Izolācijas gaisa RMU 12 kV izsekošanas risku mazināšana, izmantojot gradēšanas aizsardzības dizainu

Šis raksts analizē primāro izolācijas sprādzienu noteiktā veida 12kV gaisa dielektriskajā apgaismojuma kabeļu (RMU) blokā, pētot elektriskā lauka sadalījumu un vienmērību tā apkārtne, novērtējot šīs vietas izolācijas veiktspēju, samazinot izlaides risku un uzlabojot izolācijas veiktspēju struktūras optimizācijas palīdzībā, tādējādi nodrošinot atsauces punktu līdzīgu produktu izolācijas projektēšanai.

1 Gaisa dielektriskā apgaismojuma kabeļu struktūra

Šajā rakstā pētīto gaisa dielektrisko RMU trīsmērīgā struktūras modelis ir attēlots 1. figūrā. Galvenais ceļš izmanto konfigurāciju, kas apvieno vakuumu slēdzi ar trīs pozīciju slēdzi, kur trīs pozīciju slēdzis ir novietots uz matricas puses — tas nozīmē, ka trīs pozīciju slēdzis atrodas RMU augšdaļā, savukārt vakuumslēdzis ir montēts zemāk, solidā segā pola struktūrā. Tā kā vakuumslēdzis ir ievietots polā, tā ārējā daļa ir izolēta epoksidresinā, kam ir būtiski labākas izolācijas īpašības nekā gaisam, tādējādi sasniedzot izolācijas prasības.

Papildus tam, savienojuma matrica solīdā sega savienojuma punktā izmanto apskritu malas un loka formu, kombinējot to ar silikona rubēra segšanu, efektīvi mazinot daļējo izlaidi šajā zonā. Matricu starpnieku un pret zemi izolācijas attālumi ir izstrādāti saskaņā ar atbilstošiem izolācijas standartiem un apmierina regulatīvās prasības.

Trīs pozīciju slēdža izolācijas sprādzene paļaujas uz gaisu kā izolējošo vidu. Kā kustīgs savienojuma elements, tā struktūra ietver metāla daļas, piemēram, čepures, spraugas, diska spraugas un cirklites, lai palielinātu kontaktu spiedienu starp izolācijas kontaktiem. Tomēr, tā kā šo metāla daļu formas ir sarežģītas, elektriskā lauka sadalījums var kļūt ļoti nevienmērīgs, radošs daļēju izlaidi un potenciālu bojājuma risku, kas negatīvi ietekmē šīs vietas izolācijas veiktspēju.

Tādējādi šīs struktūras elektrotehniskais dizains ir īpaši svarīgs. Saskaņā ar produkta dizaina prasībām, izolācijas sprādzenei jāturējas pie noteiktā īslaicīgā nomākošā frekvences uzturēšanas sprieguma 50kV, ar minimāli projekta elektrotehnisku attālumu 100mm. Ņemot vērā izolācijas sprādzenes struktūras sarežģītību, abām sprādzenes pusēm tiek pievienoti gradācijas aizsargi, lai uzlabotu elektriskā lauka vienmērību un samazinātu daļējo izlaidi. Trīs pozīciju slēdža trīsmērīgais modelis ir attēlots 2. figūrā. Šajā rakstā tiek veikta elektriskā lauka simulācija šajā izolācijas sprādzenē.

2 Simulācijas analīze

Elektromagnētiskās lauka simulācijas apgaismojuma kabeļu analīze tika veikta, izmantojot galvenās komponentes, analizējot elektriskā lauka stipruma sadalījumu izolācijas sprādzenē noteiktā 50 kV īslaicīgā nomākošā frekvences uzturēšanas spriegumā. Tika apsvērti divi elektrostātiskā lauka simulācijas gadījumi:

• Gadījums 1: Matricas puse (izolācijas fiksēta kontaktpuse) ir zemā potenciāla (0 V), savukārt līnijas puse (izolācijas sprādzene tipa puse) ir augsta potenciāla (50 kV).

• Gadījums 2: Matricas puse (izolācijas fiksēta kontaktpuse) ir augsta potenciāla (50 kV), savukārt līnijas puse (izolācijas sprādzene tipa puse) ir zemā potenciāla (0 V).

Abiem gadījumiem tika iegūts elektriskā lauka sadalījums maksimālā elektriskā lauka stipruma vietā. Elektriskā lauka stipruma sadalījums izolācijas sprādzenes tipā Gadījumā 1 ir attēlots 3. figūrā, savukārt izolācijas fiksēta kontakta sadalījums Gadījumā 2 ir attēlots 4. figūrā. Gadījumā 1 maksimālais elektriskā lauka stiprums sasniedz 7.07 kV/mm graduācijas aizsarga beigās; Gadījumā 2 maksimālais elektriskā lauka stiprums sasniedz 4.90 kV/mm izolācijas fiksēta kontakta apskritā malā.

