Az 12 kV légelhárítású RMU-kban fellépő kilövési kockázatok csökkentése gradiensvédő tervezés használatával
Ez a tanulmány egy adott típusú 12 kV levegőizolált gyűrűs főáramkör (RMU) elsődleges izoláló szakadóját vizsgálja, elemzi a körülötte lévő elektromos mező eloszlását és egyenletességét, értékeli e helyen az izolációs teljesítményt, és szerkezeti optimalizációval csökkenti a levezetési kockázatot, valamint javítja az izolációs teljesítményt, így hasonló termékek izolációs tervezésére nyújt referenciát.
1. A levegőizolált gyűrűs főáramkör szerkezete
A tanulmányban vizsgált levegőizolált RMU háromdimenziós szerkezeti modellje látható az 1. ábrán. A főáramköri konfiguráció vakuumkapcsoló és hárompozíciós kapcsoló kombinációját alkalmazza, a hárompozíciós kapcsolót a buszsoron találjuk, azaz a hárompozíciós kapcsoló a RMU felső részén helyezkedik el, míg a vakuumkapcsoló a RMU alsó részén található egy szilárd szegélyezett oszlop szerkezetben. Mivel a vakuumkapcsoló be van zárt az oszlopba, külső izolációja epoxidreszektel alapul, ami jelentősen jobb izolációs tulajdonságokkal rendelkezik, mint a levegő, így kielégíti az izolációs követelményeket.
Ezenkívül a szilárd szegélyezett oszlop szegélyezési pontján található összekötő buszszoros sarkait és ívelt formát adták, amit silikon gumis szegélyezéssel kombináltak, ez hatékonyan csökkenti a részleges levezetési problémákat ezen a területen. A buszszorosok közötti és a földhöz képesti izolációs távolságokat a releváns izolációs szabványoknak megfelelően tervezték, és kielégítik a szabályozásokat.
A hárompozíciós kapcsoló izoláló szakadója a levegőt használja izoláló médiumként. Mint mozgó összekötő elem, a szerkezete tartalmaz fém alkatrészeket, mint például rögzítők, rugók, diszkrugók és csavarkörök, hogy növelje a kapcsolókontaktusok közötti érintkezési nyomást. Azonban ezek a komplex formájú fém alkatrészek miatt az elektromos mező eloszlása nagyon egyenletlen lehet, ami részleges levezetést és potenciális töréskockázatot okoz, ami negatívan befolyásolja e helyen az izolációs teljesítményt.
Ezért ennek a szerkezetnek az elektromos tervezése különösen fontos. A terméktervezési követelmények szerint az izoláló szakadónak 50 kV-os, rövid ideig tartó huzamos rezgési kitartási feszültséget kell kivédnie, minimálisan 100 mm-es tervezett elektromos távolsággal. A komplex izoláló szakadó szerkezet figyelembevételekor a szakadó mindkét oldalán gradált pajzsokat adtak hozzá, hogy javítsák az elektromos mező egyenletességét és csökkentsék a részleges levezetést. A hárompozíciós kapcsoló háromdimenziós modellje látható a 2. ábrán. Ez a tanulmány elektromos mező szimulációs elemzést végez ezen az izoláló szakadón.
2. Szimulációs elemzés
Elektromos mező szimulációt végeztek a gyűrűs főáramkörön, elemzők a 50 kV-os, rövid ideig tartó huzamos rezgési kitartási feszültség mellett az izoláló szakadón az elektromos mező erősségeinek eloszlását. Két elektrostatisztikai mező szimulációs esetet tekintettek át:
Eszerint 1: A buszsor oldala (izoláló rögzített kontaktus oldala) alacsony potenciálú (0 V), míg a vezeték oldala (izoláló szakadó végének oldala) magas potenciálú (50 kV).
Eszerint 2: A buszsor oldala (izoláló rögzített kontaktus oldala) magas potenciálú (50 kV), míg a vezeték oldala (izoláló szakadó végének oldala) alacsony potenciálú (0 V).
A szimuláció során meghatározták a legnagyobb elektromos mezőerősség helyén a két esetben is. Az Eszerint 1 mellett az izoláló szakadó végének elektromos mezőerősség-eloszlása látható a 3. ábrán, míg az Eszerint 2 mellett az izoláló rögzített kontaktus elektromos mezőerősség-eloszlása látható a 4. ábrán. Az Eszerint 1 esetben a legnagyobb elektromos mezőerősség a gradált pajzs végén jelenik meg, 7,07 kV/mm értékkel; az Eszerint 2 esetben a legnagyobb a kerekített sarkon, 4,90 kV/mm értékkel.
