12 किलोवोल्ट वायु-अनुच्छेदित RMUs में ग्रेडिंग शील्ड डिज़ाइन का उपयोग करके डिस्चार्ज जोखिम को कम करना

यह शोधपत्र एक निश्चित प्रकार की 12kV हवा-अवरोधी वलय मुख्य यूनिट (RMU) के प्राथमिक अलगाव ब्रेक को अध्ययन का विषय बनाता है, इसके आसपास के विद्युत क्षेत्र के वितरण और समानता का विश्लेषण करता है, इस स्थान पर अवरोधन प्रदर्शन का मूल्यांकन करता है, और संरचनात्मक अनुकूलन द्वारा डिस्चार्ज जोखिम को कम करते हुए अवरोधन प्रदर्शन को बढ़ाता है, इस प्रकार समान उत्पादों के अवरोधन डिजाइन के लिए एक संदर्भ प्रदान करता है।

1 हवा-अवरोधी वलय मुख्य यूनिट की संरचना

इस शोधपत्र में अध्ययन की गई हवा-अवरोधी RMU की त्रि-आयामी संरचना मॉडल चित्र 1 में दिखाई गई है। मुख्य परिपथ एक वैक्यूम स्विच और एक तीन-स्थिति स्विच के संयोजन का उपयोग करता है, जो बसबार तरफ तीन-स्थिति स्विच के साथ व्यवस्थित है - अर्थात्, तीन-स्थिति स्विच RMU के ऊपरी भाग में स्थित है, जबकि वैक्यूम स्विच एक ठोस-सील्ड पोल संरचना में निचले भाग पर लगाया गया है। चूंकि वैक्यूम स्विच पोल के भीतर घेरा हुआ है, इसका बाहरी भाग इपोक्सी रेसिन से अवरोधित है, जिसकी अवरोधन गुणवत्ता हवा से बहुत अधिक अच्छी है, इसलिए अवरोधन की आवश्यकताओं को पूरा करता है।

इसके अलावा, ठोस-सील्ड पोल के सीलिंग बिंदु पर बसबार कनेक्शन फिलेटेड किनारों और चापाकार डिजाइन का उपयोग करता है, सिलिकॉन रबर सीलिंग के साथ, जो इस क्षेत्र में आंशिक डिस्चार्ज समस्याओं को प्रभावी रूप से कम करता है। बसबारों और भूमि के बीच की अवरोधन दूरियाँ संबंधित अवरोधन मानकों के अनुसार डिजाइन की गई हैं और नियामक आवश्यकताओं को पूरा करती हैं।

तीन-स्थिति स्विच की अलगाव ब्लेड हवा को अवरोधन माध्यम के रूप में निर्भर करती है। एक गतिशील कनेक्टिंग घटक के रूप में, इसकी संरचना में पिन, स्प्रिंग, डिस्क स्प्रिंग और सर्कलिप जैसे धातु के भाग सम्मिलित हैं जो अलगाव संपर्कों के बीच के संपर्क दबाव को बढ़ाने के लिए हैं। हालांकि, इन धातु के भागों के जटिल आकारों के कारण, विद्युत क्षेत्र का वितरण बहुत असमान हो सकता है, जिससे आंशिक डिस्चार्ज और संभावित ब्रेकडाउन की जोखिम बढ़ जाती है, जो इस स्थान पर अवरोधन प्रदर्शन को नकारात्मक रूप से प्रभावित करती है।

इसलिए, इस संरचना का विद्युत डिजाइन विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। उत्पाद डिजाइन की आवश्यकताओं के अनुसार, अलगाव ब्रेक 50kV की निर्धारित छोटी-अवधि वाल्टेज टोलरेंस को सहन करना चाहिए, जिसका न्यूनतम डिजाइन विद्युत दूरी 100mm है। अलगाव ब्लेड संरचना की जटिलता को देखते हुए, ब्लेड के दोनों ओर ग्रेडिंग शील्ड जोड़े गए हैं ताकि विद्युत क्षेत्र की समानता में सुधार किया जा सके और आंशिक डिस्चार्ज कम किया जा सके। तीन-स्थिति स्विच का त्रि-आयामी मॉडल चित्र 2 में दिखाया गया है। यह शोधपत्र इस अलगाव ब्रेक पर विद्युत क्षेत्र सिमुलेशन विश्लेषण करता है।

