הקטנת סיכוני הדליפה ב-RMUs מבודדים אוויר של 12 ק"ו באמצעות תכנון מגן דירוג

המאמר הזה לוקח את הפסקת ההפרדה הראשית של סוג מסוים של יחידה מרכזית מעגלית מבודדת אוויר ב-12kV (RMU) כנושא המחקר, מנתח את התפלגות השדה החשמלי והאחידות סביבו, מעריך את ביצועי המבודד במקום זה, ומפחית סיכון להפרדה תוך שיפור ביצועי המבודד באמצעות אופטימיזציה מבנית, ובכך מספק נקודות התייחסות לעיצוב המבודד של מוצרים דומים.

1 מבנה היחידה המרכזית המעגלית המבודדת אוויר

המודל המבני תלת-ממדי של RMU המבודדת אוויר הנחקרת בערך זה מתואר בתמונה 1. הקשת הראשית מאומתת לתצורת שילוב בין מפסק ואקום למפסק תלת-מיקום, מוצבת עם המפסק התלת-מיקום צד הסיבוב - כלומר, המפסק התלת-מיקום נמצא החלק העליון של RMU, בעוד שמפסק האקוום ממוקם החלק התחתון בהקמת קוטר מוצק. מכיוון שמפסק האקוום מוקף בתוך הקוטר, חיצוניותו מבודדת בעזרת רזין אפוקסי, שיש לו תכונות מבודד משמעותית טובות יותר מאשר אוויר, כך שמקיים דרישות מבודד.

בנוסף, בסיס החיבור בסוף הקוטר המוצק משתמש בקצה מעוגל ועיצוב מעגלי, בשילוב עם חותמת גומי סיליקון, מפחית באופן יעיל בעיות הפרדה חלקית באזור זה. המרווחים המבודדים בין בסיסים לאדמה מתוכננים בהתאם לסטנדרטים מבודדים רלוונטיים ומגינים על דרישות רגולטוריות.

להברדה של המפסק התלת-מיקום נשענת על אוויר כאמצעי מבודד. כרכיב חיבור נייד, המבנה שלה כולל חלקים מתכתיים כמו פינים, קפיצים, קפיצים דיסק וטבעות כדי להגדיל את לחץ הקשר בין נקודות ההברדה. עם זאת, עקב צורותיהם המורכבות של החלקים המתכתיים הללו, התפלגות השדה החשמלי יכולה להיות מאוד לא אחידה, מה שהופך לסיכונים של הפרדה חלקית וכשלים פוטנציאליים, המפגינים השפעה שלילית על ביצועי המבודד במקום זה.

לכן, העיצוב החשמלי של המבנה הזה הוא קריטי במיוחד. לפי דרישות עיצוב המוצר, הפסקת ההברדה חייבת להתנגד למתח נסבול קצר-תקופה בתדר תקן מרבי של 50kV, עם מרחק חשמלי מינימלי מתוכנן של 100mm. בהתחשב מורכבות מבנה להברדה, מגיני דירוג נוספים משני צידי הלהברדה לשיפור אחידות השדה החשמלי ולהפחתת הפרדה חלקית. המודל התלת-ממדי של המפסק התלת-מיקום מתואר בתמונה 2. בערך זה מתבצע ניתוח סימולציה של שדה חשמלי עבור פסקת ההברדה הזו.

2 ניתוח סימולציה

תוכנת אלמנטים סופיים שימשה לביצוע סימולציה של שדה חשמלי על היחידה המרכזית המעגלית, לנתח את התפלגות עוצמת השדה החשמלי בפסקת ההברדה תחת המתח הנשא קצר-תקופה בתדר תקן המצוין של 50 kV. שני מקרי סימולציה של שדה חשמלי stati-electrostatic נלקחו בחשבון:

• מקרה 1: הצד של בסיס החיבור (צד מגע ההברדה הקבוע) נמצא במתח נמוך (0 V), והצד של הקו (קצה להברדה) נמצא במתח גבוה (50 kV).

