Mitigando Riscos de Descargas em RMUs de 12 kV com Isolamento a Ar Usando Design de Escudo de Gradação

Este artigo toma como objeto de estudo a interrupção primária de um determinado tipo de unidade de seccionamento de anel (RMU) com isolamento a ar de 12kV, analisando a distribuição e uniformidade do campo elétrico ao redor dela, avaliando o desempenho de isolamento nesse local e reduzindo o risco de descarga enquanto melhora o desempenho de isolamento através da otimização estrutural, fornecendo assim uma referência para o projeto de isolamento de produtos semelhantes.

1 Estrutura da Unidade de Seccionamento de Anel com Isolamento a Ar

O modelo estrutural tridimensional da RMU com isolamento a ar estudada neste artigo é mostrado na Figura 1. O circuito principal adota uma configuração que combina um interruptor a vácuo com um interruptor de três posições, disposto com o interruptor de três posições no lado do barramento, ou seja, o interruptor de três posições está localizado na parte superior da RMU, enquanto o interruptor a vácuo é montado na parte inferior em uma estrutura de pólo selado. Como o interruptor a vácuo está encapsulado dentro do pólo, seu exterior é isolado com resina epóxi, que tem propriedades de isolamento significativamente melhores do que o ar, atendendo assim aos requisitos de isolamento.

Além disso, o barramento de conexão no ponto de vedação do pólo selado utiliza bordas chanfradas e design em forma de arco, combinado com vedação de silicone, mitigando efetivamente os problemas de descarga parcial nesta área. As distâncias de isolamento entre os barramentos e em relação à terra são projetadas de acordo com as normas de isolamento relevantes e atendem aos requisitos regulatórios.

A lâmina de isolamento do interruptor de três posições depende do ar como meio isolante. Como componente de conexão móvel, sua estrutura inclui peças metálicas como pinos, molas, discos de mola e retentores para aumentar a pressão de contato entre os contatos de isolamento. No entanto, devido às formas complexas dessas peças metálicas, a distribuição do campo elétrico pode se tornar altamente não-uniforme, levando a descargas parciais e riscos potenciais de ruptura, o que afeta adversamente o desempenho de isolamento nessa localização.

Portanto, o projeto elétrico dessa estrutura é particularmente crítico. De acordo com os requisitos de projeto do produto, a interrupção de isolamento deve suportar uma tensão nominal de resistência de curto prazo de 50kV, com uma distância elétrica mínima projetada de 100mm. Considerando a complexidade da estrutura da lâmina de isolamento, escudos de graduação são adicionados em ambos os lados da lâmina para melhorar a uniformidade do campo elétrico e reduzir a descarga parcial. O modelo tridimensional do interruptor de três posições é mostrado na Figura 2. Este artigo realiza uma análise de simulação de campo elétrico nessa interrupção de isolamento.

2 Análise de Simulação

Foi utilizado software de elementos finitos para realizar a simulação do campo elétrico na unidade de seccionamento de anel, analisando a distribuição da intensidade do campo elétrico na interrupção de isolamento sob a tensão nominal de resistência de curto prazo de 50 kV especificada. Foram considerados dois casos de simulação de campo eletrostático:

• Caso 1: O lado do barramento (lado do contato fixo de isolamento) está em baixa potencial (0 V), e o lado da linha (lado da ponta da lâmina de isolamento) está em alta potencial (50 kV).

• Caso 2: O lado do barramento (lado do contato fixo de isolamento) está em alta potencial (50 kV), e o lado da linha (lado da ponta da lâmina de isolamento) está em baixa potencial (0 V).

A distribuição do campo elétrico no local de maior intensidade do campo elétrico para ambos os casos foi obtida por simulação. A distribuição da intensidade do campo elétrico na ponta da lâmina de isolamento no Caso 1 é mostrada na Figura 3, e a distribuição no contato fixo de isolamento no Caso 2 é mostrada na Figura 4. No Caso 1, a máxima intensidade do campo elétrico ocorre no final do escudo de graduação, atingindo 7,07 kV/mm; no Caso 2, a máxima ocorre na borda chanfrada do contato fixo de isolamento, com valor de 4,90 kV/mm.

