Zmniejszanie ryzyka wypłynięcia w powietrznie izolowanych rozdzielniach RMU o napięciu 12 kV za pomocą konstrukcji zasłony gradacyjnej

Niniejszy artykuł analizuje podstawowe przerwanie izolacyjne pewnego typu zasilacza pierścieniowego (RMU) o napięciu 12kV z powietrzaną izolacją, badając rozkład pola elektrycznego i jego jednorodność wokół niego, oceniając wydajność izolacji w tym miejscu oraz zmniejszając ryzyko wyładowania poprzez optymalizację struktury, co pozwala na zwiększenie wydajności izolacji, dostarczając tym samym odniesienia do projektowania izolacji podobnych produktów.

1 Struktura zasilacza pierścieniowego z powietrzaną izolacją

Trójwymiarowy model strukturalny zasilacza pierścieniowego z powietrzaną izolacją, który jest przedmiotem badań w niniejszym artykule, przedstawiony jest na Rysunku 1. Główny obwód wykorzystuje konfigurację łączącą przekładnię próżniową z trójpozycyjnym przełącznikiem, ułożoną tak, że trójpozycyjny przełącznik znajduje się po stronie szyny – to znaczy, że trójpozycyjny przełącznik jest umieszczony w górnej części RMU, podczas gdy przekładnia próżniowa jest zamontowana w dolnej części w solidnej, szczelnej strukturze pylonu. Ponieważ przekładnia próżniowa jest zakłócona wewnątrz pylonu, jej zewnętrzna część jest izolowana za pomocą żywicy epoksydowej, która ma znacznie lepsze właściwości izolacyjne niż powietrze, co spełnia wymagania izolacyjne.

Ponadto, łącząca szyna w punkcie szczelności solidnego pylonu wykorzystuje zaokrąglone krawędzie i łukowaty design, połączone z uszczelnieniem z kauczuku silikonowego, co skutecznie zmniejsza problemy z lokalnymi wyładowaniami w tym obszarze. Izolacyjne odstępy między szynami i do ziemi są zaprojektowane zgodnie z odpowiednimi standardami izolacyjnymi i spełniają wymagania regulacyjne.

Ostrze izolacyjne trójpozycyjnego przełącznika opiera się na powietrzu jako medium izolacyjnym. Jako ruchomy element łączący, jego struktura obejmuje metalowe części, takie jak kolki, sprężyny, dyskowe sprężyny i klamry, aby zwiększyć ciśnienie kontaktowe między stykami izolacyjnymi. Jednak ze względu na złożone kształty tych metalowych części, rozkład pola elektrycznego może stać się bardzo niejednorodny, prowadząc do lokalnych wyładowań i potencjalnych ryzyka przebicia, co negatywnie wpływa na wydajność izolacji w tym miejscu.

Dlatego projektowanie elektryczne tej struktury jest szczególnie ważne. Zgodnie z wymaganiami projektu produktu, przerwanie izolacyjne musi wytrzymać znamionowe krótkotrwałe napięcie przepustowe częstotliwości sieciowej 50kV, z minimalnym zaprojektowanym odstępem elektrycznym 100mm. Biorąc pod uwagę złożoność struktury ostrza izolacyjnego, na obu stronach ostrza dodano ekranujące osłony, aby poprawić jednorodność pola elektrycznego i zmniejszyć lokalne wyładowania. Trójwymiarowy model trójpozycyjnego przełącznika przedstawiony jest na Rysunku 2. Niniejszy artykuł przeprowadza symulację pola elektrycznego tego przerwania izolacyjnego.

2 Analiza symulacji

Oprogramowanie elementów skończonych zostało użyte do przeprowadzenia symulacji pola elektrycznego zasilacza pierścieniowego, analizując rozkład natężenia pola elektrycznego w przerwaniu izolacyjnym przy określonym znamionowym krótkotrwałym napięciu przepustowym częstotliwości sieciowej 50 kV. Rozważono dwa przypadki symulacji pola elektrostatycznego:

• Przypadek 1: Strona szyny (strona stałego kontaktu izolacyjnego) jest w niskim potencjale (0 V), a strona linii (strona czubka ostrza izolacyjnego) jest w wysokim potencjale (50 kV).

