Mengurangkan Risiko Pembebasan dalam RMU Berasingan Udara 12 kV Menggunakan Reka Bentuk Perisai Penilaian

Dyson

Medan: Standard Elektrik

China

Kertas ini mengambil pemutusan isolasi utama unit utama cincin bertegangan 12kV yang terisolasi udara (RMU) sebagai objek kajian, menganalisis taburan medan elektrik dan kecekapan di sekitarnya, menilai prestasi isolasi pada lokasi tersebut, dan mengurangkan risiko pelepasan sambil meningkatkan prestasi isolasi melalui pengoptimuman struktur, seterusnya memberikan rujukan untuk reka bentuk isolasi produk serupa.

1 Struktur Unit Utama Cincin Terisolasi Udara

Model struktur tiga dimensi RMU terisolasi udara yang dikaji dalam kertas ini ditunjukkan dalam Rajah 1. Litar utama menggunakan konfigurasi yang menggabungkan switch vakum dengan switch tiga posisi, disusun dengan switch tiga posisi di sisi busbar—iaitu, switch tiga posisi berada di bahagian atas RMU, manakala switch vakum dipasang di bahagian bawah dalam struktur tiang padat-tersegel. Kerana switch vakum diterapkan di dalam tiang, bagian luarannya terisolasi dengan resin epoksi, yang mempunyai sifat isolasi jauh lebih baik daripada udara, seterusnya memenuhi keperluan isolasi.

Selain itu, busbar sambungan di titik segelan tiang padat-tersegel menggunakan tepi bulat dan reka bentuk lengkung, digabungkan dengan segelan silikon, secara efektif mengurangkan isu pelepasan separa di kawasan ini. Jarak isolasi antara busbar dan ke tanah direka berdasarkan piawaian isolasi yang berkaitan dan memenuhi keperluan peraturan.

Pisau isolasi switch tiga posisi bergantung pada udara sebagai medium isolasi. Sebagai komponen sambungan yang boleh bergerak, strukturnya termasuk bahagian logam seperti pin, spring, disc spring, dan circlip untuk meningkatkan tekanan sambungan antara kontak isolasi. Namun, kerana bentuk kompleks bahagian logam ini, taburan medan elektrik boleh menjadi sangat tidak seragam, menyebabkan pelepasan separa dan risiko hancur, yang membawa kesan buruk kepada prestasi isolasi di lokasi ini.

Oleh itu, reka bentuk elektrikal struktur ini sangat penting. Mengikut keperluan reka bentuk produk, pemutusan isolasi mesti mampu menahan tegangan daya frekuensi pendek masa terkini sebanyak 50kV, dengan jarak elektrikal minimum yang direka sebanyak 100mm. Mengingat kompleksiti struktur pisau isolasi, tameng penjenisan ditambah pada kedua-dua sisi pisau untuk meningkatkan kecekapan medan dan mengurangkan pelepasan separa. Model tiga dimensi switch tiga posisi ditunjukkan dalam Rajah 2. Kertas ini melakukan analisis simulasi medan elektrik pada pemutusan isolasi ini.

2 Analisis Simulasi

Perisian unsur terhingga digunakan untuk melakukan simulasi medan elektrik pada unit utama cincin, menganalisis taburan kekuatan medan elektrik pada pemutusan isolasi di bawah tegangan daya frekuensi pendek masa terkini 50 kV yang ditetapkan. Dua kes simulasi medan elektrostatik dipertimbangkan:

Kes 1: Sisi busbar (sisi kontak tetap isolasi) berada pada potensial rendah (0 V), dan sisi laluan (sisi ujung pisau isolasi) berada pada potensial tinggi (50 kV).
Kes 2: Sisi busbar (sisi kontak tetap isolasi) berada pada potensial tinggi (50 kV), dan sisi laluan (sisi ujung pisau isolasi) berada pada potensial rendah (0 V).

Taburan medan elektrik di lokasi kekuatan medan elektrik maksimum untuk kedua-dua kes diperoleh melalui simulasi. Taburan kekuatan medan elektrik di ujung pisau isolasi untuk Kes 1 ditunjukkan dalam Rajah 3, dan taburan di kontak tetap isolasi untuk Kes 2 ditunjukkan dalam Rajah 4. Dalam Kes 1, kekuatan medan elektrik maksimum berlaku di hujung tameng penjenisan, mencapai 7.07 kV/mm; dalam Kes 2, maksimum berlaku di tepi bulat kontak tetap isolasi, dengan nilai 4.90 kV/mm.