Typiski kritiskais bojājuma elektriskā lauka stiprums gaisā ir 3 kV/mm. Kā redzams 3. un 4. figūrā, lai gan lielāko daļu izolācijas sprādzenes elektriskā lauka stiprums ir zem 3 kV/mm — nepietiekami, lai radītu bojājumu — dažās lokālās zonās tas pārsniedz šo slieksni, radošs daļēju izlaidi. Kad gaisa saistība mainās no sausa uz mitru, tā izolācijas spēja samazinās [10], samazinot kritisko vienmērīgo bojājuma elektriskā lauka stiprumu zem 3 kV/mm. Papildus tam, ļoti nevienmērīgais elektriskā lauka sadalījums vēl vairāk samazina gaisa kritisko bojājuma stiprumu, palielinot bojājuma risku. Lai mazinātu ārējos vides faktoru ietekmi uz gaisa izolācijas vidu un uzlabotu lauka vienmērību, šajā pētījumā tiek novērtēta elektriskā lauka vienmērības pakāpe un izolācijas sprādzenes uzturēšanas sprieguma līmenis, kā pamats izolācijas veiktspējas uzlabošanai šajā sprādzenē.

3 Gaisa izolācijas īpašības

3.1 Elektriskā lauka nevienmērības koeficienta noteikšana

Praksē perfekti vienmērīgā elektriskā lauka neeksistē; visi elektriskie lauki ir būtiski nevienmērīgi. Pamatoties uz elektriskā lauka nevienmērības koeficientu f, elektriskie lauki tiek sadalīti divos veidos: ja f ≤ 4, lauks tiek uzskatīts par mazāk nevienmērīgu; ja f > 4, lauks tiek uzskatīts par ļoti nevienmērīgu. Nevienmērības koeficients f ir definēts kā f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, kur Eₘₐₓ ir maksimālais lokālais elektriskā lauka stiprums, iegūts no simulācijas rezultātu virsotnes vērtības, un Eₐᵥ ir vidējais elektriskā lauka stiprums, aprēķināts kā piemērotais spriegums, dalīts ar minimālo elektrisko attālumu.

No 3. figūras, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm un Eₐᵥ = 0.5 kV/mm. Tādējādi izolācijas sprādzenes elektriskā lauka nevienmērības koeficients ir f = 14.14 > 4, kas norāda uz ļoti nevienmērīgu elektriskā lauka. Nevienmērīgos laukos var notikt stabila daļēja izlaida, un jo lielāka nevienmērības pakāpe, jo acīmredzamāka daļējā izlaida un lielāka izlaidīšanas mērogs. 12 kV apgaismojuma kabeļu kopējā daļējā izlaida visā korpusā jābūt mazāk nekā 20 pC [5,11]. Tādējādi, samazinot elektriskā lauka nevienmērības koeficientu, palīdz samazināt daļējās izlaidīšanas līmeni.

3.2 Gaisa uzturēšanas sprieguma noteikšana

Elektriskā lauka nevienmērības koeficients ietekmē sausu gaisa uzturēšanas spriegumu. Ja lauks ir mazāk nevienmērīgs, uzturēšanas spriegums ir:

kur U apzīmē uzturēšanas spriegumu; d atzīmē minimālo elektrisko attālumu starp elektrodu; k ir drošības faktors, parasti atrodams diapazonā no 1.2 līdz 1.5, balstoties uz pieredzi; un E₀ atsaucās uz gāzes dielektriskā bojājuma elektriskā lauka stipruma. Praksē šis bojājuma elektriskā lauka stiprums atkarīgs no konkrētās divu elektrodu konfigurācijas, un gaisa bojājuma stiprums atšķiras atkarībā no dažādām elektrodu struktūrām un attālumiem. Salīdzināšanas analīzes nolūkos šajā rakstā tiek pieņemts E₀ = 3 kV/mm. Kā norādīts vienādojumā (1), minimālā elektriskā attāluma d palielināšana un elektriskā lauka nevienmērības koeficienta f samazināšana abi var uzlabot gaisa izolācijas vidu uzturēšanas spriegumu.

Apkopojot, ja runa ir par ļoti nevienmērīgu elektriskā lauka, elektrodu ar minimālu elektrisko attālumu 100 mm robežās, uzturēšanas spriegums tiek aprēķināts šādi:

Formulā U50%(d) apzīmē 50% bojājuma spriegumu elektrodā konkrētā elektriskā attāluma d laikā blikšķu impulsa testos. Ļoti nevienmērīgās elektriskā lauka bojājuma spriegumi ir būtiski dispersāti un ilgāki izlaidīšanas laiki, padarot bojājuma spriegumu ļoti nestabilu. Praktiskās inženierzinātnes lietojumā U50%(d) tiek noteikts, veicot vairākus blikšķu impulsa testus un identificējot piemērotu spriegumu, kurā ir 50% bojājuma iespējamība. Šī vērtība ir cieši saistīta ar produkta struktūru un elektriskā lauka vienmērību. Izmērojot, ka zemāks elektriskā lauka nevienmērības koeficients rada mazāku bojājuma sprieguma dispersiju, augstāku bojājuma spriegumu un tādējādi augstāku uzturēšanas spriegumu, tādējādi samazinot elektriskā lauka nevienmērības koeficientu, palīdz uzlabot izolācijas sprādzenes uzturēšanas spriegumu.

