Het verminderen van ontladingrisico's in 12 kV luchtgeïsoleerde RMU's met behulp van een gradatie schild ontwerp
Dit artikel neemt de primaire isolatieonderbreking van een bepaald type 12kV luchtgeïsoleerde ringhoofdschakelaar (RMU) als onderzoeksobject, analyseert de elektrische veldverdeling en uniformiteit eromheen, evalueert de isolatieprestaties op deze locatie, en vermindert ontladingrisico's terwijl de isolatieprestaties worden verbeterd door structurele optimalisatie, waardoor een referentie wordt geboden voor het isolatiedesign van soortgelijke producten.
1 Structuur van de Luchtgeïsoleerde Ringhoofdschakelaar
Het driedimensionale structuurgebouwde model van de luchtgeïsoleerde RMU die in dit artikel wordt bestudeerd, is weergegeven in Figuur 1. Het hoofdcircuit maakt gebruik van een configuratie die een vacuümschakelaar combineert met een drie-standschakelaar, geplaatst met de drie-standschakelaar aan de busbar zijde—dat wil zeggen, de drie-standschakelaar bevindt zich bovenaan de RMU, terwijl de vacuümschakelaar beneden in een massieve afgesloten paalstructuur is gemonteerd. Aangezien de vacuümschakelaar binnen de paal is ingekapseld, is het uiterlijk geïsoleerd met epoxyhars, wat aanzienlijk betere isolatie-eigenschappen heeft dan lucht, waardoor de isolatie-eisen worden voldaan.
Daarnaast wordt bij de busbarverbinding op het sluitpunt van de massieve afgesloten paal een afgeronde rand en een boogvormige ontwerp gebruikt, gecombineerd met siliconerubberafsluiting, waarmee partiële ontladingproblemen in dit gebied effectief worden verminderd. De isolatieafstanden tussen busbars en naar de grond zijn ontworpen volgens relevante isolatiestandaarden en voldoen aan regelgevingseisen.
De isolatieblad van de drie-standschakelaar is afhankelijk van lucht als isolatiemedium. Als een beweegbare verbindingseenheid bevat zijn structuur metalen onderdelen zoals pennen, veren, schijfveren en circlips om de contactdruk tussen de isolatiecontacten te vergroten. Echter, vanwege de complexe vormen van deze metalen onderdelen kan de elektrische veldverdeling sterk niet-uniform worden, wat leidt tot partiële ontlading en potentiele doorbraakrisico's, wat nadelig is voor de isolatieprestaties op deze locatie.
Daarom is het elektrische ontwerp van deze structuur bijzonder kritisch. Volgens de productontwerpeisen moet de isolatieonderbreking een genormeerde korte-tijd wisselspanningsdoorbraakspanning van 50kV kunnen weerstaan, met een minimaal ontworpen elektrische afstand van 100mm. Gezien de complexiteit van de isolatiebladstructuur worden gradatie-schilden toegevoegd aan beide zijden van het blad om de elektrische velduniformiteit te verbeteren en partiële ontlading te verminderen. Het driedimensionale model van de drie-standschakelaar is weergegeven in Figuur 2. Dit artikel voert een elektrisch veldsimulatieanalyse uit op deze isolatieonderbreking.
2 Simulatieanalyse
Eindige-elementen software werd gebruikt om een elektrisch veldsimulatie uit te voeren op de ringhoofdschakelaar, waarbij de elektrische veldsterkteverdeling bij de isolatieonderbreking werd geanalyseerd onder de gespecificeerde 50 kV genormeerde korte-tijd wisselspanningsdoorbraakspanning. Twee elektrostatische veldsimulatiegevallen werden overwogen:
Geval 1: De busbar zijde (isolatievaste contactzijde) staat op lage spanning (0 V), en de lijnzijde (isolatiebladtippelzijde) staat op hoge spanning (50 kV).
Geval 2: De busbar zijde (isolatievaste contactzijde) staat op hoge spanning (50 kV), en de lijnzijde (isolatiebladtippelzijde) staat op lage spanning (0 V).
De elektrische veldverdeling op de locatie van de maximale elektrische veldsterkte voor beide gevallen werd verkregen via simulatie. De elektrische veldsterkteverdeling bij de isolatiebladtippel onder Geval 1 is weergegeven in Figuur 3, en de verdeling bij het vaste contact onder Geval 2 is weergegeven in Figuur 4. In Geval 1 komt de maximale elektrische veldsterkte voor aan het einde van het gradatie-schild, bereikend 7,07 kV/mm; in Geval 2 komt de maximale waarde voor aan de afgeronde rand van het vaste contact, met een waarde van 4,90 kV/mm.
