การลดความเสี่ยงจากการปล่อยประจุใน RMUs ที่ใช้อากาศเป็นฉนวน 12 kV โดยใช้การออกแบบชิลด์แบ่งระดับ
บทความนี้ใช้การแยกหลักของวงจรป้อนกำลังในหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลังที่ใช้อากาศเป็นฉนวน (RMU) ชนิดหนึ่งที่มีแรงดัน 12kV เป็นวัตถุประสงค์ในการวิจัย โดยวิเคราะห์การกระจายของสนามไฟฟ้าและความสม่ำเสมอรอบ ๆ บริเวณนั้น ประเมินประสิทธิภาพของฉนวนที่ตำแหน่งนี้ และลดความเสี่ยงของการปล่อยประจุโดยการปรับปรุงโครงสร้าง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของฉนวน ทำให้เป็นแนวทางสำหรับการออกแบบฉนวนของผลิตภัณฑ์ที่คล้ายกัน
1 โครงสร้างของหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลังที่ใช้อากาศเป็นฉนวน
โมเดลโครงสร้างสามมิติของ RMU ที่ใช้อากาศเป็นฉนวนที่ศึกษาในบทความนี้แสดงในรูปที่ 1 วงจรหลักใช้การกำหนดค่าโดยรวมสวิตช์สุญญากาศกับสวิตช์สามตำแหน่ง วางสวิตช์สามตำแหน่งไว้ทางด้านบัสบาร์ นั่นคือ สวิตช์สามตำแหน่งอยู่ที่ส่วนบนของ RMU ในขณะที่สวิตช์สุญญากาศติดตั้งอยู่ที่ส่วนล่างในโครงสร้างเสาที่ปิดผนึกแน่น เนื่องจากสวิตช์สุญญากาศถูกปิดผนึกภายในเสา ภายนอกของสวิตช์จะได้รับฉนวนด้วยเรซินอีพ็อกซี่ ซึ่งมีคุณสมบัติฉนวนที่ดีกว่าอากาศมาก ทำให้สามารถตอบสนองต่อความต้องการฉนวนได้
นอกจากนี้ บัสบาร์เชื่อมต่อที่จุดปิดผนึกของเสาที่ปิดผนึกแน่นใช้ขอบโค้งและออกแบบเป็นรูปโค้ง ประกอบกับการปิดผนึกด้วยยางซิลิโคน ช่วยลดปัญหาการปล่อยประจุบางส่วนในบริเวณนี้ การแยกฉนวนระหว่างบัสบาร์และไปยังพื้นถูกออกแบบตามมาตรฐานฉนวนที่เกี่ยวข้องและปฏิบัติตามข้อกำหนด
ใบมีดแยกของสวิตช์สามตำแหน่งพึ่งพาอากาศเป็นสารฉนวน เมื่อเป็นส่วนเชื่อมต่อที่เคลื่อนไหว โครงสร้างของมันประกอบด้วยชิ้นส่วนโลหะเช่น หมุด สปริง แผ่นสปริง และแหวนล็อค เพื่อเพิ่มแรงกดระหว่างตัวติดต่อแยก แต่เนื่องจากชิ้นส่วนโลหะเหล่านี้มีรูปร่างที่ซับซ้อน ทำให้การกระจายของสนามไฟฟ้าอาจไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วนและการเสี่ยงต่อการแตกหัก ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของฉนวนที่ตำแหน่งนี้
ดังนั้น การออกแบบไฟฟ้าของโครงสร้างนี้จึงมีความสำคัญมาก เนื่องจากตามข้อกำหนดการออกแบบผลิตภัณฑ์ ช่องแยกต้องทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูงสั้น ๆ ที่ 50kV พร้อมระยะทางไฟฟ้าขั้นต่ำที่ออกแบบไว้ 100mm ด้วยความซับซ้อนของโครงสร้างใบมีดแยก จึงเพิ่มเกรดชีลด์ทั้งสองข้างของใบมีดเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าและลดการปล่อยประจุบางส่วน โมเดลสามมิติของสวิตช์สามตำแหน่งแสดงในรูปที่ 2 บทความนี้ทำการวิเคราะห์จำลองสนามไฟฟ้าที่ช่องแยกนี้
2 การวิเคราะห์จำลอง
ใช้ซอฟต์แวร์องค์ประกอบจำกัดเพื่อทำการจำลองสนามไฟฟ้าบนหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลัง วิเคราะห์การกระจายของความเข้มสนามไฟฟ้าที่ช่องแยกภายใต้แรงดันไฟฟ้าสั้น ๆ ที่กำหนด 50 kV แบ่งออกเป็นกรณีจำลองสนามไฟฟ้าสถิต 2 กรณี:
กรณี 1: ด้านบัสบาร์ (ด้านติดต่อแยกที่ตรึงอยู่) มีศักย์ต่ำ (0 V) และด้านสาย (ปลายใบมีดแยก) มีศักย์สูง (50 kV)
กรณี 2: ด้านบัสบาร์ (ด้านติดต่อแยกที่ตรึงอยู่) มีศักย์สูง (50 kV) และด้านสาย (ปลายใบมีดแยก) มีศักย์ต่ำ (0 V)