• Przypadek 2: Strona szyny (strona stałego kontaktu izolacyjnego) jest w wysokim potencjale (50 kV), a strona linii (strona czubka ostrza izolacyjnego) jest w niskim potencjale (0 V).

Rozkład pola elektrycznego w miejscu maksymalnego natężenia pola dla obu przypadków został uzyskany poprzez symulację. Rozkład natężenia pola elektrycznego na czubku ostrza izolacyjnego w Przypadku 1 przedstawiony jest na Rysunku 3, a rozkład na stałym kontakcie izolacyjnym w Przypadku 2 na Rysunku 4. W Przypadku 1, maksymalne natężenie pola elektrycznego występuje na końcu ekranującej osłony, osiągając wartość 7,07 kV/mm; w Przypadku 2, maksimum występuje na zaokrąglonej krawędzi stałego kontaktu izolacyjnego, z wartością 4,90 kV/mm.

Typowe krytyczne natężenie pola elektrycznego, przy którym następuje przebicie powietrza, wynosi 3 kV/mm. Jak pokazano na Rysunkach 3 i 4, pomimo że natężenie pola elektrycznego w większości obszarów przerwania izolacyjnego jest poniżej 3 kV/mm – co jest niewystarczające do spowodowania przebicia – lokalne regiony przekraczają ten próg, prowadząc do lokalnych wyładowań. Gdy powietrze zmienia się z suchego na wilgotne, jego zdolność izolacyjna maleje [10], obniżając krytyczne jednorodne natężenie pola przebicia poniżej 3 kV/mm. Dodatkowo, bardzo niejednorodny rozkład pola elektrycznego dalszo obniża krytyczne natężenie pola przebicia powietrza, zwiększając prawdopodobieństwo i ryzyko przebicia. Aby zmniejszyć wpływ czynników środowiskowych na powietrzne medium izolacyjne i poprawić jednorodność pola, niniejsze badanie ocenia stopień jednorodności pola elektrycznego i poziom napięcia przepustowego w przerwaniu izolacyjnym, służąc jako podstawa do zwiększenia zdolności izolacyjnej przerwania.

3 Charakterystyka izolacji powietrza

3.1 Określenie współczynnika niejednorodności pola elektrycznego

W praktyce doskonale jednorodne pole elektryczne nie istnieje; wszystkie pola elektryczne są w naturalny sposób niejednorodne. Na podstawie współczynnika niejednorodności pola elektrycznego f, pola elektryczne są klasyfikowane na dwa typy: gdy f ≤ 4, pole jest uważane za słabo niejednorodne; gdy f > 4, jest uważane za bardzo niejednorodne. Współczynnik niejednorodności f definiowany jest jako f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, gdzie Eₘₐₓ to maksymalne lokalne natężenie pola elektrycznego, uzyskane z maksymalnej wartości w wynikach symulacji, a Eₐᵥ to średnie natężenie pola elektrycznego, obliczane jako stosunek napięcia zastosowanego do minimalnego odstępu elektrycznego.

Zgodnie z Rysunkiem 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm i Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Stąd, współczynnik niejednorodności pola elektrycznego w przerwaniu izolacyjnym wynosi f = 14,14 > 4, co wskazuje na bardzo niejednorodne pole. W obszarach o bardzo niejednorodnym polu mogą wystąpić stabilne lokalne wyładowania, a im wyższy stopień niejednorodności, tym bardziej widoczne są te wyładowania i większa ich magnituda. Dla zasilacza pierścieniowego 12 kV, całkowita ilość lokalnych wyładowań w całym gablocie powinna być mniejsza niż 20 pC [5,11]. Zatem, zmniejszenie współczynnika niejednorodności pola elektrycznego pomaga w zmniejszeniu poziomu lokalnych wyładowań.