4 Struktūras optimizācija

Lai uzlabotu elektriskā lauka vienmērību izolācijas sprādzenes tipa apkārtne un samazinātu elektriskā lauka nevienmērības koeficientu, tika veikta graduācijas aizsarga struktūras optimizācija. Graduācijas aizsargu modeļi pirms un pēc optimizācijas ir attēloti 5. figūrā, savukārt šķērsgriezumi ir sniegti 6. figūrā. Kā redzams no 6. figūras, salīdzinājumā ar pirms optimizācijas dizainu, optimizētajā graduācijas aizsargā beigu daļa ir biezāka ar apgrieztām malām, palielinot malas rādiusu no 0.75 mm līdz 4 mm. Šis uzlabojums palielina loksni, veicinot vairāk vienmērīgu elektriskā lauka sadalījumu. Optimizētā izolācijas sprādzenes tipa apkārtne elektriskā lauka stipruma sadalījums ir attēlots 7. figūrā. No šīs figūras ir skaidrs, ka maksimālais elektriskā lauka stiprums ir samazināts līdz 3.66 kV/mm, aptuveni pusē no tā sākotnējās vērtības, kas liecina par būtisku uzlabojumu.

Saskaņā ar minēto formulā f=Emax/Eavf=Emax/Eav, elektriskā lauka nevienmērības koeficients pēc optimizācijas ir 7.32, kas aptuveni pusi no tā sākotnējā vērtības.

Tas liecina par būtisku uzlabojumu elektriskā lauka vienmērībā izolācijas sprādzenes tipa apkārtne, demonstrējot, ka struktūras optimizācija bija efektīva. Datu salīdzinājums pirms un pēc graduācijas aizsarga optimizācijas ir attēlots 1. tabulā. Kā redzams no 1. tabulas, optimizētā graduācijas aizsarga struktūra patiešām samazina bojājuma izlaidi starp izolācijas sprādzēniem. Tomēr, elektriskā lauka starp izolācijas sprādzēniem joprojām ir ļoti nevienmērīgs, nozīmējot, ka tā uzturēšanas spriegums joprojām tiek noteikts ar U50%(d)U50%(d). Uzturēšanas sprieguma uzlabojuma mērs var tikt papildus apstiprināts, veicot vietējos testus.

5 Eksperimentālais pārbaudījums

Lai apstiprinātu simulācijas analīzes efektivitāti, tika veikti daļējās izlaidīšanas testi 12 kV gaisa dielektriskajā apgaismojuma kabeļu blokā. Tika sagatavoti trīs prototipa vienības (Nr. 1 līdz Nr. 3). Pirmajā posmā tika veikti daļējās izlaidīšanas testi, izmantojot oriģinālos (pirms optimizācijas) graduācijas aizsargus izolācijas sprādzenēm visām trim vienībām. Pēc tam tika instalēti optimizētie graduācijas aizsargi, un testi tika atkārtoti. Iegūtās daļējās izlaidīšanas dati ir sniegti 2. tabulā.

Kā redzams tabulā, daļējās izlaidīšanas līmeņi pirms optimizācijas pārsniedza 20 pC, savukārt pēc optimizācijas tās tika samazinātas līdz zemāk nekā 4.5 pC. Tas liecina, ka optimizētā graduācijas aizsarga struktūra efektīvi uzlabo apgaismojuma kabeļu bloka izolācijas veiktspēju un apstiprina iepriekšējo simulāciju un analīzi.

6 Secinājumi

Balstoties uz 12 kV gaisa dielektriskā apgaismojuma kabeļu bloka izolācijas sprādzenes elektriskā lauka analīzi, tiek izdarīti šādi secinājumi:

• Tā kā gaisa izolācijas spēja ir nepietiekama salīdzinājumā ar SF₆, elektriskā lauka sadalījuma uzlabošana ir būtiska, lai uzlabotu izolācijas veiktspēju, kad gaisu izmanto kā izolācijas vidu trīs pozīciju slēdžos apgaismojuma kabeļu blokos.

• Tā kā trīs pozīciju slēdžu kustīgie komponenti (izolācijas sprādzenes) gaisa dielektriskajos apgaismojuma kabeļu blokos ir strukturāli sarežģīti, elektriskā lauka stipruma sadalījums dažās vietās var kļūt ļoti nevien