Att Minska Släppningsrisker i 12 kV Luftisolering RMU:er Genom Användning av Graderings-sköld Design

Detta dokument tar den primära isoleringsavbrottet i en viss typ av 12kV luftisoleringss ringhuvudstation (RMU) som forskningsobjekt, analyserar elektriska fältfördelningen och dess jämnhet runt detta, utvärderar isoleringsprestandan vid denna plats, och minskar släckningsrisk samtidigt som isoleringsprestanda förbättras genom strukturell optimering, vilket ger en referens för isoleringsdesign av liknande produkter.

1 Struktur av luftisoleringss ringhuvudstation

Den tredimensionella strukturmodellen av den luftisoleringss RMU som studeras i detta arbete visas i figur 1. Huvudkretsen använder en konfiguration som kombinerar en vakuumutslagsbrytare med en trepositionsbrytare, arrangerad med trepositionsbrytaren på busssidan - det vill säga, trepositionsbrytaren är belägen i övre delen av RMU, medan vakuumutslagsbrytaren är monterad i nedre delen i en solidsealad stångstruktur. Eftersom vakuumutslagsbrytaren är inkapslad inuti stangen, är dess yttre isolerat med epoxidresin, vilket har betydligt bättre isolerande egenskaper än luft, och uppfyller således isoleringskraven.

Dessutom används avrundade kanter och buktformad design vid tillslutningsspårning på solidsealad stang, kombinerat med silikonkautschukssälen, vilket effektivt minskar problem med partiell släckning i denna region. Isoleringsavstånden mellan busbar och jord är utformade enligt relevanta isoleringsstandarder och uppfyller regleringskraven.

Isoleringssliden i trepositionsbrytaren beror på luft som isolerande medium. Som ett rörligt anslutningskomponent inkluderar dess struktur metallkomponenter som pinnar, fjädrar, skivfjädrar och cirklips för att öka kontakttrycket mellan isoleringskontakterna. På grund av dessa metallkomponenters komplexa former kan elektriska fältsfördelningen bli mycket ojämn, vilket leder till partiell släckning och potentiella genombrytningsrisker, vilket negativt påverkar isoleringsprestandan vid denna plats.

Därför är elektriska designen av denna struktur särskilt kritisk. Enligt produktutformningskraven måste isoleringsavbrottet klara av en specificerad kortvarig nätspänningsbelastning på 50kV, med ett minimum av 100mm designat elektriskt avstånd. Givet den komplexa strukturen av isoleringssliden, läggs gradvisa sköldar till på båda sidor av sliden för att förbättra elektriska fälts jämnhet och minska partiell släckning. Den tredimensionella modellen av trepositionsbrytaren visas i figur 2. Detta arbete genomför elektriska fältsimuleringsanalys på detta isoleringsavbrott.

2 Simuleringsanalys

Finita elementprogramvaran användes för att utföra elektriska fältsimulationer på ringhuvudstationen, analysera fördelningen av elektriska fältstyrkan vid isoleringsavbrottet under den angivna 50 kV specifika kortvariga nätspänningsbelastningen. Två fall av elektrostatische fältsimulationer övervägs:

• Fall 1: Bussens sida (isoleringsfast kontaktsida) är vid låg potential (0 V), och linjens sida (isoleringsslidens spets) är vid hög potential (50 kV).

• Fall 2: Bussens sida (isoleringsfast kontaktsida) är vid hög potential (50 kV), och linjens sida (isoleringsslidens spets) är vid låg potential (0 V).

Elektriska fältsfördelningen vid platsen för maximal elektrisk fältstyrka för båda fallen erhölls genom simulering. Fördelningen av elektriska fältstyrkan vid isoleringsslidens spets under Fall 1 visas i figur 3, och fördelningen vid isoleringsfast kontakt under Fall 2 visas i figur 4. I Fall 1 inträffar den maximala elektriska fältstyrkan vid änden av gradvis sköld, uppnår 7,07 kV/mm; i Fall 2 inträffar den maximala vid avrundningen av isoleringsfast kontakt, med ett värde på 4,90 kV/mm.

