Redusere utslippsrisiko i 12 kV luftisolerte RMUer ved bruk av graderingsskjermsdesign

Dyson

Felt: Elektriske standarder

China

Dette dokumentet tar primær isolasjonssnitt i en bestemt type 12kV luftisolert ringhovedenhet (RMU) som forskningsobjekt, analyserer elektriske feltfordeling og jevnhet rundt det, vurderer isolasjonsytelsen på dette stedet, og reduserer utslipp risiko samtidig som isolasjonsytelsen forbedres gjennom strukturell optimalisering, dermed gir en referanse for isolasjonsdesign av lignende produkter.

1 Struktur av luftisolert ringhovedenhet

Den tredimensjonale strukturelle modellen av den luftisolerte RMU-en studert i denne artikkelen er vist i figur 1. Hovedkretsen bruker en konfigurasjon som kombinerer en vakuumbryter med en treposisjonsbryter, arrangert med treposisjonsbryteren på busbar-siden - altså er treposisjonsbryteren plassert øverst i RMU-en, mens vakuumbryteren er montert nederst i en solid-seal-pole-struktur. Siden vakuumbryteren er innkapslet inni polen, er dens ytre side isolert med epoksyresin, som har betydelig bedre isolasjonsegenskaper enn luft, og dermed oppfyller isolasjonskravene.

I tillegg bruker koblingsbusbar ved seglingen av solid-seal-polen skjøvkanter og bueformet design, kombinert med silikonkautsjuk-sealing, noe som effektivt demper delvis utslipp i dette området. Isolasjonsavstandene mellom busbarer og til jord er designet i henhold til relevante isolasjonsstandarder og tilfredsstiller regulatoriske krav.

Isoleringsskniven i treposisjonsbryteren baserer seg på luft som isoleringsmedium. Som et bevegelig koblingselement inkluderer dens struktur metalldele som piner, fjærer, skivefjærer og cirklipper for å øke kontakttrykket mellom isoleringskontaktene. På grunn av de komplekse formene til disse metalldele kan elektriske feltfordelingen bli svært ujevn, noe som fører til delvis utslipp og potensielle nedbrytningsrisiko, noe som negativt påvirker isolasjonsytelsen på dette stedet.

Derfor er elektrisk design av denne strukturen spesielt kritisk. I henhold til produktets designkrav må isolasjonssnittet tåle en beregnet kortvarig nettspenning på 50kV, med en minimum designet elektrisk avstand på 100mm. Gitt den kompleksiteten av isoleringsskniven, legges graderte skjold til på begge sider av kniven for å forbedre elektriske feltjevnhet og redusere delvis utslipp. Den tredimensjonale modellen av treposisjonsbryteren er vist i figur 2. Denne artikkelen utfører elektrisk felt simulering og analyse på dette isolasjonssnittet.

2 Simulering og analyse

Endelmentsprogramvare ble brukt til å utføre elektrisk feltsimulering på ringhovedenheten, analysere elektrisk feltstyrkefordeling ved isolasjonssnittet under den angitte 50 kV beregnede kortvarige nettspenningen. To elektrostatisk felt simuleringstilfeller ble vurdert:

Tilfelle 1: Busbarsiden (isolering fast kontakt side) er på lavt potensial (0 V), og linjesiden (isoleringssknive topp side) er på høyt potensial (50 kV).
Tilfelle 2: Busbarsiden (isolering fast kontakt side) er på høyt potensial (50 kV), og linjesiden (isoleringssknive topp side) er på lavt potensial (0 V).

Elektrisk feltfordeling ved stedet med maksimal feltstyrke for begge tilfellene ble funnet gjennom simulering. Elektrisk feltstyrkefordeling ved isoleringssknive topp under tilfelle 1 er vist i figur 3, og fordelen ved isolering fast kontakt under tilfelle 2 er vist i figur 4. I tilfelle 1 oppstår maksimal feltstyrke ved enden av graderte skjold, når 7,07 kV/mm; i tilfelle 2 oppstår maksimal ved skjøvkanter av isolering fast kontakt, med en verdi på 4,90 kV/mm.

