Smanjenje rizika od iskriva u 12 kV zrakoomotanih RMU pomoću dizajna ekraniranja razmaka
Ovaj rad uzima primarnu izolacionu prekidnicu određenog tipa 12kV zračno-izolovanog kružnog glavnog uređaja (RMU) kao objekat istraživanja, analizirajući raspodelu i uniformnost električnog polja oko nje, procenjujući izolacione performanse na tom mestu, smanjujući rizik od iscrpljenja i unapređujući izolacione performanse putem strukturne optimizacije, time pružajući referentnu tačku za dizajn izolacije sličnih proizvoda.
1 Struktura zračno-izolovanog kružnog glavnog uređaja
Trodimenzionalni strukturni model zračno-izolovanog RMU koji se proučava u ovom radu prikazan je na Slici 1. Glavna kola koristi konfiguraciju kombinovanu vakuumskog prekidača sa tri-pozicionim prekidačem, raspoređenu sa tri-pozicionim prekidačem na strani matične šine—odnosno, tri-pozicioni prekidač se nalazi u gornjem delu RMU, dok je vakuumski prekidač montiran u donjem delu u čvrsto-zapečenoj stubastoj strukturi. Budući da je vakuumski prekidač zaprutan unutar stuba, njegova spoljnja površina je izolovana epoksidnom smolom, koja ima značajno bolje izolacione osobine od zraka, time zadovoljavajući izolacione zahteve.
Dodatno, spojna šina na mjestu zapečenja čvrsto-zapečenog stuba koristi zakrivljene ivice i lukasti dizajn, kombinovane sa silikonsko-gumskim zapečanjem, efektivno smanjujući probleme parcijalnog iscrpljenja u toj oblasti. Izolacioni razmaci između šina i do zemlje su dizajnirani prema relevantnim izolacionim standardima i zadovoljavaju regulativne zahteve.
Izolacioni ležaj tri-pozicionog prekidača zavisi o zraku kao izolacionom mediju. Kao pokretni spoj, njegova struktura uključuje metalne dijelove poput pinova, opruga, disk-opruga i kolaca kako bi se povećao kontakt-ni pritisak između izolacionih kontakata. Međutim, zbog složenih oblika ovih metalnih dijelova, raspodela električnog polja može postati vrlo neuniformna, dovodeći do parcijalnog iscrpljenja i potencijalnog rizika od propadanja, što negativno utiče na izolacione performanse na tom mestu.
Stoga je električki dizajn ove strukture posebno kritičan. Prema zahtevima dizajna proizvoda, izolaciona prekidnica mora izdržati napon kratkotrajne snage industrijske frekvencije od 50kV, sa minimalnim dizajniranim električnim razmakom od 100mm. Uzimajući u obzir složenost strukture izolacionog ležaja, dodate su gradijentne štitove sa obe strane ležaja kako bi se poboljšala uniformnost električnog polja i smanjio parcijalni isporas. Trodimenzionalni model tri-pozicionog prekidača prikazan je na Slici 2. Ovaj rad vrši simulaciju električnog polja na ovoj izolacionoj prekidnici.
2 Simulacija i analiza
Korišćen je softver za metodu konačnih elemenata za simulaciju električnog polja na kružnom glavnom uređaju, analizirajući raspodelu jakosti električnog polja na izolacionoj prekidnici pod navedenim naponom kratkotrajne snage industrijske frekvencije od 50 kV. Razmatrano je dva slučaja simulacije elektrostatičkog polja:
Slučaj 1: Strana matične šine (strana fiksiranog izolacionog kontakta) je na niskom potencijalu (0 V), a strana linije (strana vrha izolacionog ležaja) je na visokom potencijalu (50 kV).
Slučaj 2: Strana matične šine (strana fiksiranog izolacionog kontakta) je na visokom potencijalu (50 kV), a strana linije (strana vrha izolacionog ležaja) je na niskom potencijalu (0 V).
Raspodela električnog polja na lokaciji maksimalne jakosti električnog polja za oba slučaja dobijena je putem simulacije. Raspodela jakosti električnog polja na vrhu izolacionog ležaja u Slučaju 1 prikazana je na Slici 3, a raspodela na fiksiranom izolacionom kontaktu u Slučaju 2 prikazana je na Slici 4. U Slučaju 1, maksimalna jakost električnog polja javlja se na kraju gradijentnog štita, dostizajući 7,07 kV/mm; u Slučaju 2, maksimum se javlja na zakrivljenom rubu fiksiranog izolacionog kontakta, sa vrednošću 4,90 kV/mm.