2 सिमुलेशन विश्लेषण

सीमित तत्व सॉफ्टवेयर का उपयोग करके वलय मुख्य यूनिट पर विद्युत क्षेत्र सिमुलेशन किया गया, जिसमें निर्धारित 50 kV निर्धारित छोटी-अवधि वाल्टेज टोलरेंस के तहत अलगाव ब्रेक पर विद्युत क्षेत्र ताकत के वितरण का विश्लेषण किया गया। दो इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र सिमुलेशन मामले लिए गए:

• मामला 1: बसबार तरफ (अलगाव निश्चित संपर्क तरफ) कम वोल्टेज (0 V) पर है, और लाइन तरफ (अलगाव ब्लेड टिप तरफ) उच्च वोल्टेज (50 kV) पर है।

• मामला 2: बसबार तरफ (अलगाव निश्चित संपर्क तरफ) उच्च वोल्टेज (50 kV) पर है, और लाइन तरफ (अलगाव ब्लेड टिप तरफ) कम वोल्टेज (0 V) पर है।

दोनों मामलों के लिए अधिकतम विद्युत क्षेत्र ताकत के स्थान पर विद्युत क्षेत्र वितरण सिमुलेशन द्वारा प्राप्त किया गया। मामला 1 में, ग्रेडिंग शील्ड के अंत में अधिकतम विद्युत क्षेत्र ताकत 7.07 kV/mm है; मामला 2 में, अलगाव निश्चित संपर्क के फिलेटेड किनारे पर अधिकतम 4.90 kV/mm है।

हवा के लिए आम विद्युत क्षेत्र ताकत का विघटन 3 kV/mm है। चित्र 3 और 4 में दिखाया गया है, जबकि अलगाव ब्रेक के अधिकांश क्षेत्रों में विद्युत क्षेत्र ताकत 3 kV/mm से कम है - जो विघटन के लिए पर्याप्त नहीं है - लेकिन स्थानीय क्षेत्र इस सीमा से ऊपर हैं, जिससे आंशिक डिस्चार्ज होता है। जब हवा सेखर से गीली हो जाती है, तो इसकी अवरोधन क्षमता घट जाती है [10], जिससे विघटन की विद्युत क्षेत्र ताकत 3 kV/mm से नीचे आ जाती है। इसके अलावा, विद्युत क्षेत्र का बहुत असमान वितरण हवा की विघटन ताकत को और भी कम कर देता है, जिससे विघटन की संभावना और जोखिम बढ़ जाती है। बाहरी पर्यावरणीय कारकों के प्रभाव को कम करने और विद्युत क्षेत्र की समानता में सुधार करने के लिए, यह अध्ययन अलगाव ब्रेक पर विद्युत क्षेत्र की समानता की डिग्री और टोलरेंस वोल्टेज स्तर का मूल्यांकन करता है, जो ब्रेक की अवरोधन क्षमता को बढ़ाने के लिए एक आधार प्रदान करता है।

3 हवा की अवरोधन विशेषताएं

3.1 विद्युत क्षेत्र की असमानता गुणांक का निर्धारण

वास्तविकता में, एक पूरी तरह से समान विद्युत क्षेत्र का अस्तित्व नहीं होता; सभी विद्युत क्षेत्र अन्तर्निहित रूप से असमान होते हैं। विद्युत क्षेत्र की असमानता गुणांक f के आधार पर, विद्युत क्षेत्र को दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है: जब f ≤ 4, तो क्षेत्र थोड़ा असमान माना जाता है; जब f > 4, तो यह बहुत असमान माना जाता है। असमानता गुणांक f को f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ के रूप में परिभाषित किया गया है, जहाँ Eₘₐₓ स्थानीय अधिकतम विद्युत क्षेत्र ताकत है, जो सिमुलेशन परिणामों से शिखर मान से प्राप्त की गई है, और Eₐᵥ औसत विद्युत क्षेत्र ताकत है, जिसे लगाए गए वोल्टेज को न्यूनतम विद्युत दूरी से विभाजित करके प्राप्त किया जाता है।