การกระจายของสนามไฟฟ้าที่ตำแหน่งที่มีความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดสำหรับทั้งสองกรณีได้จากการจำลอง ความเข้มสนามไฟฟ้าที่ปลายใบมีดแยกในกรณี 1 แสดงในรูปที่ 3 และการกระจายที่ติดต่อแยกที่ตรึงอยู่ในกรณี 2 แสดงในรูปที่ 4 ในกรณี 1 ความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดเกิดขึ้นที่ปลายเกรดชีลด์ คือ 7.07 kV/mm ในกรณี 2 ความเข้มสูงสุดเกิดขึ้นที่ขอบโค้งของติดต่อแยกที่ตรึงอยู่ คือ 4.90 kV/mm
ความเข้มสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกหักแบบปกติสำหรับอากาศคือ 3 kV/mm จากรูปที่ 3 และ 4 แม้ว่าความเข้มสนามไฟฟ้าในส่วนใหญ่ของช่องแยกจะต่ำกว่า 3 kV/mm ซึ่งไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการแตกหัก แต่ในบางพื้นที่ที่มีความเข้มสูงกว่าค่าดังกล่าว ทำให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วน เมื่ออากาศเปลี่ยนจากแห้งเป็นชื้น ความสามารถในการฉนวนของอากาศจะลดลง [10] ทำให้ความเข้มสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกหักแบบสม่ำเสมอต่ำกว่า 3 kV/mm นอกจากนี้ การกระจายสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมากยังลดความเข้มสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกหัก ทำให้ความเสี่ยงของการแตกหักเพิ่มขึ้น เพื่อลดผลกระทบของปัจจัยภายนอกต่อสารฉนวนอากาศและเพิ่มความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า งานวิจัยนี้ประเมินระดับความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าและระดับแรงดันที่ทนทานของช่องแยก เพื่อเป็นพื้นฐานในการเพิ่มความสามารถในการฉนวนของช่องแยก
3 ลักษณะฉนวนอากาศ
3.1 การกำหนดค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า
ในทางปฏิบัติ สนามไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบสม่ำเสมอไม่มีอยู่ สนามไฟฟ้าทั้งหมดมีความไม่สม่ำเสมออยู่แล้ว ตามสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า f สนามไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: เมื่อ f ≤ 4 สนามไฟฟ้าถือว่ามีความไม่สม่ำเสมอเล็กน้อย เมื่อ f > 4 ถือว่ามีความไม่สม่ำเสมอสูง สัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอ f กำหนดเป็น f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ ที่ Eₘₐₓ คือ ความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดท้องถิ่น ได้จากค่าสูงสุดในผลการจำลอง และ Eₐᵥ คือ ความเข้มสนามไฟฟ้าเฉลี่ย คำนวณจากแรงดันที่ใช้หารด้วยระยะทางไฟฟ้าขั้นต่ำ
จากรูปที่ 3 Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm และ Eₐᵥ = 0.5 kV/mm ดังนั้น สัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าที่ช่องแยกคือ f = 14.14 > 4 แสดงว่าสนามไฟฟ้ามีความไม่สม่ำเสมอสูง ในพื้นที่ที่สนามไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอสูง สามารถเกิดการปล่อยประจุบางส่วนที่มั่นคง และยิ่งความไม่สม่ำเสมอสูงเท่าไร การปล่อยประจุบางส่วนจะชัดเจนและมีขนาดปล่อยประจุมากขึ้น สำหรับหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลัง 12 kV ปริมาณการปล่อยประจุบางส่วนทั้งหมดของตู้ต้องน้อยกว่า 20 pC [5,11] ดังนั้น การลดสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าช่วยลดระดับการปล่อยประจุบางส่วน