Tipična kritična jakost električnog polja za propadanje zraka iznosi 3 kV/mm. Kao što je prikazano na Slikama 3 i 4, dok je jakost električnog polja u većini oblasti izolacione prekidnice ispod 3 kV/mm—nedovoljno da dovede do propadanja—lokalične regije prelaze ovu granicu, dovodeći do parcijalnog iscrpljenja. Kada zrak promeni stanje od suhog do vlaznog, njegova izolaciona sposobnost opada [10], smanjujući kritičnu uniformnu jakost električnog polja ispod 3 kV/mm. Takođe, vrlo neuniformna raspodela električnog polja dalje smanjuje kritičnu jakost električnog polja za propadanje, povećavajući verovatnoću i rizik od propadanja. Da bi se smanjilo uticaj spoljnjih faktora na zračnu izolacionu medijum i poboljšala uniformnost polja, ovo istraživanje procenjuje stepen uniformnosti električnog polja i nivo otpornosti na napon izolacione prekidnice, kao osnovu za unapređenje izolacionih sposobnosti prekidnice.
3 Karakteristike zračne izolacije
3.1 Određivanje koeficijenta neuniformnosti električnog polja
Na praktičnom nivou, savršeno uniformno električno polje ne postoji; sva električna polja su po svojoj prirodi neuniformna. Na osnovu koeficijenta neuniformnosti električnog polja f, električna polja se dele na dva tipa: kada je f ≤ 4, polje se smatra blago neuniformnim; kada je f > 4, polje se smatra vrlo neuniformnim. Koeficijent neuniformnosti f definisan je kao f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, gde je Eₘₐₓ maksimalna lokalna jakost električnog polja, dobijena iz vrhunskih vrednosti u rezultatima simulacije, a Eₐᵥ je prosečna jakost električnog polja, izračunata kao primenjeni napon podeljen minimalnim električnim razmakom.
Iz Slike 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm i Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Stoga, koeficijent neuniformnosti električnog polja na izolacionoj prekidnici iznosi f = 14,14 > 4, što ukazuje na vrlo neuniformno električno polje. U regionima sa vrlo neuniformnim poljima, može doći do stabilnog parcijalnog iscrpljenja, i što je stepen neuniformnosti veći, to je izraženiji parcijalni iscrpljenje i veća magnituda iscrpljenja. Za 12 kV kružni glavni uređaj, ukupna količina parcijalnog iscrpljenja cele skrinje treba da bude manja od 20 pC [5,11]. Stoga, smanjenje koeficijenta neuniformnosti električnog polja doprinosi smanjenju razine parcijalnog iscrpljenja.
3.2 Određivanje otpornosti na napon zraka
Koeficijent neuniformnosti električnog polja utiče na otpornost na napon suhog zraka. Kada je polje blago neuniformno, otpornost na napon je:
gde U označava otpornost na napon; d predstavlja minimalni električni razmak između elektroda; k je faktor pouzdanosti, obično u opsegu od 1,2 do 1,5 na osnovu iskustva; a E₀ se odnosi na dielektričnu slomnu jakost gasa. Na praktičnom nivou, ova slomna jakost zavisi od specifične konfiguracije dva elektroda, a slomna jakost zraka varira u zavisnosti od strukture elektroda i razmaka između njih. Radi usporedne analize, ovaj rad pretpostavlja E₀ = 3 kV/mm. Kao što pokazuje Jednačina (1), povećanje minimalnog električnog razmaka d i smanjenje koeficijenta neuniformnosti električnog polja f mogu obezbediti poboljšanje otpornosti na napon zračne izolacione medija.
Kada se bavi vrlo neuniformnim električnim poljem, za elektrode sa minimalnim električnim razmakom u opsegu od 100 mm, otpornost na napon se izračunava na sledeći način:
U formuli, U50%(d) predstavlja 50% slomni napon elektroda pod određenim električnim razmakom d tokom testova impulsnog udara. U vrlo neuniformnim električnim poljima, postoji značajna disperzija slomnih napona i duži vremenski lagani iscrpljenja, čime se slomni napon postaje vrlo nestabilan. U praktičnim inženjerskim aplikacijama, U50%(d) se određuje izvršavanjem više testova impulsnog udara i identifikacijom primenjenog napona na kom postoji 50% verovatnoće sloma. Ova vrednost je u tesnoj vezi sa strukturom proizvoda i uniformnošću električnog polja. Utvrđeno je da niži koeficijent neuniformnosti električnog polja dovodi do manje disperzije slomnih napona, većeg slomnog napona, i stoga, veće otpornosti na napon. Stoga, smanjenje koeficijenta neuniformnosti električnog polja koristi za unapređenje otpornosti na napon izolacione prekidnice.
