Снижение рисков разрядов в воздушно-изолированных распределительных устройствах на 12 кВ с использованием дизайна экранирующего градиента
В данной работе в качестве объекта исследования рассматривается первичный изоляционный разрыв определенного типа 12-киловольтного воздушно-изолированного кольцевого главного распределительного устройства (RMU), анализируется распределение и равномерность электрического поля вокруг него, оценивается изоляционная способность на этом участке, а также снижается риск разряда и улучшается изоляционная способность путем структурной оптимизации, что служит основой для проектирования изоляции аналогичных продуктов.
1 Структура воздушно-изолированного кольцевого главного распределительного устройства
Трехмерная структурная модель исследуемого воздушно-изолированного RMU показана на рисунке 1. Основная цепь использует конфигурацию, сочетающую вакуумный выключатель с трехпозиционным выключателем, расположенным таким образом, что трехпозиционный выключатель находится на стороне шины, то есть в верхней части RMU, а вакуумный выключатель установлен в нижней части в твердотельной полюсной конструкции. Поскольку вакуумный выключатель заключен внутри полюса, его внешняя поверхность изолирована эпоксидной смолой, которая имеет значительно лучшие изоляционные свойства, чем воздух, что обеспечивает выполнение требований к изоляции.
Кроме того, соединительная шина в точке герметизации твердотельного полюса имеет скругленные кромки и дуговую форму, сочетаясь с силиконовым резиновым уплотнением, что эффективно смягчает проблемы локального разряда в этой области. Изоляционные зазоры между шинами и до земли спроектированы в соответствии с соответствующими стандартами изоляции и удовлетворяют нормативным требованиям.
Изоляционный нож трехпозиционного выключателя использует воздух в качестве изоляционного материала. В качестве подвижного соединительного элемента его структура включает металлические детали, такие как пины, пружины, дисковые пружины и кольца, чтобы увеличить контактное давление между изоляционными контактами. Однако из-за сложных форм этих металлических деталей распределение электрического поля может стать очень неравномерным, что приводит к локальному разряду и потенциальному риску пробоя, что негативно влияет на изоляционную способность на этом участке.
Следовательно, электрический дизайн этой структуры особенно важен. Согласно требованиям к проектированию продукта, изоляционный разрыв должен выдерживать номинальное кратковременное напряжение промышленной частоты 50 кВ, с минимальным проектным электрическим зазором 100 мм. Учитывая сложность структуры изоляционного ножа, на обеих сторонах ножа добавляются градуировочные экраны, чтобы улучшить равномерность электрического поля и снизить локальный разряд. Трехмерная модель трехпозиционного выключателя показана на рисунке 2. В данной работе проводится имитационный анализ электрического поля этого изоляционного разрыва.
2 Имитационный анализ
Для проведения имитационного анализа электрического поля кольцевого главного распределительного устройства использовалось программное обеспечение для метода конечных элементов, анализируя распределение напряженности электрического поля в изоляционном разрыве при заданном номинальном кратковременном напряжении промышленной частоты 50 кВ. Были рассмотрены два случая моделирования электростатического поля:
Случай 1: Сторона шины (сторона фиксированного изоляционного контакта) находится под низким потенциалом (0 В), а сторона линии (сторона острия изоляционного ножа) находится под высоким потенциалом (50 кВ).
Случай 2: Сторона шины (сторона фиксированного изоляционного контакта) находится под высоким потенциалом (50 кВ), а сторона линии (сторона острия изоляционного ножа) находится под низким потенциалом (0 В).
Через моделирование было получено распределение электрического поля в местах максимальной напряженности для обоих случаев. Распределение напряженности электрического поля на острие изоляционного ножа в случае 1 показано на рисунке 3, а распределение на фиксированном изоляционном контакте в случае 2 показано на рисунке 4. В случае 1 максимальная напряженность электрического поля возникает на конце градуировочного экрана, достигая 7,07 кВ/мм; в случае 2 максимальная напряженность возникает на скругленном краю фиксированного изоляционного контакта, составляя 4,90 кВ/мм.