A intensidade crítica típica de ruptura do campo elétrico para o ar é de 3 kV/mm. Como mostrado nas Figuras 3 e 4, embora a intensidade do campo elétrico em grande parte das áreas da interrupção de isolamento esteja abaixo de 3 kV/mm, insuficiente para causar ruptura, regiões localizadas excedem esse limite, levando a descargas parciais. Quando o ar muda de condições secas para úmidas, sua capacidade de isolamento diminui [10], reduzindo a intensidade crítica de ruptura uniforme abaixo de 3 kV/mm. Além disso, a distribuição altamente não-uniforme do campo elétrico ainda mais reduz a intensidade crítica de ruptura do ar, aumentando a probabilidade e o risco de ruptura. Para mitigar o impacto dos fatores ambientais externos no meio de isolamento a ar e melhorar a uniformidade do campo, este estudo avalia o grau de uniformidade do campo elétrico e o nível de tensão de resistência na interrupção de isolamento, servindo como base para melhorar a capacidade de isolamento da interrupção.

3 Características de Isolamento a Ar

3.1 Determinação do Coeficiente de Não-Uniformidade do Campo Elétrico

Na prática, um campo elétrico perfeitamente uniforme não existe; todos os campos elétricos são inerentemente não-uniformes. Com base no coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico f, os campos elétricos são classificados em dois tipos: quando f ≤ 4, o campo é considerado levemente não-uniforme; quando f > 4, é considerado altamente não-uniforme. O coeficiente de não-uniformidade f é definido como f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, onde Eₘₐₓ é a máxima intensidade local do campo elétrico, obtida a partir do valor pico nos resultados da simulação, e Eₐᵥ é a intensidade média do campo elétrico, calculada como a tensão aplicada dividida pela menor distância elétrica.

De acordo com a Figura 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm e Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Portanto, o coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico na interrupção de isolamento é f = 14,14 > 4, indicando um campo elétrico altamente não-uniforme. Em regiões com campos altamente não-uniformes, podem ocorrer descargas parciais estáveis, e quanto maior o grau de não-uniformidade, mais pronunciadas são as descargas parciais e maior é a magnitude da descarga. Para uma unidade de seccionamento de anel de 12 kV, a quantidade total de descarga parcial de todo o gabinete deve ser inferior a 20 pC [5,11]. Portanto, reduzir o coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico ajuda a diminuir o nível de descarga parcial.

3.2 Determinação da Tensão de Resistência do Ar

O coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico afeta a tensão de resistência do ar seco. Quando o campo é levemente não-uniforme, a tensão de resistência é:

onde U denota a tensão de resistência; d representa a menor distância elétrica entre os eletrodos; k é um fator de confiabilidade, geralmente variando de 1,2 a 1,5 com base na experiência; e E₀ refere-se à intensidade de ruptura dielétrica do gás. Na prática, essa intensidade de ruptura depende da configuração específica dos dois eletrodos, e a intensidade de ruptura do ar varia com diferentes estruturas de eletrodo e distâncias de separação. Para fins de análise comparativa, este artigo assume E₀ = 3 kV/mm. Conforme indicado pela Equação (1), aumentar a menor distância elétrica d e reduzir o coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico f podem ambos melhorar a tensão de resistência do meio de isolamento a ar.

Ao lidar com um campo elétrico altamente não-uniforme, para eletrodos com uma menor distância elétrica no intervalo de 100 mm, a tensão de resistência é calculada da seguinte forma:

Na fórmula, U50%(d) representa a tensão de ruptura de 50% de um eletrodo sob uma distância elétrica específica d durante testes de impulso de raio. Em campos elétricos altamente não-uniformes, há uma dispersão significativa nas tensões de ruptura e tempos de atraso de descarga mais longos, tornando a tensão de ruptura altamente instável. Nas aplicações práticas de engenharia, U50%(d) é determinado realizando múltiplos testes de impulso de raio e identificando a tensão aplicada na qual há uma probabilidade de 50% de ruptura. Esse valor está intimamente relacionado à estrutura do produto e à uniformidade do campo elétrico. Estabelece-se que um coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico menor resulta em menos dispersão na tensão de ruptura, tensão de ruptura mais alta e, consequentemente, tensão de resistência mais alta. Portanto, reduzir o coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico é benéfico para melhorar a tensão de resistência da interrupção de isolamento.