De typische kritische doorbraakelektrische veldsterkte voor lucht is 3 kV/mm. Zoals getoond in Figuren 3 en 4, hoewel de elektrische veldsterkte in de meeste gebieden van de isolatieonderbreking onder de 3 kV/mm ligt—onvoldoende om doorbraak te veroorzaken—overschrijden lokale gebieden deze drempel, wat leidt tot partiële ontlading. Wanneer lucht van droog naar vochtig verandert, neemt de isolatiecapaciteit af [10], waardoor de kritische uniforme doorbraakelektrische veldsterkte onder de 3 kV/mm daalt. Bovendien vermindert een sterk niet-uniform elektrisch veld de kritische doorbraaksterkte van lucht, waardoor de kans en het risico op doorbraak toenemen. Om de impact van externe omgevingsfactoren op het luchtisolatiemedium te verminderen en de velduniformiteit te verbeteren, evalueert dit onderzoek de mate van elektrische velduniformiteit en het doorbraakspanningsniveau over de isolatieonderbreking, als basis voor het verbeteren van de isolatiecapaciteit van de onderbreking.
3 Luchtisolatiekenmerken
3.1 Bepaling van de Elektrische Veldnon-uniformiteitscoëfficiënt
In de praktijk bestaat een perfect uniform elektrisch veld niet; alle elektrische velden zijn inherent niet-uniform. Op basis van de elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt f worden elektrische velden ingedeeld in twee types: wanneer f ≤ 4, wordt het veld beschouwd als licht niet-uniform; wanneer f > 4, wordt het beschouwd als sterk niet-uniform. De non-uniformiteitscoëfficiënt f is gedefinieerd als f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, waar Eₘₐₓ de maximale lokale elektrische veldsterkte is, verkregen uit de piekwaarde in de simulatie-resultaten, en Eₐᵥ de gemiddelde elektrische veldsterkte is, berekend als de aangebrachte spanning gedeeld door de minimale elektrische afstand.
Uit Figuur 3 blijkt dat Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm en Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Dus de elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt bij de isolatieonderbreking is f = 14,14 > 4, wat aangeeft dat het een sterk niet-uniform elektrisch veld is. In gebieden met sterk niet-uniforme velden kan stabiele partiële ontlading optreden, en hoe groter de mate van non-uniformiteit, des te meer uitgesproken de partiële ontlading en des te groter de ontladingsgrootte. Voor een 12 kV ringhoofdschakelaar is de totale partiële ontladingshoeveelheid van de hele kast vereist om minder dan 20 pC te zijn [5,11]. Daarom helpt het verminderen van de elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt bij het verlagen van het niveau van partiële ontlading.
3.2 Bepaling van de Doorbraaksnelheid van Lucht
De elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt beïnvloedt de doorbraaksnelheid van droge lucht. Wanneer het veld licht niet-uniform is, is de doorbraaksnelheid:
waar U de doorbraaksnelheid aanduidt; d de minimale elektrische afstand tussen elektroden vertegenwoordigt; k een betrouwbaarheidsfactor is, die op basis van ervaring meestal varieert van 1,2 tot 1,5; en E₀ verwijst naar de dielectrica doorbraakelektrische veldsterkte van het gas. In de praktijk hangt deze doorbraakelektrische veldsterkte af van de specifieke configuratie van de twee elektroden, en de lucht-doorbraaksterkte varieert met verschillende elektrodestructuren en afstandsruimten. Voor doeleinden van vergelijkende analyse wordt in dit artikel aangenomen dat E₀ = 3 kV/mm. Zoals aangegeven door Vergelijking (1), kan zowel het verhogen van de minimale elektrische afstand d als het verminderen van de elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt f de doorbraaksnelheid van het luchtisolatiemedium verhogen.
Bij het hanteren van een sterk niet-uniform elektrisch veld, voor elektroden met een minimale elektrische afstand binnen de 100 mm bereik, wordt de doorbraaksnelheid als volgt berekend:
In de formule vertegenwoordigt U50%(d) de 50% doorbraaksnelheid van een elektrode onder een specifieke elektrische afstand d tijdens bliksemimpulstests. Bij sterk niet-uniforme elektrische velden is er een aanzienlijke verspreiding in doorbraaksnelheden en langere ontladingsvertraging, waardoor de doorbraaksnelheid zeer instabiel is. In praktische ingenieursapplicaties wordt U50%(d) bepaald door meerdere bliksemimpulstests uit te voeren en de aangebrachte spanning te identificeren waarbij er een 50% kans op doorbraak is. Deze waarde is nauw gerelateerd aan de structuur van het product en de uniformiteit van het elektrische veld. Het is vastgesteld dat een lagere elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt resulteert in minder verspreiding in doorbraaksnelheden, hogere doorbraaksnelheden, en dus hogere doorbraaksnelheden. Daarom is het verminderen van de elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt gunstig voor het verhogen van de doorbraaksnelheid van de isolatieonderbreking.