A levegő tipikus kritikus töréserőssége 3 kV/mm. Ahogy a 3. és 4. ábra mutatja, bár az izoláló szakadó legtöbb területén az elektromos mezőerősség alatta van 3 kV/mm – ami nem elegendő a töréshez – helyi régiókban túllépi ezt a küszöböt, ami részleges levezetést okoz. Amikor a levegő száraz állapotból nedves állapotba kerül, az izolációs képessége csökken [10], ami a kritikus egyenletes törésterhelés alá helyezi a 3 kV/mm-ot. Ezenkívül a nagyon egyenletlen elektromos mező eloszlás tovább csökkenti a levegő kritikus törésterhelését, növelve a törés kockázatát és valószínűségét. Külső környezeti tényezők hatásának enyhítése és a mező egyenletességének javítása érdekében e tanulmány a mező egyenletességének és a kitartási feszültség szintjének értékelését végezze, amely az izolációs képesség javításának alapjaként szolgál.
3. A levegő izolációs jellemzői
3.1 Elektromos mező egyenlettelenségi együttható meghatározása
Gyakorlatban egy teljesen egyenletes elektromos mező nem létezik; minden elektromos mező alapján egyenlettelensége van. Az elektromos mező egyenlettelenségi együtthatója (f) alapján két típusú elektromos mezőt különböztethetünk meg: ha f ≤ 4, a mezőt kissé egyenlettelenné tekintjük; ha f > 4, akkor nagyon egyenlettelenné. Az egyenlettelenségi együttható (f) definíciója f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, ahol Eₘₐₓ a helyi maximális elektromos mezőerősség, a szimulációs eredményekből származik, míg Eₐᵥ az átlagos elektromos mezőerősség, amit a feszültség osztva a minimális elektromos távolsággal számolunk ki.
A 3. ábra alapján Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm és Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Így az izoláló szakadó elektromos mező egyenlettelenségi együtthatója f = 14,14 > 4, ami nagyon egyenlettelent jelöl. Nagyon egyenlettelenséges területeken stabil részleges levezetés történhet, és minél nagyobb az egyenlettelenség, annál nagyobb a levezetési mennyiség. Egy 12 kV-os gyűrűs főáramkör esetén a teljes szekrény részleges levezetési mennyisége kevesebbnek kell lennie, mint 20 pC [5,11]. Így az elektromos mező egyenlettelenségi együttható csökkentése segít a részleges levezetési szint csökkentésében.
3.2 A levegő kitartási feszültségének meghatározása
Az elektromos mező egyenlettelenségi együtthatója befolyásolja a száraz levegő kitartási feszültségét. Ha a mező kissé egyenlettelenséges, a kitartási feszültség:
ahol U a kitartási feszültséget jelöli; d a minimális elektromos távolságot jelenti az elektrodok között; k egy megbízhatósági tényező, amely általában 1,2–1,5 közötti értéket vehet fel tapasztalat alapján; E₀ pedig a gáz dielektrikus törésterhelését jelöli. Gyakorlatban ez a törésterhelés a két elektrod specifikus konfigurációjától függ, és a levegő törésterhelése különböző elektrod szerkezetek és távolságok mellett változik. Összehasonlíthatóság érdekében ebben a tanulmányban feltételezzük, hogy E₀ = 3 kV/mm. A (1) egyenlet alapján a minimális elektromos távolság (d) növelése és az elektromos mező egyenlettelenségi együtthatója (f) csökkentése is javíthatja a levegő izolációs médium kitartási feszültségét.
Nagyon egyenlettelenséges elektromos mező esetén, ahol a minimális elektromos távolság 100 mm körül van, a kitartási feszültség a következőképpen számítható:
A képletben U50%(d) jelöli a 50%-os törésvoltát egy elektrodhoz adott elektromos távolság mellett villámimpulzus-próbák során. Nagyon egyenlettelenséges elektromos mezőben a törésvoltak nagy variabilitását és hosszabb levezetési időtartamot tapasztalunk, ami a törésvolt instabilitását jelenti. Gyakorlati mérnöki alkalmazásokban U50%(d)-t több villámimpulzus-próba alapján határozzák meg, ahol a 50%-os törés valószínűséget biztosító alkalmazott feszültséget azonosítják. Ez az érték szorosan kapcsolódik a termék szerkezetéhez és az elektromos mező egyenletességéhez. Alacsonyabb elektromos mező egyenlettelenségi együtthatóval a törésvolt variabilitása csökken, a törésvolt magasabb, és emiatt a kitartási feszültség is magasabb. Így az elektromos mező egyenlettelenségi együttható csökkentése előnyös az izoláló szakadó kitartási feszültségének javítására.
