación

Dyson

Campo: Normas Eléctricas

China

Este artigo toma a interrupción primaria dun certo tipo de unidade de distribución de anel (RMU) de 12kV aislada por aire como obxecto de estudo, analizando a distribución e uniformidade do campo eléctrico arredor dela, avaliando o rendemento do aislamento nese punto, e reducindo o risco de descarga mentres se mellora o rendemento do aislamento a través da optimización estrutural, proporcionando así unha referencia para o deseño do aislamento de produtos similares.

1 Estructura da Unidade de Distribución de Anel Aislada por Aire

O modelo estrutural tridimensional da RMU aislada por aire estudada neste artigo amóstrase na Figura 1. O circuito principal adopta unha configuración que combina un interruptor de vacío cun interruptor de tres posicións, disposto co interruptor de tres posicións no lado da barra de distribución, é dicir, o interruptor de tres posicións está situado na parte superior da RMU, mentres que o interruptor de vacío está montado na parte inferior nunha estrutura de polo sólido selado. Como o interruptor de vacío está encapsulado dentro do polo, o seu exterior está aislado con resina epoxi, que ten significativamente mellor rendemento de aislamento que o aire, satisfacendo así os requisitos de aislamento.

Ademais, a barra de conexión no punto de sellado do polo sólido utiliza bordos chanfrados e un deseño en forma de arco, combinado cun sellado de caucho de silicón, mitigando eficazmente os problemas de descargas parciais nesta área. As separacións de aislamento entre as barras e ao terra están deseñadas segundo as normas de aislamento pertinentes e satisfacen os requisitos reglamentarios.

A lâmina de interrupción do interruptor de tres posicións depende do aire como medio aislante. Como compoñente de conexión móvel, a súa estrutura inclúe partes metálicas como pinos, molas, discos de mola e circlips para aumentar a presión de contacto entre os contactos de interrupción. No entanto, debido ás formas complexas destas partes metálicas, a distribución do campo eléctrico pode volverse altamente non uniforme, levando a descargas parciais e riscos potenciais de ruptura, que afectan adversamente o rendemento do aislamento nese punto.

Por tanto, o deseño eléctrico desta estrutura é particularmente crítico. Segundo os requisitos de deseño do produto, a interrupción debe suportar unha tensión nominal de resistencia de frecuencia de rede a curto prazo de 50kV, cunha separación eléctrica mínima deseñada de 100mm. Dada a complexidade da estrutura da lâmina de interrupción, escudos de gradiente son engadidos a ambos os lados da lâmina para mellorar a uniformidade do campo eléctrico e reducir as descargas parciais. O modelo tridimensional do interruptor de tres posicións amóstrase na Figura 2. Este artigo realiza unha análise de simulación do campo eléctrico nesta interrupción.

2 Análise de Simulación

Software de elementos finitos foi empregado para realizar unha simulación do campo eléctrico na unidade de distribución de anel, analizando a distribución da intensidade do campo eléctrico na interrupción baixo a tensión nominal de resistencia de frecuencia de rede a curto prazo especificada de 50 kV. Foron considerados dous casos de simulación de campo electrostático:

Caso 1: O lado da barra (lado do contacto fijo de interrupción) está a baixa potencial (0 V), e o lado da liña (lado da punta da lâmina de interrupción) está a alto potencial (50 kV).
Caso 2: O lado da barra (lado do contacto fijo de interrupción) está a alto potencial (50 kV), e o lado da liña (lado da punta da lâmina de interrupción) está a baixa potencial (0 V).

A través da simulación, obtívose a distribución do campo eléctrico no lugar de máxima intensidade do campo eléctrico para ambos os casos. A distribución da intensidade do campo eléctrico na punta da lâmina de interrupción no Caso 1 amóstrase na Figura 3, e a distribución no contacto fijo de interrupción no Caso 2 amóstrase na Figura 4. No Caso 1, a máxima intensidade do campo eléctrico ocorre no final do escudo de gradiente, alcanzando 7,07 kV/mm; no Caso 2, a máxima ocorre no borde chanfrado do contacto fijo de interrupción, cun valor de 4,90 kV/mm.