3.2 Określenie napięcia przepustowego powietrza

Współczynnik niejednorodności pola elektrycznego wpływa na napięcie przepustowe suchego powietrza. Gdy pole jest słabo niejednorodne, napięcie przepustowe wynosi:

gdzie U oznacza napięcie przepustowe; d reprezentuje minimalny odstęp elektryczny między elektrodami; k to współczynnik niezawodności, zazwyczaj zawierający się w granicach od 1,2 do 1,5 na podstawie doświadczeń; a E₀ oznacza natężenie pola elektrycznego przebijającego gaz. W praktyce, to natężenie przebijające zależy od konkretnej konfiguracji dwóch elektrod, a siła przebijająca powietrza różni się w zależności od struktury elektrod i odstępów. W celu porównawczej analizy, niniejszy artykuł przyjmuje E₀ = 3 kV/mm. Jak wskazuje Równanie (1), zwiększenie minimalnego odstępu elektrycznego d i zmniejszenie współczynnika niejednorodności pola elektrycznego f może zwiększyć napięcie przepustowe medium izolacyjnego powietrza.

W przypadku bardzo niejednorodnego pola elektrycznego, dla elektrod z minimalnym odstępem elektrycznym w zakresie 100 mm, napięcie przepustowe obliczane jest następująco:

W formule, U50%(d) oznacza 50% napięcie przebijające elektrody przy określonym odstępie elektrycznym d podczas testów impulsów grzmotu. W bardzo niejednorodnych polach elektrycznych, występuje duża dyspersja napięć przebijających i dłuższe opóźnienia wyładowań, co sprawia, że napięcie przebijające jest bardzo niestabilne. W praktycznych zastosowaniach inżynierskich, U50%(d) jest określane przez przeprowadzenie wielu testów impulsów grzmotu i identyfikację napięcia zastosowanego, przy którym istnieje 50% prawdopodobieństwo przebicia. Ta wartość jest ściśle związana z strukturą produktu i jednorodnością pola elektrycznego. Ustalono, że niższy współczynnik niejednorodności pola elektrycznego powoduje mniejszą dyspersję napięcia przebijającego, wyższe napięcie przebijające, a tym samym wyższe napięcie przepustowe. Zatem, zmniejszenie współczynnika niejednorodności pola elektrycznego jest korzystne dla zwiększenia napięcia przepustowego przerwania izolacyjnego.

4 Optymalizacja struktury

Aby poprawić jednorodność pola elektrycznego wokół czubka ostrza izolacyjnego i zmniejszyć współczynnik niejednorodności pola, przeprowadzono optymalizację struktury ekranujących osłon. Modele ekranujących osłon przed i po optymalizacji przedstawione są na Rysunku 5, podczas gdy przekroje są przedstawione na Rysunku 6. Jak widać na Rysunku 6, w porównaniu z projektem przed optymalizacją, zoptymalizowana ekranująca osłona ma grubszy koniec z zaokrąglonymi krawędziami, zwiększając promień krawędzi z 0,75 mm do 4 mm. Ta modyfikacja zwiększa promień krzywizny, promując bardziej jednorodny rozkład pola elektrycznego. Rozkład natężenia pola elektrycznego wokół zoptymalizowanego czubka ostrza izolacyjnego przedstawiony jest na Rysunku 7. Z tego rysunka wynika, że maksymalne natężenie pola elektrycznego zostało zmniejszone do 3,66 kV/mm, co stanowi około połowę jego pierwotnej wartości, co wskazuje na znaczącą poprawę.

Zgodnie z powyższym wzorem f=Emax/Eavf=Emax/Eav, współczynnik niejednorodności pola elektrycznego po optymalizacji wynosi 7,32, co stanowi około połowę wartości przed optymalizacją.

