Смекување на ризици од излаци во RMU со повеќеводна изолација на 12 кВ користејќи дизајн со градирани щитови

Dyson

Поле: Електрични стандарди

China

Овој труд го зема првичниот изолаторски прекин на одреден тип 12кВ воздухно-изолирана колецна главна единица (RMU) како предмет на истражување, анализира распределбата и еднородноста на електричното поле околу него, оценува изолативните карактеристики на тоа место и намалува ризикот од разрядување, а истовремено ги подобрува изолативните карактеристики преку структурно оптимирање, што дава основа за изолативниот дизајн на слични производи.

1 Структура на воздухно-изолираната колецна главна единица

Тридимензионалниот структурен модел на воздухно-изолираната RMU која се проучува во овој труд е прикажан на Слика 1. Главниот цевокрстопречник користи конфигурација која комбинира вакуумски клоџ со тростохозен клоџ, поставен со тростохозниот клоџ на страната на главната линија - т.е., тростохозниот клоџ е сместен во горниот дел на RMU, додека вакуумскиот клоџ е монтиран во долниот дел во структура на затворена колона. Бидејќи вакуумскиот клоџ е урапчен внатре во колоната, неговата надворешна страна е изолирана со епоксидна смола, која има значително подобри изолативни карактеристики од воздухот, така што задоволува изолативните барања.

Поминувајќи на тоа, поврзувачката главна линија на точката на урапување на затворената колона користи закривени рабови и обликова дизајн, комбинирани со герметизација со силиконска гума, што ефективно намалува проблемите со парцијални разрядувања во тој регион. Изолативните размакнувања помеѓу главните линии и до земјата се дизајнирани според соодветните изолативни стандарди и задоволуваат регулаторските барања.

Изолаторскиот клин на тростохозниот клоџ зависи од воздухот како изолативна средина. Како подвижен поврзувачки компонент, неговата структура вклучува метални делови како што се пинови, пружини, диск-пружини и крстови за зголемување на контактното притискување помеѓу изолаторските контакти. Меѓутоа, поради комплексните форми на овие метални делови, распределбата на електричното поле може да стане многу нееднородна, што доведува до парцијални разрядувања и потенцијални ризици од пробивање, што негативно влијае на изолативните карактеристики на тоа место.

Затоа, електричниот дизајн на оваа структура е особено важен. Според барањата за дизајн на производот, изолаторскиот прекин мора да издрази назначена краткосрочна фреквенција на издржливост од 50кВ, со минимално дизајнирано електрично размакнување од 100 мм. Забележувајќи ги комплексните карактеристики на структурата на изолаторскиот клин, на двете страни на клинот се додаваат јазички за градација за подобрување на еднородноста на електричното поле и намалување на парцијалните разрядувања. Тридимензионалниот модел на тростохозниот клоџ е прикажан на Слика 2. Овој труд провежува симулација на електричното поле на овој изолаторски прекин.

2 Симулација и анализа

Користејќи софтвер за елементи на конечен елемент, се изврши симулација на електричното поле на колецната главна единица, анализирајќи распределбата на електричната силата на изолаторскиот прекин при специфицираната назначена краткосрочна фреквенција на издржливост од 50 кВ. Две случаи на симулација на електростатичко поле беа разгледани:

Случај 1: Страничната линија (страна на фиксираниот контакт на изолаторот) е на ниска потенција (0 В), а линијата (страна на темјот на изолаторскиот клин) е на висока потенција (50 кВ).
Случај 2: Страничната линија (страна на фиксираниот контакт на изолаторот) е на висока потенција (50 кВ), а линијата (страна на темјот на изолаторскиот клин) е на ниска потенција (0 В).

Распределбата на електричната силата на местото на максималната електрична сила за двата случаја беше добиена преку симулација. Распределбата на електричната силата на темјот на изолаторскиот клин под Случај 1 е прикажана на Слика 3, а распределбата на фиксираниот контакт на изолаторот под Случај 2 е прикажана на Слика 4. Под Случај 1, максималната електрична сила се појавува на крајот на јазичката за градација, достигнувајќи 7,07 кВ/мм; под Случај 2, максималната електрична сила се појавува на закривениот раб на фиксираниот контакт на изолаторот, со вредност од 4,90 кВ/мм.

Типичната критична сила на пробивање на воздухот е 3 кВ/мм. Како што е прикажано на Слика 3 и Слика 4, додека електричната сила во повеќето области на изолаторскиот прекин е под 3 кВ/мм - недостаточна за да предизвика пробивање - локализираните региони надминуваат овој праг, што доведува до парцијални разрядувања. Кога воздухот се менува од сув на влажен, неговата изолативна способност се намалува [10], што го намалува критичниот еднороден пробивниот поле под 3 кВ/мм. Поради тоа, многу нееднородна распределба на електричното поле дополнително намалува критичната пробивна сила на воздухот, зголемувајќи го ризикот и веројатноста на пробивање. За намалување на влијанието на вонешните фактори на воздухот како изолативна средина и подобрување на еднородноста на полето, овој труд оцени степенот на еднородност на електричното поле и нивоот на издржливост на изолаторскиот прекин, служејќи како основа за подобрување на изолативната способност на прекинот.

3 Характеристики на воздухна изолација

3.1 Одредување на коефициентот на нееднородност на електричното поле

На практика, идеално еднородно електрично поле не постои; сите електрични полиња се инхерентно нееднородни. Во зависност од коефициентот на нееднородност на електричното поле f, електричните полиња се класифицираат во две типа: кога f ≤ 4, полето се смета за слабо нееднородно; кога f > 4, тоа се смета за многу нееднородно. Коефициентот на нееднородност f е дефиниран како f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, каде Eₘₐₓ е максималната локална електрична сила, добиена од врвната вредност во резултатите од симулацијата, а Eₐᵥ е просечната електрична сила, пресметана како применето напон делено со минималното електрично размакнување.

