Mitigazione dei rischi di scarica in RMU a isolamento ad aria da 12 kV mediante progettazione con schermo di gradazione

Questo documento prende come oggetto di studio la principale interruzione di isolamento di un certo tipo di unità di distribuzione a anello (RMU) ad isolamento aereodinamico da 12kV, analizzando la distribuzione e l'omogeneità del campo elettrico intorno ad essa, valutando le prestazioni di isolamento in tale posizione e riducendo il rischio di scarica aumentando le prestazioni di isolamento attraverso l'ottimizzazione strutturale, fornendo così un riferimento per la progettazione dell'isolamento di prodotti simili.

1 Struttura dell'Unità di Distribuzione a Anello ad Isolamento Aereo

Il modello strutturale tridimensionale della RMU ad isolamento aereo studiata in questo documento è mostrato nella Figura 1. Il circuito principale adotta una configurazione che combina un interruttore a vuoto con un interruttore a tre posizioni, disposto con l'interruttore a tre posizioni sul lato barra, ovvero l'interruttore a tre posizioni si trova nella parte superiore della RMU, mentre l'interruttore a vuoto è montato nella parte inferiore in una struttura a polo solidamente sigillato. Poiché l'interruttore a vuoto è racchiuso all'interno del polo, la sua esterna è isolata con resina epossidica, che ha proprietà di isolamento significativamente migliori dell'aria, soddisfacendo quindi i requisiti di isolamento.

Inoltre, la barra di connessione al punto di sigillatura del polo solidamente sigillato utilizza bordi smussati e design a forma di arco, combinati con sigillatura in gomma silicone, mitigando efficacemente i problemi di scarica parziale in questa area. Le distanze di isolamento tra le barre e verso terra sono progettate secondo gli standard di isolamento pertinenti e soddisfano i requisiti regolamentari.

La lama di isolamento dell'interruttore a tre posizioni si basa sull'aria come mezzo isolante. Come componente di connessione mobile, la sua struttura include parti metalliche come perni, molle, molla a dischi e circlip per aumentare la pressione di contatto tra i contatti di isolamento. Tuttavia, a causa delle forme complesse di queste parti metalliche, la distribuzione del campo elettrico può diventare altamente non omogenea, portando a scariche parziali e potenziali rischi di rottura, che influiscono negativamente sulle prestazioni di isolamento in questa posizione.

Pertanto, la progettazione elettrica di questa struttura è particolarmente critica. Secondo i requisiti di progettazione del prodotto, l'interruzione di isolamento deve resistere a una tensione nominale di resistenza a breve termine a frequenza industriale di 50kV, con una distanza elettrica minima progettata di 100mm. Data la complessità della struttura della lama di isolamento, sono aggiunti schermi di gradazione su entrambi i lati della lama per migliorare l'omogeneità del campo elettrico e ridurre le scariche parziali. Il modello tridimensionale dell'interruttore a tre posizioni è mostrato nella Figura 2. Questo documento esegue un'analisi di simulazione del campo elettrico su questa interruzione di isolamento.

2 Analisi di Simulazione

È stato utilizzato un software di elementi finiti per eseguire la simulazione del campo elettrico sull'unità di distribuzione a anello, analizzando la distribuzione della forza del campo elettrico all'interruzione di isolamento sotto la specifica tensione nominale di resistenza a breve termine a frequenza industriale di 50 kV. Sono stati considerati due casi di simulazione del campo elettrostatico:

• Caso 1: Il lato barra (lato contatto fisso di isolamento) è a basso potenziale (0 V), e il lato linea (lato punta della lama di isolamento) è ad alto potenziale (50 kV).

• Caso 2: Il lato barra (lato contatto fisso di isolamento) è ad alto potenziale (50 kV), e il lato linea (lato punta della lama di isolamento) è a basso potenziale (0 V).

La distribuzione del campo elettrico nella posizione di forza del campo elettrico massima per entrambi i casi è stata ottenuta tramite simulazione. La distribuzione della forza del campo elettrico alla punta della lama di isolamento nel Caso 1 è mostrata nella Figura 3, e la distribuzione al contatto fisso di isolamento nel Caso 2 è mostrata nella Figura 4. Nel Caso 1, la forza del campo elettrico massima si verifica alla fine dello schermo di gradazione, raggiungendo 7,07 kV/mm; nel Caso 2, la massima si verifica all'orlo smussato del contatto fisso di isolamento, con un valore di 4,90 kV/mm.

