Smanjenje rizika od iscrpljivanja u 12 kV zrakom izoliranim RMU-ima putem dizajna s ravnomernim štitom
Ovaj rad analizira primarni izolacijski prekid određenog tipa 12kV zračno-izoliranog kolovratnog glavnog uređaja (RMU), analizirajući distribuciju i uniformnost električnog polja oko njega, procjenjuje izolacijske performanse na tom mjestu te smanjuje rizik od iscrpljenja povećanjem izolacijskih performansi putem optimizacije strukture, time pružajući referencu za dizajn izolacije sličnih proizvoda.
1 Struktura zračno-izoliranog kolovratnog glavnog uređaja
Trodimenzionalni strukturni model zračno-izoliranog RMU koji se istražuje u ovom radu prikazan je na slici 1. Glavna kružnica koristi konfiguraciju kombinacije vakuumskog prekidača s trostranim prekidačem, raspoređenim tako da je trostrani prekidač na strani busa - to jest, trostrani prekidač nalazi se u gornjem dijelu RMU-a, dok je vakuumski prekidač montiran u donjem dijelu u čvrsto zatvorenoj stupnoj strukturi. Budući da je vakuumski prekidač unutar stuba, vanjska strana je izolirana epoksidnim smolama koje imaju značajno bolje izolacijske osobine od zraka, time ispunjavajući izolacijske zahtjeve.
Dodatno, spojna busa na mjestu zatvaranja čvrsto zatvorenog stuba koristi zaobljene rubove i lukasti dizajn, kombinirane s silikonskim gumenim zatvaranjem, što efektivno umanjuje probleme parcijalnog iscrpljenja u toj regiji. Izolacijski razmaci između busova i do tla dizajnirani su prema relevantnim izolacijskim standardima i zadovoljavaju regulativne zahtjeve.
Izolacijski klip trostranog prekidača ovisi o zraku kao izolacijskom mediju. Kao pokretan spoj, njegova struktura uključuje metalne dijelove poput štapića, opruga, diskovitih opruga i sprinera kako bi se povećalo dodirno tlakovanje između izolacijskih kontakata. Međutim, zbog složenih oblika ovih metalnih dijelova, distribucija električnog polja može postati vrlo neuniformna, što dovodi do parcijalnog iscrpljenja i potencijalnih opasnosti raspadanja, što negativno utječe na izolacijske performanse na tom mjestu.
Stoga je električni dizajn ove strukture posebno važan. Prema zahtjevima dizajna proizvoda, izolacijski prekid mora podnijeti predviđeni kratkotrajni naponski test na snagu 50kV, s minimalnim dizajniranim električnim razmakom od 100mm. Uzimajući u obzir složenost strukture izolacijskog klipa, na obje strane klipa dodani su gradijentni štitovi kako bi se poboljšala uniformnost električnog polja i smanjilo parcijalno iscrpljenje. Trodimenzionalni model trostranog prekidača prikazan je na slici 2. Ovaj rad provodi simulacijsku analizu električnog polja na tom izolacijskom prekidu.
2 Simulacijska analiza
Konačni elementi softvera korišteni su za simulaciju električnog polja na kolovratnom glavnom uređaju, analizirajući distribuciju jačine električnog polja na izolacijskom prekidu pod predviđenim 50 kV kratkotrajnim naponskim testom. Razmatrano je dva slučaja elektrostatičke simulacije:
Slučaj 1: Strana busa (strana fiksiranih izolacijskih kontakata) je na niskom potencijalu (0 V), a strana linije (strana vrha izolacijskog klipa) je na visokom potencijalu (50 kV).
Slučaj 2: Strana busa (strana fiksiranih izolacijskih kontakata) je na visokom potencijalu (50 kV), a strana linije (strana vrha izolacijskog klipa) je na niskom potencijalu (0 V).
Distribucija električnog polja na mjestu maksimalne jačine električnog polja za oba slučaja dobivena je putem simulacije. Distribucija jačine električnog polja na vrhu izolacijskog klipa u Slučaju 1 prikazana je na slici 3, a distribucija na fiksiranim izolacijskim kontaktima u Slučaju 2 prikazana je na slici 4. U Slučaju 1, maksimalna jačina električnog polja pojavljuje se na kraju gradijentnog štita, dosežući 7,07 kV/mm; u Slučaju 2, maksimalna vrijednost pojavljuje se na zaobljenom rubu fiksiranih izolacijskih kontakata, sa vrijednošću 4,90 kV/mm.