Од Слика 3, Eₘₐₓ = 7,07 кВ/мм и Eₐᵥ = 0,5 кВ/мм. Затоа, коефициентот на нееднородност на електричното поле на изолаторскиот прекин е f = 14,14 > 4, што покажува многу нееднородно електрично поле. Во области со многу нееднородни полиња, може да се појават стабилни парцијални разрядувања, и колку што степенот на нееднородност е поголем, парцијалните разрядувања се поизразени и посилни. За 12 кВ колецна главна единица, за целата кабина се бара да биде помала од 20 пК [5,11]. Затоа, намалувањето на коефициентот на нееднородност на електричното поле помага за намалување на нивото на парцијални разрядувања.

3.2 Одредување на издржливоста на воздухот

Коефициентот на нееднородност на електричното поле влијае на издржливоста на сув воздух. Кога полето е слабо нееднородно, издржливоста е:

каде U означува издржливоста; d претставува минималното електрично размакнување помеѓу електродите; k е фактор на надежност, обично во опсег од 1,2 до 1,5 според искуство; а E₀ се однесува на пробивната сила на диелектричното поле на гасот. На практика, оваа пробивна сила зависи од конкретната конфигурација на двата електрода, и пробивната сила на воздухот варира со различни структури на електродите и размакнувања. За целта на компаративна анализа, овој труд претпоставува E₀ = 3 кВ/мм. Како што е указано со Јединица (1), зголемувањето на минималното електрично размакнување d и намалувањето на коефициентот на нееднородност на електричното поле f можат да подобрат издржливоста на воздухот како изолативна средина.

Кога се справуваме со многу нееднородно електрично поле, за електроди со минимално електрично размакнување во опсег од 100 мм, издржливоста се пресметува како следи:

Во формулата, U50%(d) претставува 50% пробивниот напон на електродот при специфично електрично размакнување d при тестови со молниен импулс. Во многу нееднородни електрични полиња, има значителна дисперзија на пробивни напони и подолги временски забрзувања, што прави пробивниот напон многу нестабилен. Во практичните инженерски применби, U50%(d) се одредува со провежување на многу тестови со молниен импулс и идентификација на применетиот напон при кој има 50% веројатност за пробивање. Оваа вредност е тесно поврзана со структурата на производот и еднородноста на електричното поле. Устанато е дека помал коефициент на нееднородност на електричното поле резултира со помала дисперзија на пробивни напони, повисок пробивен напон, и како последица, повисока издржливост. Затоа, намалувањето на коефициентот на нееднородност на електричното поле е благоприятно за подобрување на издржливоста на изолаторскиот прекин.

4 Структурно оптимирање

За подобрување на еднородноста на електричното поле околу темјот на изолаторскиот клин и намалување на коефициентот на нееднородност на електричното поле, се изврши оптимирање на структурата на јазичката за градација. Модели на јазичката за градација пред и после оптимирање се прикажани на Слика 5, додека пресечни видови се прикажани на Слика 6. Како што е видно од Слика 6, во споредба со дизајнот пред оптимирање, оптимизираната јазичка за градација има подебел крај со закривени рабови, зголемувајќи го радиусот на рабовите од 0,75 мм до 4 мм. Ова подобрување зголемува радиусот на кривина, промовирајќи повеќе еднородна распределба на електричното поле. Распределбата на електричната сила околу оптимизираната темја на изолаторскиот клин е прикажана на Слика 7. Од оваа слика е видно дека максималната електрична сила е намалена до 3,66 кВ/мм, приближно половина од неговата оригинална вредност, што покажува значително подобрување.

Според наведената формула $f = E_{ma x} / E_{a v}$ , коефициентот на нееднородност на електричното поле после оптимирање е 7,32, што е приближно половината од вредноста пред оптимирање.

Ова покажува значително подобрување во еднородноста на електричното поле околу темјата на изолаторскиот клин, што демонстрира дека структурното оптимирање беше ефективно. Спoreдба на податоците пред и после оптимирање на јазичката за градација е прикажана во Табела 1. Како што е видно од Табела 1, оптимизираната структура на јазичката за градација наистина намалува ризикот од пробивни разрядувања помеѓу изолаторските прекини. Меѓутоа, електричното поле помеѓу изолаторските прекини останува многу нееднородно, што значи дека неговата издржливост все уште се одредува со $U_{50%} (d)$ . Екстентот на подобрување на издржливоста може да се потврди дополнително преку тестови на местото.

Овој превод ги одржува техничките детали и контекстот нудени во оригинален текст, осигурувајќи јасност и точност за англоговорната аудиторија.

5 Експериментална верификација

За да се потврди ефективноста на симулацијата и анализата, се извршиле тестови за парцијални разрядувања на 12 кВ воздухно-изолирана колецна главна единица. Беа подготвени три прототипски единици (Број 1 до Број 3). Прво, тестови за парцијални разрядувања беа изведени со оригинален (пред оптимирање) јазички за градација инсталиран на изолаторските клинови на сите три единици. Последователно, беа инсталирани оптимизирани јазички за градација, и тестовите беа повторени. Резултантните податоци за парцијални разрядувања се прикажани во Табела 2.

Како што е прикажано во табелата, нивото на парцијални разрядувања пред оптимирање сите надминуваа 20 пК, додека после оптимирање беа намалени под 4,5 пК. Ова покажува дека оптимизираната структура на јазичката за градација ефективно подобрува изолативните карактеристики на колецната главна единица и потврдува валидноста на претходната симулација и анализа.