Kekuatan medan elektrik hancur kritis biasa untuk udara adalah 3 kV/mm. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3 dan 4, walaupun kekuatan medan elektrik di kebanyakan kawasan pemutusan isolasi berada di bawah 3 kV/mm—tidak cukup untuk menyebabkan hancur—kawasan tertentu melebihi ambang batas ini, menyebabkan pelepasan separa. Apabila udara berubah dari kering ke lembap, keupayaan isolasi menurun [10], menurunkan kekuatan medan hancur seragam kritis di bawah 3 kV/mm. Selain itu, taburan medan elektrik yang sangat tidak seragam turut mengurangkan kekuatan hancur kritis udara, meningkatkan kemungkinan dan risiko hancur. Untuk mengurangkan impak faktor persekitaran luaran terhadap medium isolasi udara dan meningkatkan kecekapan medan, kajian ini menilai tahap kecekapan medan dan tahap ketahanan voltan di sepanjang pemutusan isolasi, sebagai asas untuk meningkatkan keupayaan isolasi pemutusan.

3 Ciri-ciri Isolasi Udara

3.1 Penentuan Pekali Ketidakseragaman Medan Elektrik

Dalam amalan, medan elektrik yang sempurna seragam tidak wujud; semua medan elektrik semula jadi tidak seragam. Berdasarkan pekali ketidakseragaman medan elektrik f, medan elektrik diklasifikasikan menjadi dua jenis: apabila f ≤ 4, medan dianggap agak tidak seragam; apabila f > 4, ia dianggap sangat tidak seragam. Pekali ketidakseragaman f ditakrifkan sebagai f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, di mana Eₘₐₓ adalah kekuatan medan elektrik maksimum tempatan, diperoleh dari nilai puncak dalam hasil simulasi, dan Eₐᵥ adalah kekuatan medan elektrik purata, dihitung sebagai voltan yang dikenakan dibahagikan dengan jarak elektrikal minimum.

Dari Rajah 3, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm dan Eₐᵥ = 0.5 kV/mm. Oleh itu, pekali ketidakseragaman medan elektrik di pemutusan isolasi adalah f = 14.14 > 4, menunjukkan medan elektrik yang sangat tidak seragam. Di kawasan dengan medan sangat tidak seragam, pelepasan separa stabil boleh berlaku, dan semakin tinggi tahap ketidakseragaman, semakin ketara pelepasan separa dan magnitud pelepasan semakin besar. Untuk unit utama cincin 12 kV, jumlah pelepasan separa seluruh rak diperlukan kurang daripada 20 pC [5,11]. Oleh itu, mengurangkan pekali ketidakseragaman medan elektrik membantu mengurangkan tahap pelepasan separa.

3.2 Penentuan Ketahanan Voltan Udara

Pekali ketidakseragaman medan elektrik mempengaruhi ketahanan voltan udara kering. Apabila medan agak tidak seragam, ketahanan voltan adalah:

di mana U merujuk kepada ketahanan voltan; d mewakili jarak elektrikal minimum antara elektrod; k adalah faktor kebolehpercayaan, biasanya berkisar dari 1.2 hingga 1.5 berdasarkan pengalaman; dan E₀ merujuk kepada kekuatan medan hancur dielektrik gas. Dalam amalan, kekuatan hancur medan ini bergantung pada konfigurasi spesifik dua elektrod, dan kekuatan hancur udara berbeza dengan struktur elektrod dan jarak yang berbeza. Untuk tujuan analisis perbandingan, kertas ini mengandaikan E₀ = 3 kV/mm. Seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan (1), meningkatkan jarak elektrikal minimum d dan mengurangkan pekali ketidakseragaman medan elektrik f dapat meningkatkan ketahanan voltan medium isolasi udara.

Apabila berurusan dengan medan elektrik yang sangat tidak seragam, untuk elektrod dengan jarak elektrikal minimum dalam lingkungan 100 mm, ketahanan voltan dihitung seperti berikut:

Dalam formula, U50%(d) mewakili voltan hancur 50% elektrod pada jarak elektrikal spesifik d semasa ujian impuls petir. Dalam medan elektrik yang sangat tidak seragam, terdapat dispersi yang signifikan dalam voltan hancur dan lag pelepasan yang lebih lama, menjadikan voltan hancur sangat tidak stabil. Dalam aplikasi kejuruteraan praktikal, U50%(d) ditentukan dengan melakukan beberapa ujian impuls petir dan mengenal pasti voltan yang dikenakan di mana terdapat 50% kebarangkalian hancur. Nilai ini berkait rapat dengan struktur produk dan kecekapan medan. Telah ditetapkan bahawa pekali ketidakseragaman medan elektrik yang lebih rendah menghasilkan dispersi voltan hancur yang lebih sedikit, voltan hancur yang lebih tinggi, dan seterusnya, ketahanan voltan yang lebih tinggi. Oleh itu, mengurangkan pekali ketidakseragaman medan elektrik adalah bermanfaat untuk meningkatkan ketahanan voltan pemutusan isolasi.