A intensidade típica crítica de ruptura do campo eléctrico para o aire é 3 kV/mm. Como se mostra nas Figuras 3 e 4, mentres que a intensidade do campo eléctrico na maioría das áreas da interrupción está abaixo de 3 kV/mm, insuficiente para causar ruptura, rexións localizadas superan este limiar, levando a descargas parciais. Cando o aire cambia de condicións secas a húmidas, a súa capacidade de aislamento diminúe [10], reducindo a intensidade crítica de ruptura uniforme do campo eléctrico abaixo de 3 kV/mm. Ademais, a distribución altamente non uniforme do campo eléctrico reduce aínda máis a intensidade crítica de ruptura do aire, aumentando a probabilidade e o risco de ruptura. Para mitigar o impacto dos factores ambientais externos no medio aislante de aire e mellorar a uniformidade do campo, este estudo evalúa o grao de uniformidade do campo eléctrico e o nivel de resistencia ao voltaje a través da interrupción, servindo como base para mellorar a capacidade de aislamento da interrupción.

3 Características do Aislamento de Aire

3.1 Determinación do Coeficiente de Non Uniformidade do Campo Eléctrico

Na práctica, un campo eléctrico perfectamente uniforme non existe; todos os campos eléctricos son inherentemente non uniformes. Basándonos no coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico f, os campos eléctricos clasifícanse en dous tipos: cando f ≤ 4, o campo considerase levemente non uniforme; cando f > 4, considerase altamente non uniforme. O coeficiente de non uniformidade f define como f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, onde Eₘₐₓ é a máxima intensidade local do campo eléctrico, obtida a partir do valor pico nos resultados da simulación, e Eₐᵥ é a intensidade media do campo eléctrico, calculada como a tensión aplicada dividida pola mínima separación eléctrica.

A partir da Figura 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm e Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Polo tanto, o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico na interrupción é f = 14,14 > 4, indicando un campo eléctrico altamente non uniforme. Nas rexións con campos altamente non uniformes, poden ocorrer descargas parciais estables, e cuánto maior é o grao de non uniformidade, máis pronunciada é a descarga parcial e maior é a magnitude da descarga. Para unha unidade de distribución de anel de 12 kV, a cantidade total de descarga parcial do armario completo debe ser menor que 20 pC [5,11]. Por tanto, reducir o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico axuda a diminuir o nivel de descarga parcial.

3.2 Determinación da Tensión de Resistencia do Aire

O coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico afecta a tensión de resistencia do aire seco. Cando o campo é levemente non uniforme, a tensión de resistencia é:

onde U denota a tensión de resistencia; d representa a mínima separación eléctrica entre electrodos; k é un factor de fiabilidade, xeralmente comprendido entre 1,2 e 1,5 baseado na experiencia; e E₀ refírese á intensidade de ruptura dieléctrica do gas. Na práctica, esta intensidade de ruptura depende da configuración específica dos dous electrodos, e a resistencia de ruptura do aire varía con diferentes estruturas de electrodos e distancias de separación. Con fins de análise comparativa, neste artigo supónse que E₀ = 3 kV/mm. Como indica a ecuación (1), aumentar a mínima separación eléctrica d e reducir o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico f pode mellorar a tensión de resistencia do medio aislante de aire.

Ao tratar cun campo eléctrico altamente non uniforme, para electrodos cunha mínima separación eléctrica no rango de 100 mm, a tensión de resistencia calcula como segue:

Na fórmula, U50%(d) representa a tensión de ruptura do 50% dun electrodo baixo unha separación eléctrica específica d durante ensaios de impulso de raio. En campos eléctricos altamente non uniformes, hai unha dispersión significativa nas tensións de ruptura e tempos de retardo de descarga máis longos, facendo que a tensión de ruptura sexa altamente inestable. Nas aplicacións de enxeñaría práctica, U50%(d) determinase realizando múltiples ensaios de impulso de raio e identificando a tensión aplicada na que hai unha probabilidade do 50% de ruptura. Este valor está estreitamente relacionado coa estrutura do produto e a uniformidade do campo eléctrico. Estableceuse que un coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico menor resulta en menos dispersión na tensión de ruptura, maior tensión de ruptura e, en consecuencia, maior tensión de resistencia. Polo tanto, reducir o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico é beneficioso para mellorar a tensión de resistencia da interrupción.