Типичная критическая напряженность электрического поля для воздуха составляет 3 кВ/мм. Как показано на рисунках 3 и 4, хотя напряженность электрического поля в большинстве областей изоляционного разрыва ниже 3 кВ/мм, недостаточной для вызова пробоя, локальные области превышают этот порог, что приводит к локальному разряду. Когда воздух переходит от сухого состояния к влажному, его изоляционные способности снижаются [10], что снижает критическую равномерную напряженность пробоя ниже 3 кВ/мм. Кроме того, сильно неравномерное распределение электрического поля еще больше снижает критическую напряженность пробоя воздуха, увеличивая вероятность и риск пробоя. Для снижения влияния внешних факторов на воздушную изоляционную среду и улучшения равномерности поля данное исследование оценивает степень равномерности электрического поля и уровень выдерживаемого напряжения через изоляционный разрыв, что служит основой для повышения изоляционной способности разрыва.
3 Характеристики воздушной изоляции
3.1 Определение коэффициента неравномерности электрического поля
На практике идеально равномерное электрическое поле не существует; все электрические поля по своей природе неравномерны. На основе коэффициента неравномерности электрического поля f электрические поля классифицируются на два типа: когда f ≤ 4, поле считается слабо неравномерным; когда f > 4, оно считается сильно неравномерным. Коэффициент неравномерности f определяется как f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, где Eₘₐₓ — максимальная локальная напряженность электрического поля, полученная из пикового значения в результатах моделирования, а Eₐᵥ — средняя напряженность электрического поля, рассчитываемая как приложенное напряжение, деленное на минимальный электрический зазор.
Из рисунка 3 видно, что Eₘₐₓ = 7,07 кВ/мм, а Eₐᵥ = 0,5 кВ/мм. Таким образом, коэффициент неравномерности электрического поля в изоляционном разрыве составляет f = 14,14 > 4, что указывает на сильно неравномерное электрическое поле. В областях с сильно неравномерным полем могут происходить стабильные локальные разряды, и чем выше степень неравномерности, тем более выражены локальные разряды и тем больше их величина. Для 12-киловольтного кольцевого главного распределительного устройства требуется, чтобы суммарное количество локальных разрядов во всем шкафу было меньше 20 пК [5,11]. Поэтому снижение коэффициента неравномерности электрического поля помогает уменьшить уровень локальных разрядов.
3.2 Определение выдерживаемого напряжения воздуха
Коэффициент неравномерности электрического поля влияет на выдерживаемое напряжение сухого воздуха. При слабо неравномерном поле выдерживаемое напряжение равно:
где U — выдерживаемое напряжение; d — минимальный электрический зазор между электродами; k — коэффициент надежности, обычно находящийся в диапазоне от 1,2 до 1,5 на основе опыта; E₀ — напряженность электрического поля, при которой происходит пробой газа. На практике эта напряженность пробоя зависит от конкретной конфигурации двух электродов, и напряженность пробоя воздуха изменяется в зависимости от различных структур электродов и расстояний между ними. Для целей сравнительного анализа в данной работе предполагается, что E₀ = 3 кВ/мм. Как указано в уравнении (1), увеличение минимального электрического зазора d и уменьшение коэффициента неравномерности электрического поля f могут повысить выдерживаемое напряжение воздушной изоляционной среды.
При работе с сильно неравномерным электрическим полем, для электродов с минимальным электрическим зазором в пределах 100 мм, выдерживаемое напряжение рассчитывается следующим образом:
В формуле U50%(d) представляет собой 50%-ное напряжение пробоя электрода при определенном электрическом зазоре d при испытаниях на удар молнии. В сильно неравномерных электрических полях наблюдается значительное рассеяние напряжений пробоя и более длительные временные задержки разряда, что делает напряжение пробоя очень нестабильным. В практических инженерных приложениях U50%(d) определяется путем проведения множественных испытаний на удар молнии и идентификации приложенного напряжения, при котором вероятность пробоя составляет 50%. Это значение тесно связано с конструкцией продукта и равномерностью электрического поля. Установлено, что более низкий коэффициент неравномерности электрического поля приводит к меньшему рассеянию напряжения пробоя, более высокому напряжению пробоя и, следовательно, более высокому выдерживаемому напряжению. Поэтому снижение коэффициента неравномерности электрического поля благоприятствует повышению выдерживаемого напряжения изоляционного разрыва.