4 Pengoptimuman Struktur

Untuk meningkatkan kecekapan medan elektrik di sekitar ujung pisau isolasi dan mengurangkan pekali ketidakseragaman medan elektrik, pengoptimuman struktur tameng penjenisan telah dilakukan. Model tameng penjenisan sebelum dan selepas pengoptimuman ditunjukkan dalam Rajah 5, manakala pandangan rentas disediakan dalam Rajah 6. Seperti yang dapat dilihat dari Rajah 6, berbanding dengan reka bentuk sebelum pengoptimuman, tameng penjenisan yang dioptimumkan mempunyai hujung yang lebih tebal dengan sudut yang dibulatkan, meningkatkan jejari sudut dari 0.75 mm hingga 4 mm. Peningkatan ini meningkatkan jejari kelengkungan, mempromosikan taburan medan elektrik yang lebih seragam. Taburan kekuatan medan elektrik di sekitar ujung pisau isolasi yang dioptimumkan ditunjukkan dalam Rajah 7. Dari rajah ini, jelas bahawa kekuatan medan elektrik maksimum telah berkurang menjadi 3.66 kV/mm, kira-kira separuh daripada nilai asal, menunjukkan peningkatan yang ketara.

Berdasarkan formula yang disebutkan $f = E_{ma x} / E_{a v}$ , pekali ketidakseragaman medan elektrik selepas pengoptimuman adalah 7.32, yang kira-kira separuh daripada sebelum pengoptimuman.

Ini menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam kecekapan medan elektrik di sekitar ujung pisau isolasi, menunjukkan bahawa pengoptimuman struktur adalah berkesan. Perbandingan data sebelum dan selepas pengoptimuman tameng penjenisan ditunjukkan dalam Jadual 1. Seperti yang dapat dilihat dari Jadual 1, struktur tameng penjenisan yang dioptimumkan memang mengurangkan risiko pelepasan hancur antara pemutusan isolasi. Walau bagaimanapun, medan elektrik antara pemutusan isolasi masih sangat tidak seragam, bermaksud ketahanan voltannya masih ditentukan oleh $U_{50%} (d)$ . Tahap peningkatan ketahanan voltan boleh disahkan lebih lanjut melalui ujian di tapak.

5 Pengesahan Eksperimen

Untuk mengesahkan keberkesanan analisis simulasi, ujian pelepasan separa telah dijalankan pada unit utama cincin 12 kV terisolasi udara. Tiga unit prototaip (No. 1 hingga No. 3) telah disediakan. Ujian pelepasan separa pertama kali dijalankan dengan tameng penjenisan asal (sebelum pengoptimuman) dipasang pada pisau isolasi ketiga-tiga unit. Kemudian, tameng penjenisan yang dioptimumkan dipasang, dan ujian diulangi. Data pelepasan separa yang dihasilkan ditunjukkan dalam Jadual 2.

Seperti yang ditunjukkan dalam jadual, tahap pelepasan separa sebelum pengoptimuman semua melebihi 20 pC, manakala setelah pengoptimuman berkurang ke bawah 4.5 pC. Ini menunjukkan bahawa struktur tameng penjenisan yang dioptimumkan secara efektif meningkatkan prestasi isolasi unit utama cincin dan mengesahkan kebenaran simulasi dan analisis sebelumnya.

6 Kesimpulan

Berdasarkan analisis medan elektrik pemutusan isolasi dalam unit utama cincin 12 kV terisolasi udara, kesimpulan berikut ditarik:

Kerana keupayaan isolasi udara kurang daripada SF₆, peningkatan taburan medan elektrik adalah penting untuk meningkatkan prestasi isolasi apabila udara digunakan sebagai medium isolasi dalam switch tiga posisi unit utama cincin.
Akibat kompleksiti struktur komponen bergerak (pisau isolasi) dalam switch tiga posisi unit utama cincin terisolasi udara, taburan kekuatan medan elektrik di lokasi tertentu boleh menjadi sangat tidak seragam. Untuk mengurangkan ketidakseragaman ini, tameng penjenisan boleh ditambah di kedua-dua sisi pisau isolasi untuk melindungi kawasan medan tinggi di dekat bahagian sambungan pisau, seterusnya mengalihkan lokasi kekuatan medan puncak ke hujung tameng penjenisan. Dalam kajian ini, peningkatan jejari kelengkungan di hujung tameng dari 0.75 mm hingga 4 mm mengurangkan kekuatan medan elektrik tempatan maksimum dan pekali ketidakseragaman medan elektrik kira-kira separuh daripada nilai asal, mencapai kesan pengoptimuman yang diinginkan.
Kecekapan taburan medan elektrik, atau pekali ketidakseragaman medan elektrik, sangat mempengaruhi pelepasan separa dan hancur. Medan yang sangat tidak seragam cenderung menghasilkan pelepasan separa stabil (pelepasan corona). Baik dalam medan agak dan sangat tidak seragam, pekali ketidakseragaman yang lebih tinggi menghasilkan ketahanan voltan yang lebih rendah antara elektrod.