3.2 การกำหนดแรงดันที่ทนทานของอากาศ
สัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้ามีผลต่อแรงดันที่ทนทานของอากาศแห้ง เมื่อสนามไฟฟ้ามีความไม่สม่ำเสมอเล็กน้อย แรงดันที่ทนทานคือ:
ที่ U หมายถึง แรงดันที่ทนทาน d หมายถึง ระยะทางไฟฟ้าขั้นต่ำระหว่างอิเล็กโทรด k คือ ปัจจัยความเชื่อถือ ทั่วไปอยู่ในช่วง 1.2 ถึง 1.5 ตามประสบการณ์ และ E₀ หมายถึง ความเข้มสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกหักของแก๊ส ในทางปฏิบัติ ความเข้มสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกหักนี้ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าเฉพาะของอิเล็กโทรดทั้งสอง และความเข้มสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกหักของอากาศเปลี่ยนแปลงตามโครงสร้างอิเล็กโทรดและระยะทางไฟฟ้าขั้นต่ำ สำหรับการวิเคราะห์เปรียบเทียบ บทความนี้กำหนด E₀ = 3 kV/mm ตามสมการ (1) การเพิ่มระยะทางไฟฟ้าขั้นต่ำ d และการลดสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า f สามารถเพิ่มแรงดันที่ทนทานของสารฉนวนอากาศได้ทั้งสอง
เมื่อต้องการจัดการกับสนามไฟฟ้าที่มีความไม่สม่ำเสมอสูง สำหรับอิเล็กโทรดที่มีระยะทางไฟฟ้าขั้นต่ำในช่วง 100 มม. แรงดันที่ทนทานคำนวณดังนี้:
ในสูตร U50%(d) หมายถึง แรงดันที่ทำให้เกิดการแตกหัก 50% ของอิเล็กโทรดภายใต้ระยะทางไฟฟ้าขั้นต่ำ d ในการทดสอบแรงดันกระแทกฟ้าผ่า ในสนามไฟฟ้าที่มีความไม่สม่ำเสมอสูง มีการกระจายของแรงดันที่ทำให้เกิดการแตกหักและเวลาล่าช้าในการปล่อยประจุมาก ทำให้แรงดันที่ทำให้เกิดการแตกหักไม่เสถียร ในทางปฏิบัติวิศวกรรม U50%(d) กำหนดโดยการทดสอบแรงดันกระแทกฟ้าผ่าหลายครั้งและระบุแรงดันที่ใช้ที่มีโอกาส 50% ที่จะทำให้เกิดการแตกหัก ค่าดังกล่าวมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับโครงสร้างของผลิตภัณฑ์และความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า พบว่า สัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าที่ต่ำลงทำให้การกระจายของแรงดันที่ทำให้เกิดการแตกหักน้อยลง แรงดันที่ทำให้เกิดการแตกหักสูงขึ้น และแรงดันที่ทนทานสูงขึ้น ดังนั้น การลดสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้ามีประโยชน์ในการเพิ่มแรงดันที่ทนทานของช่องแยก
4 การปรับปรุงโครงสร้าง
เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้ารอบปลายใบมีดแยกและลดสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า ได้ดำเนินการปรับปรุงโครงสร้างเกรดชีลด์ โมเดลของเกรดชีลด์ก่อนและหลังการปรับปรุงแสดงในรูปที่ 5 ในขณะที่ภาพตัดขวางแสดงในรูปที่ 6 จากรูปที่ 6 สามารถเห็นได้ว่า เกรดชีลด์ที่ปรับปรุงแล้วมีปลายที่หนาขึ้นและมุมมน ทำให้รัศมีมุมเพิ่มขึ้นจาก 0.75 มม. เป็น 4 มม. การปรับปรุงนี้เพิ่มรัศมีโค้ง ทำให้การกระจายของสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอขึ้น การกระจายของความเข้มสนามไฟฟ้ารอบปลายใบมีดแยกที่ปรับปรุงแล้วแสดงในรูปที่ 7 จากรูปนี้ สามารถเห็นได้ว่า ความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดลดลงเหลือ 3.66 kV/mm ประมาณครึ่งหนึ่งของค่าเดิม ซึ่งแสดงถึงการปรับปรุงที่สำคัญ
ตามสูตรที่กล่าวมา f=Emax/Eav, สัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าหลังการปรับปรุงคือ 7.32 ซึ่งลดลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับก่อนการปรับปรุง