Den typiske kritiske nedbrytningsfeltstyrken for luft er 3 kV/mm. Som vist i figur 3 og 4, selv om feltstyrken i de fleste områdene av isolasjonssnittet er under 3 kV/mm - ikke nok til å forårsake nedbrytning - overtreffer lokaliserede områder denne terskelen, noe som fører til delvis utslipp. Når luften endres fra tørr til fuktig, minsker dens isolasjonsegenskaper [10], noe som senker den kritiske uniforme nedbrytningsfeltstyrken under 3 kV/mm. I tillegg reduserer høy grad av ujevn feltfordeling den kritiske nedbrytningsstyrken til luft ytterligere, øker sannsynligheten og risikoen for nedbrytning. For å mildre virkningen av eksterne miljøfaktorer på luftisoleringen og forbedre feltjevnhet, evalueres graden av elektrisk feltjevnhet og tålmodighetsnivået over isolasjonssnittet, som danner basis for å forbedre isolasjonskapasiteten til snittet.

3 Luftisoleringsegenskaper

3.1 Bestemmelse av elektrisk feltujevnhet koeffisient

I praksis eksisterer ikke et perfekt jevnt elektrisk felt; alle elektriske felt er innebygd ujevne. Basert på elektrisk feltujevnhet koeffisient f, deles elektriske felt inn i to typer: når f ≤ 4, regnes feltet som litt ujevnt; når f > 4, regnes det som sterkt ujevnt. Ujevnhet koeffisienten f defineres som f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, hvor Eₘₐₓ er maksimal lokalt elektrisk feltstyrke, funnet fra toppverdien i simuleringresultatene, og Eₐᵥ er gjennomsnittelig elektrisk feltstyrke, beregnet som anvendt spenning delt på minimum elektrisk avstand.

Fra figur 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm og Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Dermed er elektrisk feltujevnhet koeffisienten ved isolasjonssnittet f = 14,14 > 4, indikerer et sterkt ujevnt elektrisk felt. I områder med sterkt ujevne felt kan stabilt delvis utslipp forekomme, og jo høyere grad av ujevnhet, jo mer prononserede delvis utslipp og større utslippmagnitude. For en 12 kV ringhovedenhet, kreves det at total delvis utslippmengde for hele kabinetet skal være mindre enn 20 pC [5,11]. Derfor hjelper redusert elektrisk feltujevnhet koeffisient i å redusere nivået av delvis utslipp.

3.2 Bestemmelse av luft tålmodighet

Elektrisk feltujevnhet koeffisient påvirker tålmodigheten til tørr luft. Når feltet er litt ujevnt, er tålmodigheten:

der U representerer tålmodighet; d representerer minimum elektrisk avstand mellom elektroder; k er en pålitelighetsfaktor, vanligvis ligger mellom 1,2 til 1,5 basert på erfaring; og E₀ refererer til dielektrisk nedbrytningsfeltstyrken til gassen. I praksis avhenger denne nedbrytningsfeltstyrken av den spesifikke konfigurasjonen av de to elektrodene, og luftnedbrytningsstyrken varierer med ulike elektrodstrukurer og avstandsavstander. For sammenligning antar denne artikkelen E₀ = 3 kV/mm. Som indikert av ligning (1), kan øking av minimum elektrisk avstand d og redusere elektrisk feltujevnhet koeffisient f begge forbedre tålmodigheten til luftisoleringen.

Når man håndterer et sterkt ujevnt elektrisk felt, for elektroder med minimum elektrisk avstand innen 100 mm området, beregnes tålmodigheten som følger:

I formelen representerer U50%(d) 50% nedbrytningsvoltage av en elektrod under en spesifikk elektrisk avstand d under lynimpulsprøver. I sterkt ujevne elektriske felt, er det betydelig spredning i nedbrytningsvoltager og lengre utslipp tidforskyvninger, noe som gjør nedbrytningsvoltage svært ustabil. I praktisk ingeniørbruk, U50%(d) fastsettes ved å utføre flere lynimpulsprøver og identifisere anvendt spenning der det er 50% sannsynlighet for nedbrytning. Denne verdien er tett knyttet til produktets struktur og jevnheten av elektrisk felt. Det er etablert at en lavere elektrisk feltujevnhet koeffisient resulterer i mindre spredning i nedbrytningsvoltage, høyere nedbrytningsvoltage, og deretter høyere tålmodighet. Derfor er redusere elektrisk feltujevnhet koeffisient nyttig for å forbedre tålmodigheten til isolasjonssnittet.