• מקרה 2: הצד של בסיס החיבור (צד מגע ההברדה הקבוע) נמצא במתח גבוה (50 kV), והצד של הקו (קצה להברדה) נמצא במתח נמוך (0 V).

התפלגות השדה החשמלי במקום של עוצמת השדה החשמלית המקסימלית לשני המקרים הושגה באמצעות סימולציה. התפלגות עוצמת השדה החשמלי בקצה להברדה תחת מקרה 1 מתוארת בתמונה 3, והתפלגות בנקודת מגע ההברדה הקבועה תחת מקרה 2 מתוארת בתמונה 4. במקרה 1, עוצמת השדה החשמלי מקסימלית מתרחשת בסוף מגן הדירוג, הגיעה ל-7.07 kV/mm; במקרה 2, המקסימלית מתרחשת בקצה המעוגל של מגע ההברדה הקבוע, עם ערך של 4.90 kV/mm.

עוצמת השדה החשמלי הקריטית טיפוסית לאוויר היא 3 kV/mm. כפי שמוצג בתמונות 3 ו-4, אם כי עוצמת השדה החשמלי ברוב אזורי הפסקת ההברדה נמוכה מ-3 kV/mm - לא מספיק לגרום לכשל - אזורי מקומיים עוברים את הסף הזה, מה שגורם להפרדה חלקית. כאשר האוויר משתנה מיבש לחמוץ, יכולת המבודד שלו יורדת [10], מפחיתה את עוצמת השדה החשמלי הקריטית לאיחוד אחיד מתחת ל-3 kV/mm. בנוסף, התפלגות שדה חשמלי מאוד לא אחידה מפחיתה עוד יותר את עוצמת השדה החשמלי הקריטית של האוויר, מגדילה את הסיכוי והסיכונים לכשל. כדי להפחית את השפעת גורמים סביבתיים חיצוניים על אמצעי מבודד אוויר לשיפור אחידות השדה, מחקר זה מעריך את דרגת אחידות השדה החשמלי ואת רמת המתח הנשא לאורך הפסקת ההברדה, כבסיס לשיפור יכולת המבודד של הפסקה.

3 תכונות מבודד אוויר

3.1 קביעת מקדם אי-אחידות שדה חשמלי

בפועל, שדה חשמלי אחיד לחלוטין אינו קיים; כל שדות חשמליים הם במהותם לא אחידים. בהתבסס על מקדם אי-אחידות שדה חשמלי f, שדות חשמליים מסווגים לשני סוגים: כאשר f ≤ 4, השדה נחשב כמעט אחיד; כאשר f > 4, הוא נחשב כלא אחיד מאוד. מקדם האי-אחידות f מוגדר כ-f = Emax / Eav, כאשר Emax היא עוצמת השדה החשמלי המקסימלית המקומית, המתקבלת מהערך השיא בתוצאות הסימולציה, ו-Eav היא עוצמת השדה החשמלי הממוצעת, המחשבת כתוצאה של המתח המופעל מחולק מרחק המתח החשמלי המינימלי.

מתמונה 3, Emax = 7.07 kV/mm ו-Eav = 0.5 kV/mm. לכן, מקדם האי-אחידות של שדה החשמלי בפסקת ההברדה הוא f = 14.14 > 4, מה שמצביע על שדה חשמלי לא אחיד מאוד. באזורים בהם שדות חשמליים מאוד לא אחידים, יכולים להתרחש פרצות חלקיות יציבות, ככל שהדרגת האי-אחידות גבוהה יותר, הפרצות החלקיות הן יותר מורגשות והגודל שלהן גדול יותר. עבור יחידה מרכזית מעגלית של 12 kV, כמות הפרצה החלקית הכוללת של כל הקabinet נדרשת להיות פחות מ-20 pC [5,11]. לכן, הפחתת מקדם האי-אחידות של שדה חשמלי עוזרת להפחית את רמת הפרצה החלקית.