4 Optimización Estrutural

Para mellorar a uniformidade do campo eléctrico arredor da punta da lâmina de interrupción e reducir o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico, realizouse unha optimización da estrutura do escudo de gradiente. Os modelos do escudo de gradiente antes e despois da optimización amóstranse na Figura 5, mentres que as vistas en sección transversal fornece na Figura 6. Como se pode ver na Figura 6, comparado co deseño pre-optimizado, o escudo de gradiente optimizado presenta un extremo máis grosor con esquinas redondeadas, aumentando o radio de esquina de 0,75 mm a 4 mm. Esta melora aumenta o radio de curvatura, promovendo unha distribución máis uniforme do campo eléctrico. A distribución da intensidade do campo eléctrico arredor da punta da lâmina de interrupción optimizada ilustra na Figura 7. A partir desta figura, é evidente que a máxima intensidade do campo eléctrico reduciuse a 3,66 kV/mm, aproximadamente a metade do seu valor orixinal, indicando unha mellora notable.

Segundo a fórmula mencionada anteriormente $f = E_{ma x} / E_{a v}$ , o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico despois da optimización é 7,32, que é aproximadamente a metade do valor antes da optimización.

Isto indica unha mellora significativa na uniformidade do campo eléctrico arredor da punta da lâmina de interrupción, demostrando que a optimización estrutural foi efectiva. Unha comparación dos datos antes e despois da optimización do escudo de gradiente amóstrase na Táboa 1. Como se pode ver na Táboa 1, a estrutura do escudo de gradiente optimizado reduce de feito o risco de descarga de ruptura entre as interrupcións. No entanto, o campo eléctrico entre as interrupcións permanece altamente non uniforme, significando que a súa tensión de resistencia aínda está determinada por $U_{50%} (d)$ . O grao de mellora na tensión de resistencia pode confirmarse adicionalmente mediante ensaios in situ.

5 Verificación Experimental

Para validar a efectividade da análise de simulación, realizáronse ensaios de descarga parcial nunha unidade de distribución de anel aislada por aire de 12 kV. Preparáronse tres unidades prototipo (nº 1 a nº 3). Primeiro, realizáronse ensaios de descarga parcial co escudo de gradiente orixinal (pre-optimizado) instalado nas lâminas de interrupción de todas as tres unidades. Posteriormente, instalaron os escudos de gradiente optimizados e repetíronse os ensaios. Os datos de descarga parcial resultantes amósanse na Táboa 2.

Como se mostra na táboa, os niveis de descarga parcial antes da optimización superaron todos os 20 pC, mentres que despois da optimización reducíronse a menos de 4,5 pC. Isto indica que a estrutura do escudo de gradiente optimizado mellora efectivamente o rendemento do aislamento da unidade de distribución de anel e confirma a validez da simulación e análise anteriores.

6 Conclusión

Basándose na análise do campo eléctrico da interrupción nunha unidade de distribución de anel aislada por aire de 12 kV, extraense as seguintes conclusións:

Dado que a capacidade de aislamento do aire é inferior á do SF₆, é esencial mellorar a distribución do campo eléctrico para aumentar o rendemento do aislamento cando o aire se usa como medio aislante nos interruptores de tres posicións das unidades de distribución de anel.
Debido á complexidade estrutural dos componentes móveis (láminas de interrupción) nos interruptores de tres posicións das unidades de distribución de anel aisladas por aire, a distribución da intensidade do campo eléctrico en certos puntos pode volverse altamente non uniforme. Para reducir esta non uniformidade, poden engadirse escudos de gradiente a ambos os lados da lámina de interrupción para escudar as rexións de alto campo próximo ás partes de conexión da lámina, desprazando así a localización da máxima intensidade do campo ao final dos escudos de gradiente. Neste estudo, aumentar o radio de curvatura no extremo do escudo de 0,75 mm a 4 mm reduciu tanto a máxima intensidade local do campo eléctrico como o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico a aproximadamente a metade dos seus valores orixinais, logrando o efecto de optimización desexado.
A uniformidade da distribución do campo eléctrico, ou o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico, inflúe significativamente nas descargas parciais e de ruptura. Os campos altamente non uniformes tenden a producir descargas parciais estables (descargas de coroa). En campos levemente e altamente non uniformes, un coeficiente de non uniformidade maior resulta en menor tensión de resistencia entre os electrodos.