4 Szerkezeti optimalizálás
Az izoláló szakadó végének körülötte lévő elektromos mező egyenletességének javítása és az elektromos mező egyenlettelenségi együttható csökkentése érdekében a gradált pajzs szerkezetét optimalizálták. A gradált pajzs optimalizálása előtti és utáni modelleit a 5. ábra, míg a szerszélynézeteket a 6. ábra mutatja. A 6. ábra alapján látható, hogy a pre-optimalizálási tervezéshez képest a optimalizált gradált pajzs sarkai gömbölyödésekkel ellátottak, a sarok sugara 0,75 mm-ről 4 mm-re nőtt. Ez a fejlesztés növeli a görbületi sugarat, és promóciót tesz az elektromos mező egyenletesebb eloszlására. Az optimalizált izoláló szakadó végének körülötte lévő elektromos mezőerősség eloszlása a 7. ábrán látható. Ebből az ábrából látszik, hogy a legnagyobb elektromos mezőerősség 3,66 kV/mm-ra csökkent, ami kb. a fele az eredeti értéknek, ami jelentős javulást jelent.
A korábban említett képlet f=Emax/Eav alapján az optimalizálás utáni elektromos mező egyenlettelenségi együttható 7,32, ami körülbelül a fele az optimalizálás előtti értéknek.
Ez jelzi, hogy az izoláló szakadó végének körülötte lévő elektromos mező egyenletessége jelentősen javult, ami azt mutatja, hogy a szerkezeti optimalizálás hatékony volt. A gradált pajzs optimalizálása előtti és utáni adatok összehasonlítása a 1. táblázatban látható. A 1. táblázatból látható, hogy az optimalizált gradált pajzs szerkezet valóban csökkenti a törési levezetési kockázatot az izoláló szakadók között. Ugyanakkor az izoláló szakadók közötti elektromos mező továbbra is nagyon egyenlettelenséges, tehát a kitartási feszültsége továbbra is a U50%(d)-től függ. A kitartási feszültség javulásának mértéke további helyszíni teszteléssel ellenőrizhető.
Ez a fordítás megtartja az eredeti szöveg technikai részleteit és kontextust, garantálva a világos és pontos információ angol nyelvű olvasók számára.
5 Kísérleti ellenőrzés
A szimulációs elemzés hatékonyságának ellenőrzéséhez részleges levezetési próbakísérleteket végztek egy 12 kV-os levegőizolált gyűrűs főáramkörön. Három prototípus egységet (1. - 3. számú) készítettek. Először a három egységen a régi (pre-optimalizált) gradált pajzsokkal végztek részleges levezetési próbakísérleteket. Ezután a optimalizált gradált pajzsokat telepítették, és ismételték a próbakísérleteket. Az eredményül kapott részleges levezetési adatok a 2. táblázatban láthatók.
A táblázat alapján a pre-optimalizálási részleges levezetési szintek mind 20 pC-nél magasabbak voltak, míg a post-optimalizálási szintek 4,5 pC alá csökkentek. Ez azt mutatja, hogy az optimalizált gradált pajzs szerkezet hatékonyan javítja a gyűrűs főáramkör izolációs teljesítményét, és megerősíti a korábbi szimulációk és elemzések érvényességét.
6 Következtetés
A 12 kV-os levegőizolált gyűrűs főáramkör izoláló szakadójának elektromos mező elemzése alapján a következő következtetésekre jutottak:
Mivel a levegő izolációs képessége alacsonyabb, mint a SF₆, a levegőizolált gyűrűs főáramkör hárompozíciós kapcsolói esetén az elektromos mező eloszlásának javítása létfontosságú az izolációs teljesítmény javítása érdekében.
A levegőizolált gyűrűs főáramkör hárompozíciós kapcsolóinak (izoláló szakadók) mozgó alkatrészeinek (izoláló szakadók) komplex szerkezete miatt az elektromos mezőerősség eloszlása bizonyos helyeken nagyon egyenlettelenséges lehet. Az egyenlettelenség csökkentése érdekében gradált pajzsokat adtak hozzá az izoláló szakadó mindkét oldalára, hogy a szakadó kapcsolási részeinek közelében a magas mezőerősségű régiókat fedje, így a legnagyobb mezőerősség helyét a gradált pajzsok végére tolják. Ebben a tanulmányban a pajzs végének görbületi sugarának 0,75 mm-ről 4 mm-re történő növelése a helyi maximális elektromos mezőerősség és az elektromos mező egyenlettelenségi együttható nagyságát k