Tipična kritična jačina električnog polja za raspad zraka je 3 kV/mm. Kao što je prikazano na slici 3 i 4, iako je jačina električnog polja u većini područja izolacijskog prekida manja od 3 kV/mm - nedovoljna za uzrokovati raspad - lokalizirana regija prelazi tu granicu, što dovodi do parcijalnog iscrpljenja. Kada se zrak promijeni od suho u vlažno stanje, njegove izolacijske sposobnosti se smanjuju [10], smanjujući kritičnu uniformnu jačinu električnog polja ispod 3 kV/mm. Također, vrlo neuniformna distribucija električnog polja dalje smanjuje kritičnu jačinu električnog polja za raspad, povećavajući mogućnost i rizik od raspadanja. Da bi se umanjio utjecaj vanjskih okolišnih faktora na zračni izolacijski medij i poboljšala uniformnost polja, ovo istraživanje procjenjuje stupanj uniformnosti električnog polja i razinu otpornosti na napetost izolacijskog prekida, kao osnova za poboljšanje izolacijskih sposobnosti prekida.
3 Karakteristike zračne izolacije
3.1 Određivanje koeficijenta neuniformnosti električnog polja
U praksi, savršeno uniformno električno polje ne postoji; sva električna polja su prirodno neuniformna. Na temelju koeficijenta neuniformnosti električnog polja f, električna polja klasificiraju se u dvije vrste: kada je f ≤ 4, polje se smatra blago neuniformnim; kada je f > 4, smatra se visoko neuniformnim. Koeficijent neuniformnosti f definira se kao f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, gdje Eₘₐₓ predstavlja maksimalnu lokalnu jačinu električnog polja, dobivena iz maksimalne vrijednosti u rezultatima simulacije, a Eₐᵥ je prosječna jačina električnog polja, izračunata kao primijenjena napetost podijeljena s minimalnim električnim razmakom.
Prema slici 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm i Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Stoga je koeficijent neuniformnosti električnog polja na izolacijskom prekidu f = 14,14 > 4, što ukazuje na visoko neuniformno električno polje. U područjima s visoko neuniformnim poljima, može se pojaviti stabilno parcijalno iscrpljenje, a što je veći stupanj neuniformnosti, to je izraženije parcijalno iscrpljenje i veća je veličina iscrpljenja. Za 12 kV kolovratni glavni uređaj, ukupna količina parcijalnog iscrpljenja cijelog ormara treba biti manja od 20 pC [5,11]. Stoga, smanjenje koeficijenta neuniformnosti električnog polja pomaže u smanjenju razine parcijalnog iscrpljenja.
3.2 Određivanje otpornosti zraka na napetost
Koeficijent neuniformnosti električnog polja utječe na otpornost suhog zraka na napetost. Kada je polje blago neuniformno, otpornost je:
gdje U označava otpornost na napetost; d predstavlja minimalni električni razmak između elektroda; k je faktor pouzdanosti, obično u rasponu od 1,2 do 1,5 na temelju iskustva; a E₀ se odnosi na dielektričnu jačinu električnog polja za raspad gasa. U praksi, ta jačina električnog polja za raspad ovisi o specifičnoj konfiguraciji dva elektroda, a jačina električnog polja za raspad zraka varira s različitim strukturama elektroda i razmacima. Radi usporedbe, ovaj rad pretpostavlja E₀ = 3 kV/mm. Prema jednadžbi (1), povećavanje minimalnog električnog razmaka d i smanjenje koeficijenta neuniformnosti električnog polja f može poboljšati otpornost zračnog izolacijskog medija na napetost.
Kada se bavi visoko neuniformnim električnim poljem, za elektrode s minimalnim električnim razmakom u rasponu od 100 mm, otpornost se izračunava sljedećim izrazom:
U formuli, U50%(d) predstavlja 50% napetost raspadanja elektroda pod određenim električnim razmakom d tijekom testova impulsnog udara. U visoko neuniformnim električnim poljima, postoji značajna disperzija napetosti raspadanja i duži vremenski lag izraza, što čini napetost raspadanja vrlo nestabilnom. U praktičnim inženjerskim aplikacijama, U50%(d) određuje se provedbom više testova impulsnog udara i identifikacijom primijenjene napetosti na kojoj postoji 50% vjerojatnost raspadanja. Ova vrijednost je tesno povezana s strukturom proizvoda i uniformnošću električnog polja. Utvrđeno je da niži koeficijent neuniformnosti električnog polja rezultira manjom disperzijom napetosti raspadanja, većom napetosti raspadanja i stoga većom otpornosti na napetost. Stoga, smanjenje koeficijenta neuniformnosti električnog polja korisno je za poboljšanje otpornosti izolacijskog prekida na napetost.