La tipica forza del campo elettrico critica di rottura per l'aria è di 3 kV/mm. Come mostrato nelle Figure 3 e 4, mentre la forza del campo elettrico in gran parte delle aree dell'interruzione di isolamento è inferiore a 3 kV/mm - insufficiente per causare la rottura - regioni localizzate superano questa soglia, portando a scariche parziali. Quando l'aria passa da condizioni secche a umide, la sua capacità di isolamento diminuisce [10], abbassando la forza critica di rottura uniforme sotto i 3 kV/mm. Inoltre, una distribuzione altamente non omogenea del campo elettrico riduce ulteriormente la forza critica di rottura dell'aria, aumentando la probabilità e il rischio di rottura. Per mitigare l'impatto dei fattori ambientali esterni sul mezzo isolante d'aria e migliorare l'omogeneità del campo, questo studio valuta il grado di omogeneità del campo elettrico e il livello di tensione di resistenza all'interruzione di isolamento, servendo come base per migliorare la capacità di isolamento dell'interruzione.

3 Caratteristiche dell'Isolamento aereo

3.1 Determinazione del Coefficiente di Non Omogeneità del Campo Elettrico

Nella pratica, un campo elettrico perfettamente omogeneo non esiste; tutti i campi elettrici sono intrinsecamente non omogenei. In base al coefficiente di non omogeneità del campo elettrico f, i campi elettrici sono classificati in due tipi: quando f ≤ 4, il campo è considerato leggermente non omogeneo; quando f > 4, è considerato altamente non omogeneo. Il coefficiente di non omogeneità f è definito come f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, dove Eₘₐₓ è la forza del campo elettrico locale massima, ottenuta dal valore massimo nei risultati della simulazione, e Eₐᵥ è la forza del campo elettrico media, calcolata come la tensione applicata divisa dalla distanza elettrica minima.

Dalla Figura 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm e Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Pertanto, il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico all'interruzione di isolamento è f = 14,14 > 4, indicando un campo elettrico altamente non omogeneo. In regioni con campi altamente non omogenei, possono verificarsi scariche parziali stabili, e quanto maggiore è il grado di non omogeneità, tanto più pronunciata è la scarica parziale e maggiore è l'ampiezza della scarica. Per un'unità di distribuzione a anello da 12 kV, la quantità totale di scarica parziale dell'intero armadio deve essere inferiore a 20 pC [5,11]. Pertanto, ridurre il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico aiuta a diminuire il livello di scarica parziale.

3.2 Determinazione della Tensione di Resistenza dell'Aria

Il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico influenza la tensione di resistenza dell'aria secca. Quando il campo è leggermente non omogeneo, la tensione di resistenza è:

dove U denota la tensione di resistenza; d rappresenta la distanza elettrica minima tra elettrodi; k è un fattore di affidabilità, solitamente compreso tra 1,2 e 1,5 sulla base dell'esperienza; e E₀ si riferisce alla forza del campo elettrico di rottura del gas. Nella pratica, questa forza di rottura dipende dalla configurazione specifica dei due elettrodi, e la forza di rottura dell'aria varia con diverse strutture degli elettrodi e distanze di separazione. Ai fini dell'analisi comparativa, questo documento assume E₀ = 3 kV/mm. Come indicato dall'Equazione (1), aumentare la distanza elettrica minima d e ridurre il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico f possono entrambi migliorare la tensione di resistenza del mezzo isolante d'aria.

Quando si affronta un campo elettrico altamente non omogeneo, per elettrodi con una distanza elettrica minima nell'intervallo di 100 mm, la tensione di resistenza viene calcolata come segue:

Nella formula, U50%(d) rappresenta la tensione di rottura al 50% di un elettrodo sotto una specifica distanza elettrica d durante i test di impulso fulmineo. Nei campi elettrici altamente non omogenei, c'è una significativa dispersione delle tensioni di rottura e tempi di ritardo di scarica più lunghi, rendendo la tensione di rottura altamente instabile. Nelle applicazioni ingegneristiche pratiche, U50%(d) è determinato effettuando numerosi test di impulso fulmineo e identificando la tensione applicata alla quale c'è una probabilità del 50% di rottura. Questo valore è strettamente correlato alla struttura del prodotto e all'omogeneità del campo elettrico. Si stabilisce che un coefficiente di non omogeneità del campo elettrico inferiore porta a una minore dispersione della tensione di rottura, a una tensione di rottura maggiore e, conseguentemente, a una tensione di resistenza maggiore. Pertanto, ridurre il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico è vantaggioso per migliorare la tensione di resistenza dell'interruzione di isolamento.