Den typiska kritiska genombrytningsfältstyrkan för luft är 3 kV/mm. Som visas i figur 3 och 4, medan elektriska fältstyrkor i de flesta områden av isoleringsavbrottet ligger under 3 kV/mm - otillräckligt för att orsaka genombrott - överskrider lokala regioner denna tröskel, vilket leder till partiell släckning. När luft ändras från torr till fuktig, minskar dess isolerande kapacitet [10], vilket sänker den kritiska uniforma genombrytningsfältstyrkan under 3 kV/mm. Dessutom minskar starkt ojämn fördelning av elektriska fält ytterligare den kritiska genombrytningsstyrkan för luft, vilket ökar sannolikheten och risken för genombrott. För att mildra påverkan av externa miljöfaktorer på luftisolering och förbättra fälts jämnhet, utvärderar denna studie graden av elektriska fälts jämnhet och spänningshållningsnivån över isoleringsavbrottet, som grund för att förbättra isoleringskapaciteten hos avbrottet.

3 Luftisoleringsegenskaper

3.1 Bestämning av elektriska fälts ojämnhetkoefficient

I praktiken existerar inte ett fullständigt jämnt elektriskt fält; alla elektriska fält är i grunden ojämna. Baserat på elektriska fälts ojämnhetkoefficient f, klassificeras elektriska fält i två typer: när f ≤ 4 anses fältet vara något ojämnt; när f > 4 anses det vara starkt ojämnt. Ojämnhetkoefficienten f definieras som f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, där Eₘₐₓ är den maximala lokala elektriska fältstyrkan, erhållen från toppvärdet i simuleringsresultaten, och Eₐᵥ är den genomsnittliga elektriska fältstyrkan, beräknad som tillämpad spänning dividerat med det minsta elektriska avståndet.

Från figur 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm och Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Därför är elektriska fälts ojämnhetkoefficienten vid isoleringsavbrottet f = 14,14 > 4, vilket indikerar ett starkt ojämnt elektriskt fält. I områden med starkt ojämnt fält kan stabil partiell släckning inträffa, och ju högre grad av ojämnhet, desto mer framträdande blir partiell släckning och desto större blir släckningsmängden. För en 12 kV ringhuvudstation krävs att den totala mängden partiell släckning för hela kabinen ska vara mindre än 20 pC [5,11]. Således hjälper det att minska elektriska fälts ojämnhetkoefficienten till att minska nivån av partiell släckning.

3.2 Bestämning av lufts spänningshållning

Elektriska fälts ojämnhetkoefficienten påverkar spänningshållningen av torr luft. När fältet är något ojämnt, är spänningshållningen:

där U anger spänningshållning; d representerar det minsta elektriska avståndet mellan elektroder; k är en tillförlitlighetsfaktor, vanligtvis mellan 1,2 och 1,5 baserat på erfarenhet; och E₀ hänvisar till dielektriska genombrytningsfältstyrkan för gasen. I praktiken beror denna genombrytningsfältstyrka på den specifika konfigurationen av de två elektroderna, och luftens genombrytningsstyrka varierar med olika elektrodstrukturen och avstånd. För syfte av jämförande analys antar detta arbete E₀ = 3 kV/mm. Enligt ekvation (1) kan både ökningen av det minsta elektriska avståndet d och minskningen av elektriska fälts ojämnhetkoefficienten f förbättra spänningshållningen av luftisolering.

När det gäller starkt ojämnt elektriskt fält, för elektroder med minsta elektriska avstånd inom 100 mm-intervallet, beräknas spänningshållningen enligt följande:

I formeln representerar U50%(d) 50% genombrytningsspänningen för en elektrod under ett specifikt elektriskt avstånd d under blixtnedslagstester. I starkt ojämna elektriska fält finns det betydande spridning i genombrytningsspänningar och längre släckningstidsfördröjningar, vilket gör genombrytningsspänningen mycket instabil. I praktiska ingenjörstillämpningar fastställs U50%(d) genom att genomföra flera blixtnedslagstester och identifiera den tillämpade spänningen vid vilken det finns en 50% sannolikhet för genombrott. Detta värde är nära relaterat till produktens struktur och elektriska fälts jämnhet. Det är etablerat att en lägre elektriska fälts ojämnhetkoefficient resulterar i mindre spridning i genombrytningsspänning, högre genombrytningsspänning, och därför högre spänningshållning. Således är det gynnsamt att minska elektriska fälts ojämnhetkoefficienten för att förbättra spänningshållningen av isoleringsavbrottet.