4 Optimizacija strukture
Za poboljšanje uniformnosti električnog polja oko vrha izolacijskog klipa i smanjenje koeficijenta neuniformnosti električnog polja, provedena je optimizacija strukture gradijentnog štita. Modeli gradijentnog štita prije i poslije optimizacije prikazani su na slici 5, dok su presjeci prikazani na slici 6. Kao što je vidljivo na slici 6, u usporedbi s preoptimizacijskim dizajnom, optimizirani gradijentni štit ima deblji kraj s zaobljenim rubovima, povećavajući radijus ruba s 0,75 mm na 4 mm. Ovo poboljšanje povećava radijus zakrivljenosti, omogućujući više uniformnu distribuciju električnog polja. Distribucija jačine električnog polja oko optimiziranog vrha izolacijskog klipa prikazana je na slici 7. Iz ove slike jasno je da je maksimalna jačina električnog polja smanjena na 3,66 kV/mm, približno na polovicu svoje originalne vrijednosti, što ukazuje na značajno poboljšanje.
Prema gore navedenoj formuli f=Emax/Eav/Eav, koeficijent neuniformnosti električnog polja nakon optimizacije iznosi 7,32, što je približno pola manje u usporedbi s preoptimizacijskim stanjem.
To ukazuje na značajno poboljšanje uniformnosti električnog polja oko vrha izolacijskog klipa, što pokazuje da je strukturna optimizacija bila učinkovita. Usporedba podataka prije i poslije optimizacije gradijentnog štita prikazana je u tablici 1. Kao što je vidljivo iz tablice 1, optimizirana struktura gradijentnog štita zaista smanjuje rizik od raspadanja između izolacijskih prekida. Međutim, električno polje između izolacijskih prekida ostaje visoko neuniformno, što znači da je njegova otpornost na napetost još uvijek određena s U50%(d). Mjera poboljšanja otpornosti na napetost može se dalje potvrditi putem terenskih testova.
Ovaj prijevod održava tehničke detalje i kontekst navedene u originalnom tekstu, osiguravajući jasnoću i točnost za englesko govoreće publiku.
5 Eksperimentalna verifikacija
Da bi se potvrdila učinkovitost simulacijske analize, provedeni su testovi parcijalnog iscrpljenja na 12 kV zračno-izoliranom kolovratnom glavnom uređaju. Pripremljeno je tri prototipa (broj 1 do broj 3). Testovi parcijalnog iscrpljenja najprije su provedeni s originalnim (pre-optimizacijskim) gradijentnim štitovima instaliranim na izolacijske klipse svih tri uređaja. Zatim su instalirani optimizirani gradijentni štiti, a testovi su ponovljeni. Rezultirajući podaci o parcijalnom iscrpljenju prikazani su u tablici 2.
Kao što je vidljivo iz tablice, razine parcijalnog iscrpljenja prije optimizacije sve su premašile 20 pC, dok su one nakon optimizacije smanjene ispod 4,5 pC. To ukazuje da optimizirana struktura gradijentnog štita efektivno poboljšava izolacijske performanse kolovratnog glavnog uređaja i potvrđuje valjanost prethodne simulacije i analize.
6 Zaključak
Na temelju analize električnog polja izolacijskog prekida u 12 kV zračno-izoliranom kolovratnom glavnom uređaju, izvedeni su sljedeći zaključci:
Budući da su izolacijske sposobnosti zraka slabije od SF₆, poboljšanje distribucije električnog polja nužno je za poboljšanje izolacijskih performansi kada se zrak koristi kao izolacijski medij u trostranim prekidačima kolovratnih glavnih uređaja.
Zbog složenosti strukture pokretnih dijelova (izolacijskih klipova) u trostranim prekidačima zračno-izoliranih kolovratnih glavnih uređaja, distribucija jačine električnog polja na određenim mjestima može postati visoko neuniformna. Da bi se smanjila ta neuniformnost, gradijentni štiti mogu se dodati na obje strane izolacijskog klipa kako bi se štitile visokopolje regioni oko spojnih dijelova klipa, premještajući lokaciju maksimalne jačine električnog polja na krajeve gradijentnih štitova. U ovom istraživanju, povećanjem radijusa zakrivljenosti na kraju štita s 0,75 mm na 4 mm, smanjena su maksimalna lokalna jačina električnog polja i koeficijent neuniformnosti električnog polja približno na polovicu njihovih originalnih vrijednosti, dostižući željeni učinak optimizacije.
Uniformnost distribucije električnog polja, ili koeficijent neuniformnosti električnog polja, značajno utječe na parcijalno i raspadanje iscrpljenja. Visoko neuniformna polja često proizvode stabilno parcijalno iscrpljenje (korona iscrpljenje). U oba blago i visoko neuniformna polja, veći koeficijent neuniformnosti rezultira nižom otpornosti na napetost između elektroda.