3.2 קביעת מתח נסבול אוויר

מקדם האי-אחידות של שדה חשמלי משפיע על מתח הנשא של אוויר יבש. כששדה מעט לא אחיד, מתח הנשא הוא:

כאשר U מייצג את מתח הנשא; d מייצג את המרחק החשמלי המינימלי בין אלקטרודות; k הוא גורם אמינות, בדרך כלל בין 1.2 ל-1.5 בהתאם לניסיון; ו-E0 מתייחס לעוצמת השדה החשמלי של כשל מדיה הגז. בפועל, עוצמת השדה החשמלי של הכשל תלוי בהקמה הספציפית של שתי האלקטרודות, ועוצמת הכשל של האוויר משתנה עם מבנים שונים של אלקטרודות ומרחקי מרווחים. לצורך ניתוח השוואתי, בערך זה מצוין E0 = 3 kV/mm. כמו שמציין משוואה (1), הגדלת המרחק החשמלי המינימלי d והפחתת מקדם האי-אחידות של שדה חשמלי f יכולים לשפר את מתח הנשא של אמצעי מבודד אוויר.

כאשר מתמודדים עם שדה חשמלי מאוד לא אחיד, עבור אלקטרודות עם מרחק חשמלי מינימלי בתחום של 100 mm, מתח הנשא מחושב כך:

בנוסחה, U50%(d) מייצג את מתח הכשל של 50% של אלקטרודה במרווח חשמלי ספציפי d במהלך מבחני פגיעת ברק. בשדות חשמליים מאוד לא אחידים, יש הפזרת גדולה במתחי הכשל וזמן התגובה של ההפרדה ארוך, מה שגורם למתח הכשל להיות מאוד בלתי יציב. באפליקציות הנדסיות מעשיות, U50%(d) נקבע על ידי ביצוע מספר רב של מבחני פגיעת ברק וזהה את המתח המופעל שבו יש הסתברות של 50% לכשל. הערך הזה קשור באופן הדוק להקמה של המוצר ולאחדות השדה החשמלי. נמצא שמקדם אי-אחידות שדה חשמלי נמוך יותר גורם להפחתת הפזרת במתחי הכשל, מתח כשל גבוה יותר, ובהתאם, מתח נשא גבוה יותר. לכן, הפחתת מקדם האי-אחידות של שדה חשמלי היא מועילה לשיפור מתח הנשא של פסקת ההברדה.

4 אופטימיזציה מבנית

כדי לשפר את אחידות השדה החשמלי סביב קצה להברדה ולהפחית את מקדם האי-אחידות של שדה חשמלי, נערך שיפור מבנה מגן הדירוג. מודלים של מגן הדירוג לפני ואחרי האופטימיזציה מופיעים בתמונה 5, בעוד שחתכים מתוארים בתמונה 6. כפי שנראה בתמונה 6, בהשוואה לעיצוב לפני האופטימיזציה, מגן הדירוג המאופטימיזציה מתאפיין בסוף עבה יותר עם פינות מעוגלות, מגדיל את רדיוס הפינה מ-0.75 mm ל-4 mm. שיפור זה מגביר את רדיוס העקומה, מוביל להתפלגות יותר אחידה של השדה החשמלי. התפלגות עוצמת השדה החשמלי סביב קצה להברדה המאופטימיזציה מתוארת בתמונה 7. מתמונה זו, ברור כי עוצמת השדה החשמלי המקסימלית הופחתה ל-3.66 kV/mm, בערך חצי מהערך המקורי, מה שמראה שיפור ניכר.

לפי הנוסחה האמורה f=Emax/Eav, מקדם האי-אחידות של השדה החשמלי לאחר האופטימיזציה הוא 7.32, שהוא בערך חצי מהערך לפני האופטימיזציה.