4 Otimização Estrutural

Para melhorar a uniformidade do campo elétrico ao redor da ponta da lâmina de isolamento e reduzir o coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico, foi realizada a otimização da estrutura do escudo de graduação. Modelos do escudo de graduação antes e depois da otimização são mostrados na Figura 5, enquanto vistas transversais são fornecidas na Figura 6. Como pode ser visto na Figura 6, em comparação com o design pré-otimização, o escudo de graduação otimizado apresenta uma extremidade mais espessa com cantos arredondados, aumentando o raio do canto de 0,75 mm para 4 mm. Essa melhoria aumenta o raio de curvatura, promovendo uma distribuição mais uniforme do campo elétrico. A distribuição da intensidade do campo elétrico ao redor da ponta da lâmina de isolamento otimizada é ilustrada na Figura 7. A partir desta figura, é evidente que a máxima intensidade do campo elétrico foi reduzida para 3,66 kV/mm, aproximadamente metade de seu valor original, indicando uma melhoria notável.

Conforme a fórmula mencionada anteriormente f=Emax/Eavf=Emax/Eav, o coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico após a otimização é 7,32, que é aproximadamente a metade do valor antes da otimização.

Isso indica uma melhoria significativa na uniformidade do campo elétrico ao redor da ponta da lâmina de isolamento, demonstrando que a otimização estrutural foi eficaz. Uma comparação dos dados antes e depois da otimização do escudo de graduação é mostrada na Tabela 1. Como pode ser visto na Tabela 1, a estrutura otimizada do escudo de graduação realmente reduz o risco de descarga de ruptura entre as interrupções de isolamento. No entanto, o campo elétrico entre as interrupções de isolamento permanece altamente não-uniforme, o que significa que sua tensão de resistência ainda é determinada por U50%(d)U50%(d). O grau de melhoria na tensão de resistência pode ser confirmado ainda mais através de testes in loco.

5 Verificação Experimental

Para validar a eficácia da análise de simulação, foram realizados testes de descarga parcial em uma unidade de seccionamento de anel com isolamento a ar de 12 kV. Três unidades protótipo (nº 1 a nº 3) foram preparadas. Testes de descarga parcial foram inicialmente realizados com os escudos de graduação originais (pré-otimização) instalados nas lâminas de isolamento de todas as três unidades. Subsequentemente, os escudos de graduação otimizados foram instalados, e os testes foram repetidos. Os dados de descarga parcial resultantes são apresentados na Tabela 2.

Como mostrado na tabela, os níveis de descarga parcial antes da otimização ultrapassaram 20 pC, enquanto aqueles após a otimização foram reduzidos para abaixo de 4,5 pC. Isso indica que a estrutura otimizada do escudo de graduação efetivamente melhora o desempenho de isolamento da unidade de seccionamento de anel e confirma a validade da simulação e análise anteriores.

6 Conclusão

Com base na análise do campo elétrico na interrupção de isolamento de uma unidade de seccionamento de anel com isolamento a ar de 12 kV, as seguintes conclusões são extraídas:

• Como a capacidade de isolamento do ar é inferior à do SF₆, melhorar a distribuição do campo elétrico é essencial para melhorar o desempenho de isolamento quando o ar é usado como meio isolante em interruptores de três posições de unidades de seccionamento de anel.

• Devido à complexidade estrutural dos componentes móveis (lâminas de isolamento) em interruptores de três posições de unidades de seccionamento de anel com isolamento a ar, a distribuição da intensidade do campo elétrico em certas localizações pode se tornar altamente não-uniforme. Para reduzir essa não-uniformidade, escudos de graduação podem ser adicionados em ambos os lados da lâmina de isolamento para proteger as regiões de alto campo próximo às partes de conexão da lâmina, deslocando assim a localização de máxima intensidade do campo para as extremidades dos escudos de graduação. Neste estudo, o aumento do raio de curvatura na extremidade do escudo de 0,75 mm para 4 mm reduziu tanto a máxima intensidade local do campo elétrico quanto o coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico para aproximadamente metade de seus valores originais, alcançando o efeito de otimização desejado.

• A uniformidade da distribuição do campo elétrico, ou o coeficiente de não-uniformidade do campo elétrico, influencia significativamente as descargas parciais e de ruptura. Campos altamente não-uniformes tendem a produzir descargas parciais estáveis (descargas de corona). Em campos levemente e altamente não-uniformes, um coeficiente de não-uniformidade mais alto resulta em uma tensão de resistência mais baixa entre os eletrodos.