चित्र 3 से, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm और Eₐᵥ = 0.5 kV/mm। इसलिए, अलगाव ब्रेक पर विद्युत क्षेत्र की असमानता गुणांक f = 14.14 > 4, जो एक बहुत असमान विद्युत क्षेत्र को दर्शाता है। बहुत असमान क्षेत्रों में, स्थिर आंशिक डिस्चार्ज हो सकता है, और असमानता की डिग्री जितनी अधिक होगी, आंशिक डिस्चार्ज और डिस्चार्ज की मात्रा उतनी ही अधिक प्रकट होगी। 12 kV वलय मुख्य यूनिट के लिए, पूरे कैबिनेट की कुल आंशिक डिस्चार्ज मात्रा 20 pC से कम होनी चाहिए [5,11]। इसलिए, विद्युत क्षेत्र की असमानता गुणांक को कम करने से आंशिक डिस्चार्ज स्तर में कमी आती है।

3.2 हवा की टोलरेंस वोल्टेज का निर्धारण

विद्युत क्षेत्र की असमानता गुणांक शुष्क हवा की टोलरेंस वोल्टेज पर प्रभाव डालता है। जब क्षेत्र थोड़ा असमान होता है, तो टोलरेंस वोल्टेज होता है:

जहाँ U टोलरेंस वोल्टेज को दर्शाता है; d इलेक्ट्रोडों के बीच की न्यूनतम विद्युत दूरी को दर्शाता है; k एक विश्वसनीयता गुणांक है, जो अनुभव के आधार पर आमतौर पर 1.2 से 1.5 के बीच होता है; और E₀ गैस की विद्युत विघटन ताकत को दर्शाता है। वास्तविकता में, यह विघटन ताकत दो इलेक्ट्रोडों की विशिष्ट व्यवस्था पर निर्भर करती है, और हवा की विघटन ताकत विभिन्न इलेक्ट्रोड संरचनाओं और दूरी के साथ बदलती है। तुलनात्मक विश्लेषण के लिए, यह शोधपत्र E₀ = 3 kV/mm का मान ग्रहण करता है। समीकरण (1) के अनुसार, न्यूनतम विद्युत दूरी d को बढ़ाने और विद्युत क्षेत्र की असमानता गुणांक f को कम करने से हवा की अवरोधन माध्यम की टोलरेंस वोल्टेज में सुधार हो सकता है।

जब बहुत असमान विद्युत क्षेत्र के साथ निपटा जा रहा हो, तो 100 mm की दूरी के भीतर न्यूनतम विद्युत दूरी वाले इलेक्ट्रोडों के लिए टोलरेंस वोल्टेज निम्न प्रकार से गणना की जाती है:

सूत्र में, U50%(d) एक विशिष्ट विद्युत दूरी d पर बिजली विद्युत चालक परीक्षण के दौरान एक इलेक्ट्रोड की 50% विघटन वोल्टेज को दर्शाता है। बहुत असमान विद्युत क्षेत्रों में, विघटन वोल्टेज में बहुत विचरण होता है और डिस्चार्ज समय लैग लंबा होता है, जिससे विघटन वोल्टेज बहुत अस्थिर हो जाती है। वास्तविक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में, U50%(d) कई बिजली विद्युत चालक परीक्षणों के द्वारा और विघटन की 50% संभावना के लिए लगाए गए वोल्टेज को पहचानकर निर्धारित किया जाता है। यह मूल्य उत्पाद की संरचना और विद्युत क्षेत्र की समानता से घनिष्ठ रूप से संबंधित है। यह स्थापित है कि निम्न विद्युत क्षेत्र की असमानता गुणांक विघटन वोल्टेज में कम विचरण, उच्च विघटन वोल्टेज, और इस प्रकार उच्च टोलरेंस वोल्टेज का परिणाम होता है। इसलिए, विद्युत क्षेत्र की असमानता गुणांक को कम करना अलगाव ब्रेक की टोलरेंस वोल्टेज में सुधार करने के लिए लाभदायक है।

4 संरचनात्मक अनुकूलन