4 Ottimizzazione Strutturale

Per migliorare l'omogeneità del campo elettrico intorno alla punta della lama di isolamento e ridurre il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico, è stata eseguita un'ottimizzazione della struttura dello schermo di gradazione. I modelli dello schermo di gradazione prima e dopo l'ottimizzazione sono mostrati nella Figura 5, mentre le viste in sezione sono fornite nella Figura 6. Come si può vedere dalla Figura 6, rispetto al design pre-ottimizzazione, lo schermo di gradazione ottimizzato presenta un'estremità più spessa con angoli arrotondati, aumentando il raggio di curvatura da 0,75 mm a 4 mm. Questo miglioramento aumenta il raggio di curvatura, promuovendo una distribuzione più omogenea del campo elettrico. La distribuzione della forza del campo elettrico intorno alla punta della lama di isolamento ottimizzata è illustrata nella Figura 7. Da questa figura, è evidente che la forza del campo elettrico massima è stata ridotta a 3,66 kV/mm, circa la metà del suo valore originale, indicando un notevole miglioramento.

Secondo la formula menzionata f=Emax/Eavf=Emax/Eav, il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico dopo l'ottimizzazione è 7,32, circa la metà rispetto a prima dell'ottimizzazione.

Ciò indica un notevole miglioramento dell'omogeneità del campo elettrico intorno alla punta della lama di isolamento, dimostrando che l'ottimizzazione strutturale è stata efficace. Un confronto dei dati prima e dopo l'ottimizzazione dello schermo di gradazione è mostrato nella Tabella 1. Come si può vedere dalla Tabella 1, la struttura dello schermo di gradazione ottimizzata riduce effettivamente il rischio di scarica di rottura tra le interruzioni di isolamento. Tuttavia, il campo elettrico tra le interruzioni di isolamento rimane altamente non omogeneo, il che significa che la sua tensione di resistenza è ancora determinata da U50%(d)U50%(d). L'entità del miglioramento della tensione di resistenza può essere ulteriormente confermata tramite prove in loco.

5 Verifica Sperimentale

Per validare l'efficacia dell'analisi di simulazione, sono state condotte prove di scarica parziale su un'unità di distribuzione a anello ad isolamento aereo da 12 kV. Sono stati preparati tre prototipi (dal n. 1 al n. 3). Le prove di scarica parziale sono state eseguite inizialmente con gli schermi di gradazione originali (pre-ottimizzazione) installati sulle lame di isolamento di tutte e tre le unità. Successivamente, sono stati installati gli schermi di gradazione ottimizzati e le prove sono state ripetute. I dati di scarica parziale risultanti sono presentati nella Tabella 2.

Come mostrato nella tabella, i livelli di scarica parziale prima dell'ottimizzazione hanno superato tutti i 20 pC, mentre quelli dopo l'ottimizzazione sono stati ridotti a meno di 4,5 pC. Ciò indica che la struttura dello schermo di gradazione ottimizzata migliora efficacemente le prestazioni di isolamento dell'unità di distribuzione a anello e conferma la validità della precedente simulazione e analisi.

6 Conclusione

Basandosi sull'analisi del campo elettrico dell'interruzione di isolamento in un'unità di distribuzione a anello ad isolamento aereo da 12 kV, si traggono le seguenti conclusioni:

• Poiché la capacità di isolamento dell'aria è inferiore a quella dell'SF₆, migliorare la distribuzione del campo elettrico è essenziale per migliorare le prestazioni di isolamento quando l'aria è utilizzata come mezzo isolante negli interruttori a tre posizioni delle unità di distribuzione a anello.

• A causa della complessità strutturale dei componenti mobili (lame di isolamento) negli interruttori a tre posizioni delle unità di distribuzione a anello ad isolamento aereo, la distribuzione della forza del campo elettrico in alcune posizioni può diventare altamente non omogenea. Per ridurre questa non omogeneità, possono essere aggiunti schermi di gradazione su entrambi i lati della lama di isolamento per schermare le regioni ad alta intensità del campo vicino alle parti di connessione della lama, spostando così la posizione della forza del campo massima alle estremità degli schermi di gradazione. In questo studio, aumentando il raggio di curvatura all'estremità dello schermo da 0,75 mm a 4 mm, sia la forza del campo elettrico locale massima che il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico sono stati ridotti a circa la metà dei loro valori originali, raggiungendo l'effetto di ottimizzazione desiderato.

• L'omogeneità della distribuzione del campo elettrico, o il coefficiente di non omogeneità del campo elettrico, influenza significativamente le scariche parziali e di rottura. I campi altamente non omogenei tendono a produrre scariche parziali stabili (scariche corona). Sia nei campi leggermente che altamente non omogenei, un coefficiente di non omogeneità più elevato risulta in una tensione di resistenza più bassa tra gli elettrodi.