4 Structurele Optimalisatie
Om de uniformiteit van het elektrische veld rond de isolatiebladtippel te verbeteren en de elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt te verlagen, werd de structuur van het gradatie-schild geoptimaliseerd. Modellen van het gradatie-schild voor en na de optimalisatie zijn weergegeven in Figuur 5, terwijl doorsneden zijn weergegeven in Figuur 6. Zoals te zien is in Figuur 6, heeft het geoptimaliseerde gradatie-schild vergeleken met het pre-optimalisatieontwerp een dikker einde met afgeronde hoeken, waardoor de hoekstraal van 0,75 mm is verhoogd naar 4 mm. Deze verbetering verhoogt de straal van kromming, waardoor de elektrische veldverdeling meer uniform wordt. De elektrische veldsterkteverdeling rond de geoptimaliseerde isolatiebladtippel is weergegeven in Figuur 7. Uit deze figuur blijkt dat de maximale elektrische veldsterkte is teruggebracht tot 3,66 kV/mm, ongeveer de helft van de oorspronkelijke waarde, wat een aanzienlijke verbetering aantoont.
Volgens de hiervoor genoemde formule f=Emax/Eav, is de non-uniformiteitscoëfficiënt van het elektrische veld na de optimalisatie 7,32, wat ongeveer de helft is ten opzichte van voor de optimalisatie.
Dit geeft aan dat er een aanzienlijke verbetering is in de uniformiteit van het elektrische veld rond de isolatiebladtippel, wat aantoont dat de structurele optimalisatie effectief was. Een vergelijking van de gegevens voor en na de optimalisatie van het gradatie-schild is weergegeven in Tabel 1. Zoals te zien is in Tabel 1, vermindert de geoptimaliseerde structuur van het gradatie-schild inderdaad het risico op doorbraakontlading tussen de isolatieonderbrekingen. Echter, het elektrische veld tussen de isolatieonderbrekingen blijft sterk niet-uniform, wat betekent dat de doorbraaksnelheid nog steeds wordt bepaald door U50%(d). De mate van verbetering van de doorbraaksnelheid kan verder worden bevestigd door middel van ter plaatse tests.
5 Experimentele Verificatie
Om de effectiviteit van de simulatieanalyse te valideren, werden partiële ontladingtests uitgevoerd op een 12 kV luchtgeïsoleerde ringhoofdschakelaar. Drie prototype-eenheden (Nr. 1 tot Nr. 3) werden voorbereid. Partiële ontladingtests werden eerst uitgevoerd met de originele (pre-optimalisatie) gradatie-schilden geïnstalleerd op de isolatiebladen van alle drie de eenheden. Vervolgens werden de geoptimaliseerde gradatie-schilden geïnstalleerd, en werden de tests herhaald. De resulterende partiële ontladingsgegevens staan in Tabel 2.
Zoals te zien is in de tabel, waren de niveaus van partiële ontlading voor de optimalisatie allemaal boven de 20 pC, terwijl deze na de optimalisatie werden teruggebracht tot onder de 4,5 pC. Dit wijst erop dat de geoptimaliseerde structuur van het gradatie-schild effectief de isolatieprestaties van de ringhoofdschakelaar verbetert en bevestigt de geldigheid van de voorgaande simulatie en analyse.
6 Conclusie
Op basis van de elektrische veldanalyse van de isolatieonderbreking in een 12 kV luchtgeïsoleerde ringhoofdschakelaar, worden de volgende conclusies getrokken:
Aangezien de isolatiecapaciteit van lucht inferieur is aan die van SF₆, is het verbeteren van de elektrische veldverdeling essentieel om de isolatieprestaties te verbeteren wanneer lucht wordt gebruikt als isolatiemedium in drie-standschakelaars van ringhoofdschakelaars.
Vanwege de structurele complexiteit van bewegende componenten (isolatiebladen) in drie-standschakelaars van luchtgeïsoleerde ringhoofdschakelaars, kan de elektrische veldsterkteverdeling op bepaalde locaties sterk niet-uniform worden. Om deze niet-uniformiteit te verkleinen, kunnen gradatie-schilden aan beide zijden van het isolatieblad worden toegevoegd om de hoog-veldgebieden in de buurt van de verbindingsonderdelen van het blad te schermen, waardoor de locatie van de piekveldsterkte verschuift naar de einden van de gradatie-schilden. In dit onderzoek werd de straal van kromming aan het einde van het schild verhoogd van 0,75 mm naar 4 mm, waardoor zowel de maximale lokale elektrische veldsterkte als de elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt ongeveer de helft van hun oorspronkelijke waarden werden, waarmee het gewenste optimalisatie-effect werd bereikt.
De uniformiteit van de elektrische veldverdeling, of de elektrische veldnon-uniformiteitscoëfficiënt, beïnvloedt aanzienlijk partiële en doorbraakontladingen. Sterk niet-uniforme velden neigen ertoe stabiele partiële ontlading (corona-ontlading) te produceren. Zowel in licht als sterk niet-uniforme velden leidt een hogere non-uniformiteitscoëfficiënt tot een lagere doorbraaksnelheid tussen de elektroden.