To wskazuje na znaczącą poprawę jednorodności pola elektrycznego wokół czubka ostrza izolacyjnego, pokazując, że optymalizacja strukturalna była skuteczna. Porównanie danych przed i po optymalizacji ekranujących osłon przedstawione jest w Tabeli 1. Jak można zauważyć w Tabeli 1, zoptymalizowana struktura ekranujących osłon faktycznie zmniejsza ryzyko przebicia wyładowania między przerwaniami izolacyjnymi. Niemniej jednak, pole elektryczne między przerwaniami izolacyjnymi pozostaje bardzo niejednorodne, co oznacza, że jego napięcie przepustowe nadal jest określone przez U50%(d)U50%(d). Stopień poprawy napięcia przepustowego można dalej potwierdzić poprzez testy terenowe.

Ten przekład utrzymuje techniczne szczegóły i kontekst podane w oryginalnym tekście, zapewniając jasność i dokładność dla angielskojęzycznego odbiorcy.

5 Eksperymentalna weryfikacja

Aby zweryfikować skuteczność analizy symulacyjnej, przeprowadzono testy lokalnych wyładowań na zasilaczu pierścieniowym 12 kV z powietrzaną izolacją. Przygotowano trzy prototypowe jednostki (numer 1 do numer 3). Testy lokalnych wyładowań zostały najpierw przeprowadzone z oryginalnymi (przed optymalizacją) ekranującymi osłonami zamontowanymi na ostrzach izolacyjnych we wszystkich trzech jednostkach. Następnie, zamontowano zoptymalizowane ekranujące osłony i powtórzono testy. Wyniki lokalnych wyładowań przedstawione są w Tabeli 2.

Jak pokazano w tabeli, poziomy lokalnych wyładowań przed optymalizacją przekraczały 20 pC, podczas gdy po optymalizacji zostały zredukowane do poniżej 4,5 pC. To wskazuje, że zoptymalizowana struktura ekranujących osłon efektywnie zwiększa wydajność izolacyjną zasilacza pierścieniowego i potwierdza poprzednią symulację i analizę.

6 Wnioski

Na podstawie analizy pola elektrycznego przerwania izolacyjnego w zasilaczu pierścieniowym 12 kV z powietrzaną izolacją, sformułowano następujące wnioski:

• Ponieważ zdolność izolacyjna powietrza jest gorsza niż SF₆, poprawa rozkładu pola elektrycznego jest niezbędna do zwiększenia wydajności izolacji, gdy powietrze jest używane jako medium izolacyjne w trójpozycyjnych przełącznikach zasilaczy pierścieniowych.

• Ze względu na złożoność struktury ruchomych elementów (ostrza izolacyjne) w trójpozycyjnych przełącznikach zasilaczy pierścieniowych z powietrzaną izolacją, rozkład natężenia pola elektrycznego w niektórych miejscach może stać się bardzo niejednorodny. Aby zmniejszyć tę niejednorodność, można dodać ekranujące osłony po obu stronach ostrza izolacyjnego, aby osłonić obszary o wysokim polu w pobliżu części łączących ostrza, przesuwając miejsce maksymalnego natężenia pola na końce ekranujących osłon. W tym badaniu, zwiększenie promienia krzywizny na końcu osłony z 0,75 mm do 4 mm zmniejszyło zarówno maksymalne lokalne natężenie pola, jak i współczynnik niejednorodności pola do około połowy ich pierwotnych wartości, osiągając pożądany efekt optymalizacji.

• Jednorodność rozkładu pola elektrycznego, czyli współczynnik niejednorodności pola, znacząco wpływa na lokalne i przebijające wyładowania. Bardzo niejednorodne pola mają tendencję do tworzenia stabilnych lokalnych wyładowań (wyładowań koronowych). W zarówno lekko, jak i bardzo niejednorodnych polach, wyższy współczynnik niejednorodności prowadzi do niższego napięcia przepustowego między elektrodami.