4 Strukturna optimizacija
Da bi se poboljšala uniformnost električnog polja oko vrha izolacionog ležaja i smanjio koeficijent neuniformnosti električnog polja, izvršena je optimizacija strukture gradijentnog štita. Modeli gradijentnog štita pre i posle optimizacije prikazani su na Slici 5, dok su presjeci prikazani na Slici 6. Kao što se može videti na Slici 6, u odnosu na preoptimizacijski dizajn, optimizovani gradijentni štit ima deblji kraj sa zakrivljenim uglovima, povećavajući radijus ugla sa 0,75 mm na 4 mm. Ovo poboljšanje povećava radijus zakrivljenosti, omogućavajući više uniformnu raspodelu električnog polja. Raspodela jakosti električnog polja oko optimizovanog vrha izolacionog ležaja prikazana je na Slici 7. Iz ove slike se može videti da je maksimalna jakost električnog polja smanjena na 3,66 kV/mm, približno polovina njene originalne vrednosti, što ukazuje na značajno poboljšanje.
Prema navedenoj formuli f=Emax/Eav, koeficijent neuniformnosti električnog polja posle optimizacije iznosi 7,32, što je približno polovina u odnosu na pre optimizacije.
Ovo ukazuje na značajno poboljšanje uniformnosti električnog polja oko vrha izolacionog ležaja, pokazujući da je strukturna optimizacija bila efikasna. Uporedba podataka pre i posle optimizacije gradijentnog štita prikazana je u Tabeli 1. Kao što se može videti iz Tabele 1, optimizovana struktura gradijentnog štita zaista smanjuje rizik od propadanja između izolacionih prekidnica. Međutim, električno polje između izolacionih prekidnica ostaje vrlo neuniformno, što znači da njegova otpornost na napon još uvek je određena sa U50%(d). Stepenu poboljšanja otpornosti na napon može se dalje potvrditi putem terenskih testiranja.
Ovaj prevod održava tehničke detalje i kontekst date u originalnom tekstu, osiguravajući jasnost i preciznost za englesko govoreću publiku.
5 Eksperimentalna verifikacija
Da bi se potvrdila efikasnost simulacije i analize, testovi parcijalnog iscrpljenja su izvršeni na 12 kV zračno-izolovanom kružnom glavnom uređaju. Pripremljene su tri prototipske jedinice (broj 1 do broj 3). Testovi parcijalnog iscrpljenja su prvo izvršeni sa originalnim (pre-optimizacijskim) gradijentnim štitima instaliranim na izolacionim ležajevima svih tri jedinice. Zatim su instalirani optimizovani gradijentni štiti, i testovi su ponovljeni. Rezultujući podaci o parcijalnom iscrpljenju prikazani su u Tabeli 2.
Kao što se vidi iz tabele, nivoi parcijalnog iscrpljenja pre optimizacije su svi premašili 20 pC, dok su nakon optimizacije smanjeni ispod 4,5 pC. To ukazuje da optimizovana struktura gradijentnog štita efikasno unapređuje izolacione performanse kružnog glavnog uređaja i potvrđuje važnost prethodne simulacije i analize.
6 Zaključak
Na osnovu analize električnog polja izolacione prekidnice u 12 kV zračno-izolovanom kružnom glavnom uređaju, izvučeni su sledeći zaključci:
Budući da je izolaciona sposobnost zraka slabija od SF₆, poboljšanje raspodele električnog polja je neophodno za unapređenje izolacionih performansi kada se zrak koristi kao izolaciona medijum u tri-pozicionim prekidačima kružnih glavnih uređaja.
Zbog složenosti pokretnih komponenti (izolacionih ležaja) u tri-pozicionim prekidačima zračno-izolovanih kružnih glavnih uređaja, raspodela jakosti električnog polja na određenim lokacijama može postati vrlo neuniformna. Da bi se smanjila ova neuniformnost, gradijentni štiti mogu biti dodati sa obe strane izolacionog ležaja kako bi se ekranirale regije visokog polja oko spojnih dijelova ležaja, prebacujući lokaciju vrhunskog polja na krajeve gradijentnih štitova. U ovom istraživanju, povećanje radijusa zakrivljenosti na kraju štita sa 0,75 mm na 4 mm smanjilo je i maksimalnu lokalnu jakost električnog polja i koeficijent neuniformnosti električnog polja na približno polovinu njihovih originalnih vrednosti, dostižući željeni efekat optimizacije.
Uniformnost raspodele električnog polja, ili koeficijent neuniformnosti električnog polja, značajno utiče na parcijalno i propadajuće iscrpljenje. Vrlo neuniformna polja teže da proizvode stabilno parcijalno iscrpljenje (koronalno iscrpljenje). U oba blago i vrlo neuniformna polja, veći koeficijent neuniformnosti dovodi do niže otpornosti na napon između elektroda.