4 Strukturell optimalisering

For å forbedre jevnheten av elektrisk felt rundt isoleringssknive topp og redusere elektrisk feltujevnhet koeffisient, ble optimalisering av graderte skjoldstruktur utført. Modeller av graderte skjold før og etter optimalisering er vist i figur 5, mens tverrsnittsvisninger er gitt i figur 6. Som kan sees fra figur 6, sammenlignet med pre-optimaliseringsdesign, har den optimaliserte graderte skjolden en tykkere ende med runde kanter, øker hjørneradius fra 0,75 mm til 4 mm. Denne forbedringen øker kurveradius, fremmer mer jevn fordeling av elektrisk felt. Elektrisk feltstyrkefordeling rundt den optimaliserte isoleringssknive topp er illustrert i figur 7. Fra denne figuren, er det klart at maksimal feltstyrke er redusert til 3,66 kV/mm, omtrent halvparten av sin opprinnelige verdi, indikerer en bemerkelsesverdig forbedring.

Ifølge den nevnte formelen $f = E_{ma x} / E_{a v}$ , elektrisk feltujevnhet koeffisient etter optimalisering er 7,32, som er omtrent halvparten sammenlignet med før optimalisering.

Dette indikerer en betydelig forbedring i jevnheten av elektrisk felt rundt isoleringssknive topp, demonstrerer at strukturellen optimalisering var effektiv. En sammenligning av data før og etter graderte skjoldoptimalisering er vist i tabell 1. Som kan sees fra tabell 1, den optimaliserte graderte skjoldstruktur reduserer virkelig risiko for nedbrytningsutslipp mellom isolasjonssnitt. Imidlertid er elektrisk felt mellom isolasjonssnitt fortsatt sterkt ujevnt, betyr at dens tålmodighet er fremdeles bestemt av $U_{50%} (d)$ . Omfanget av forbedring i tålmodighet kan videre bekreftes gjennom stedlige tester.

5 Eksperimentell verifisering

For å bekrefte effektiviteten av simuleringen, ble delvis utslipp-prøver utført på en 12 kV luftisolert ringhovedenhet. Tre prototypenheter (Nr. 1 til Nr. 3) ble forberedt. Delvis utslipp-prøver ble først utført med de opprinnelige (pre-optimaliserte) graderte skjoldene installert på isoleringsskniver av alle tre enheter. Deretter ble de optimaliserte graderte skjoldene installert, og prøvene ble gjentatt. De resulterende delvis utslipp-dataene er presentert i tabell 2.

Som vist i tabellen, overskred delvis utslipp-nivåene før optimalisering alle 20 pC, mens de etter optimalisering ble redusert til under 4,5 pC. Dette indikerer at den optimaliserte graderte skjoldstruktur effektivt forbedrer isolasjonsytelsen til ringhovedenheten og bekrefter gyldigheten av den foregående simuleringen og analysen.

6 Konklusjon

Basert på elektrisk feltanalyse av isolasjonssnittet i en 12 kV luftisolert ringhovedenhet, dras følgende konklusjoner:

Siden isolasjonskapasiteten til luft er dårligere enn SF₆, er forbedring av elektrisk feltfordeling nødvendig for å forbedre isolasjonsytelsen når luft brukes som isoleringsmedium i treposisjonsbrytere i ringhovedenheter.
På grunn av strukturell kompleksitet av bevegelige komponenter (isoleringsskniver) i treposisjonsbrytere i luftisolerte ringhovedenheter, kan elektrisk feltstyrkefordeling på visse steder bli sterkt ujevnt. For å redusere denne ujevnheten, kan graderte skjold legges til på begge sider av isoleringsskniven for å skjule høy-feltområder nær knivens koblingselementer, dermed flytte posisjonen for maksimal feltstyrke til endene av graderte skjold. I denne studien, øking av kurveradius ved skjoldets ende fra 0,75 mm til 4 mm reduserte både maksimal lokalt elektrisk feltstyrke og elektrisk feltujevnhet koeffisient til omtrent halvparten av sine opprinnelige verdier, oppnådde den ønskede optimaliseringseffekten.
Jevnheten av elektrisk feltfordeling, eller elektrisk feltujevnhet koeffisient, påvirker betydelig delvis og nedbrytningsutslipp. Sterkt ujevne felt tenderer til å produsere stabil delvis utslipp (korona utslipp). I både litt og sterkt ujevne felt, en høyere ujevnhet koeffisient resulterer i lavere tålmodighet mellom elektrodene.