זה מצביע על שיפור ניכר באחדות השדה החשמלי סביב קצה להברדה, מה שמוכיח שהאופטימיזציה המבנית הייתה יעילה. השוואה של הנתונים לפני ואחרי האופטימיזציה של מגן הדירוג מוצגת בטבלה 1. כפי שנראה בטבלה 1, מבנה מגן הדירוג המאופטימיזציה אכן מפחית את הסיכון לפיצוץ בין הפסקות ההברדה. עם זאת, השדה החשמלי בין הפסקות ההברדה נשאר מאוד לא אחיד, מה שאומר שמתח הנשא עדיין נקבע על ידי U50%(d). מידת שיפור מתח הנשא יכולה להישאר מאושרת דרך מבחנים במקום.

תרגום זה שומר על הפרטים הטכניים וההקשר המסופקים בטקסט המקורי, תוך הבטחת בהירות ודקדקנות לקהל דובר אנגלית.

5 אימות ניסיוני

כדי לאשר את יעילות ניתוח הסימולציה, נערך מבחן הפרדה חלקית על יחידה מרכזית מעגלית מבודדת אוויר של 12 kV. הכינו שלושה מẫu (מס' 1 עד 3). בוצעו תחילה מבחני הפרדה חלקית עם מגני דירוג מקוריים (לפני האופטימיזציה) מותקנים על להברדות של כל שלושת המẫu. לאחר מכן, הותקנו מגני הדירוג המאופטימיזציה, והמבחנים נặpו מחדש. נתוני הפרדה חלקית המתקבלים מוצגים בטבלה 2.

כפי שמוצג בטבלה, רמות הפרדה חלקית לפני האופטימיזציה היו מעל 20 pC, בעוד שהן אחרי האופטימיזציה ירדו מתחת ל-4.5 pC. זה מצביע על כך שמבנה מגן הדירוג המאופטימיזציה משפר בצורה יעילת את ביצועי המבודד של היחידה המרכזית המעגלית ומאמת את תקפות הניתוח והסימולציה הקודמים.

6 מסקנות

מבסיס ניתוח השדה החשמלי של פסקת ההברדה ביחידת RMU מבודדת אוויר של 12 kV, נמשכים המסקנות הבאות:

• מכיוון שהיכולת המבודדת של אוויר נחותה מזו של SF₆, שיפור התפלגות השדה החשמלי חיוני לשיפור ביצועי המבודד כאשר אוויר משמש כאמצעי מבודד במפסקים תלת-מיקום של יחידות RMU.

• בגלל מורכבות המבנה של רכיבים נעים (להברדות) במפסקים תלת-מיקום של יחידות RMU מבודדות אוויר, התפלגות עוצמת השדה החשמלי במקומות מסוימים יכולה להיות מאוד לא אחידה. כדי להפחית את האי-אחידות הזו, ניתן להוסיף מגני דירוג משני צידי להברדה כדי להגן על האזורים בעלי השדה הגבוה ליד חלקי ההתחברות של להברדה, ובכך להעביר את מקום עוצמת השדה החשמלי המקסימלית לסוף מגני הדירוג. בערך זה, הגדלת רדיוס העקומה בסוף המגן מ-0.75 mm ל-4 mm הפחיתה את עוצמת השדה החשמלי המקסימלית המקומית ואת מקדם האי-אחידות של השדה החשמלי לבערך חצי מהערך המקורי, והשיגה את האופטימיזציה המבוקשת.

• האחידות של התפלגות השדה החשמלי, או מקדם האי-אחידות של השדה החשמלי, משפיעים באופן משמעותי על הפרדות חלקיות וכשלים. שדות מאוד לא אחידים נוטים לייצר הפרדות חלקיות יציבות (הפרדה קורונה). בשדות מעט ולא אחידים מאוד, מקדם אי-אחידות גבוה יותר גורם למתח נשא נמוך יותר בין האלקטרודות.