4 Структурная оптимизация
Для улучшения равномерности электрического поля вокруг острия изоляционного ножа и снижения коэффициента неравномерности электрического поля была проведена оптимизация структуры градуировочных экранов. Модели градуировочных экранов до и после оптимизации показаны на рисунке 5, а сечения представлены на рисунке 6. Как видно из рисунка 6, по сравнению с предварительным дизайном, оптимизированный градуировочный экран имеет более толстый конец с закругленными углами, увеличивая радиус угла с 0,75 мм до 4 мм. Это улучшение увеличивает радиус кривизны, способствуя более равномерному распределению электрического поля. Распределение напряженности электрического поля вокруг оптимизированного острия изоляционного ножа показано на рисунке 7. Из этого рисунка видно, что максимальная напряженность электрического поля снизилась до 3,66 кВ/мм, что примерно вдвое меньше ее исходного значения, что указывает на значительное улучшение.
Согласно упомянутой формуле f=Emax/Eav, коэффициент неравномерности электрического поля после оптимизации составляет 7,32, что примерно вдвое меньше, чем до оптимизации.
Это указывает на значительное улучшение равномерности электрического поля вокруг острия изоляционного ножа, что демонстрирует эффективность структурной оптимизации. Сравнение данных до и после оптимизации градуировочных экранов показано в таблице 1. Как видно из таблицы 1, оптимизированная структура градуировочных экранов действительно снижает риск пробоя между изоляционными разрывами. Однако электрическое поле между изоляционными разрывами остается сильно неравномерным, что означает, что его выдерживаемое напряжение все еще определяется U50%(d). Степень улучшения выдерживаемого напряжения можно подтвердить дальнейшими испытаниями на месте.
5 Экспериментальная проверка
Для проверки эффективности имитационного анализа были проведены испытания на локальные разряды на 12-киловольтном воздушно-изолированном кольцевом главном распределительном устройстве. Было подготовлено три опытных образца (№ 1-3). Сначала были проведены испытания на локальные разряды с установкой оригинальных (до оптимизации) градуировочных экранов на изоляционные ножи всех трех образцов. Затем были установлены оптимизированные градуировочные экраны, и испытания были повторены. Полученные данные по локальным разрядам представлены в таблице 2.
Как показано в таблице, уровни локальных разрядов до оптимизации превышали 20 пК, а после оптимизации они были снижены до менее 4,5 пК. Это указывает на то, что оптимизированная структура градуировочных экранов эффективно повышает изоляционные характеристики кольцевого главного распределительного устройства и подтверждает правильность предшествующего моделирования и анализа.
6 Заключение
На основе анализа электрического поля в изоляционном разрыве 12-киловольтного воздушно-изолированного кольцевого главного распределительного устройства сделаны следующие выводы:
Поскольку изоляционные способности воздуха ниже, чем у SF₆, улучшение распределения электрического поля необходимо для повышения изоляционных характеристик, когда воздух используется в качестве изоляционной среды в трехпозиционных выключателях кольцевых главных распределительных устройств.
Из-за структурной сложности подвижных компонентов (изоляционных ножей) в трехпозиционных выключателях воздушно-изолированных кольцевых главных распределительных устройств, распределение напряженности электрического поля в определенных местах может быть сильно неравномерным. Для снижения этой неравномерности можно добавить градуировочные экраны по обе стороны изоляционного ножа, чтобы защитить области с высоким полем рядом с соединительными частями ножа, перемещая место максимальной напряженности на концы градуировочных экранов. В данном исследовании увеличение радиуса кривизны на конце экрана с 0,75 мм до 4 мм снизило как максимальную локальную напряженность электрического поля, так и коэффициент неравномерности электрического поля примерно вдвое, достигнув желаемого эффекта оптимизации.
Равномерность распределения электрического поля, или коэффициент неравномерности электрического поля, существенно влияет на локальные и пробойные разряды. В сильно неравномерных полях часто происходят стабильные локальные разряды (коронный разряд). В слабо и сильно неравномерных полях более высокий коэффициент неравномерности приводит к более низкому выдерживаемому напряжению между электродами.