4 Strukturell optimering

För att förbättra jämnheten av elektriska fält runt isoleringsslidens spets och minska elektriska fälts ojämnhetkoefficienten, genomfördes optimering av gradvisa sköldstruktur. Modeller av gradvisa sköldar före och efter optimering visas i figur 5, medan tvärsnitt visas i figur 6. Som syns i figur 6, jämfört med pre-optimeringsdesignen, har den optimerade gradvisa skölden en tjockare ände med avrundade kanter, vilket ökar hörnradie från 0,75 mm till 4 mm. Denna förbättring ökar kurvradie, vilket främjar mer jämn fördelning av elektriska fält. Elektriska fältsfördelningen runt den optimerade isoleringsslidens spets illustreras i figur 7. Från denna figur är det tydligt att den maximala elektriska fältstyrkan har minskat till 3,66 kV/mm, ungefär hälften av dess ursprungliga värde, vilket indikerar en märkbar förbättring.

Enligt den nämnda formeln f=Emax/Eavf=Emax/Eav, är ojämnhetkoefficienten för elektriska fält efter optimering 7,32, vilket är ungefär halverat jämfört med före optimering.

Detta indikerar en betydande förbättring av elektriska fälts jämnhet runt isoleringsslidens spets, vilket visar att strukturell optimering var effektiv. En jämförelse av data före och efter optimering av gradvisa sköldar visas i tabell 1. Som syns i tabell 1, reducerar den optimerade gradvisa sköldstrukturen verkligen risken för genombrytnings-släckning mellan isoleringsavbrott. Men elektriska fältet mellan isoleringsavbrott förblir starkt ojämnt, vilket innebär att dess spänningshållning fortfarande bestäms av U50%(d)U50%(d). Omfattningen av förbättring av spänningshållning kan bekräftas ytterligare genom fälttest.

Denna översättning behåller tekniska detaljer och sammanhang från det ursprungliga texten, vilket garanterar klarhet och precision för en engelsktalande publik.

5 Experimentell verifiering

För att verifiera effektiviteten av simuleringen genomfördes partiella släckningstester på en 12 kV luftisoleringss ringhuvudstation. Tre prototypenheter (Nr. 1 till Nr. 3) förbereddes. Partiella släckningstester genomfördes först med ursprungliga (pre-optimerade) gradvisa skölder installerade på isoleringssliderna för alla tre enheter. Sedan installerades de optimerade gradvisa skölderna, och testerna upprepades. De resulterande partiella släckningsdatan presenteras i tabell 2.

Som visas i tabellen, överskred partiella släckningsnivåer före optimering alla 20 pC, medan de efter optimering minskade till under 4,5 pC. Detta indikerar att den optimerade gradvisa sköldstrukturen effektivt förbättrar isoleringsprestandan för ringhuvudstationen och bekräftar giltigheten av den tidigare simuleringen och analysen.

6 Slutsats

Baserat på elektriska fältsanalys av isoleringsavbrottet i en 12 kV luftisoleringss ringhuvudstation, dras följande slutsatser:

• Eftersom luftens isolerande kapacitet är sämre än SF₆:s, är det nödvändigt att förbättra elektriska fältsfördelningen för att förbättra isoleringsprestandan när luft används som isolerande medium i trepositionsbrytare i ringhuvudstationer.

• På grund av den komplexa strukturen av rörliga komponenter (isoleringsslid) i trepositionsbrytare i luftisoleringss ringhuvudstationer, kan elektriska fältstyrkans fördelning på vissa platser bli starkt ojämn. För att minska denna ojämnhet kan gradvisa sköldar läggas till på båda sidor av isoleringssliden för att skydda de högfältregionerna nära slidens anslutningsdelar, vilket flyttar platsen för peakfältstyrkan till ändarna av gradvisa sköldar. I denna studie minskade ökningen av kurvradie vid sköldens ände från 0,75 mm till 4 mm både den maximala lokala elektriska fältstyrkan och elektriska fälts ojämnhetkoefficienten till ungefär hälften av deras ursprungliga värden, vilket uppnår önskad optimeringseffekt.

• Jämnheten av elektriska fältsfördelning, eller elektriska fälts ojämnhetkoefficient, påverkar betydligt partiell och genombrytnings-släckning. Starkt ojämna fält tenderar att producera stabil partiell släckning (korona-släckning). I både något och starkt ojämna fält resulterar en högre ojämnhetkoefficient i lägre spänningshållning mellan elektroder.