นี่แสดงถึงการปรับปรุงที่สำคัญในความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้ารอบปลายใบมีดแยก ทำให้เห็นว่าการปรับปรุงโครงสร้างมีประสิทธิภาพ ตารางเปรียบเทียบข้อมูลก่อนและหลังการปรับปรุงเกรดชีลด์แสดงในตารางที่ 1 จากตารางนี้ สามารถเห็นได้ว่า เกรดชีลด์ที่ปรับปรุงแล้วช่วยลดความเสี่ยงของการปล่อยประจุบางส่วนระหว่างช่องแยก แต่สนามไฟฟ้าระหว่างช่องแยกยังคงมีความไม่สม่ำเสมอสูง ทำให้แรงดันที่ทนทานยังคงถูกกำหนดโดย U50%(d). ความปรับปรุงในแรงดันที่ทนทานสามารถยืนยันได้ผ่านการทดสอบในสถานที่
5 การตรวจสอบทดลอง
เพื่อยืนยันประสิทธิภาพของการวิเคราะห์จำลอง ได้ทำการทดสอบการปล่อยประจุบางส่วนบนหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลังที่ใช้อากาศเป็นฉนวน 12 kV ได้เตรียมต้นแบบหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลัง 3 ตัว (หมายเลข 1 ถึง 3) ทำการทดสอบการปล่อยประจุบางส่วนก่อนโดยใช้เกรดชีลด์เดิม (ก่อนการปรับปรุง) ติดตั้งบนใบมีดแยกของทั้งสามตัว ต่อมา ติดตั้งเกรดชีลด์ที่ปรับปรุงแล้วและทำการทดสอบซ้ำ ผลการปล่อยประจุบางส่วนแสดงในตารางที่ 2
จากตาราง ปริมาณการปล่อยประจุบางส่วนก่อนการปรับปรุงทั้งหมดเกิน 20 pC ในขณะที่หลังการปรับปรุงลดลงเหลือต่ำกว่า 4.5 pC นี่แสดงว่า เกรดชีลด์ที่ปรับปรุงแล้วช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของฉนวนในหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลัง และยืนยันความถูกต้องของการวิเคราะห์จำลองและวิเคราะห์ที่ผ่านมา
6 สรุป
จากการวิเคราะห์สนามไฟฟ้าที่ช่องแยกในหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลังที่ใช้อากาศเป็นฉนวน 12 kV ได้สรุปดังนี้:
เนื่องจากความสามารถในการฉนวนของอากาศน้อยกว่า SF₆ การปรับปรุงการกระจายของสนามไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของฉนวนเมื่อใช้อากาศเป็นสารฉนวนในสวิตช์สามตำแหน่งของหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลัง
เนื่องจากโครงสร้างที่ซับซ้อนของส่วนเคลื่อนไหว (ใบมีดแยก) ในสวิตช์สามตำแหน่งของหน่วยควบคุมวงจรป้อนกำลังที่ใช้อากาศเป็นฉนวน ความเข้มสนามไฟฟ้าที่บางตำแหน่งอาจมีความไม่สม่ำเสมอสูง เพื่อลดความไม่สม่ำเสมอ สามารถเพิ่มเกรดชีลด์ทั้งสองข้างของใบมีดเพื่อป้องกันพื้นที่ที่มีความเข้มสนามไฟฟ้าสูงใกล้ส่วนเชื่อมต่อของใบมีด ทำให้ตำแหน่งที่มีความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดเปลี่ยนไปที่ปลายของเกรดชีลด์ ในงานวิจัยนี้ การเพิ่มรัศมีโค้งที่ปลายของเกรดชีลด์จาก 0.75 มม. เป็น 4 มม. ช่วยลดความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดท้องถิ่นและสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าลงครึ่งหนึ่งของค่าเดิม ทำให้ได้ผลการปรับปรุงที่ต้องการ
ความสม่ำเสมอของการกระจายสนามไฟฟ้า หรือสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า มีผลต่อการปล่อยประจุบางส่วนและการแตกหัก สนามไฟฟ้าที่มีความไม่สม่ำเสมอสูงมักจะทำให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วน (การปล่อยประจุโคโรนา) ทั้งในสนามไฟฟ้าที่มีความไม่สม่ำเสมอเล็กน้อยและสูง สัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอที่สูงขึ้นทำให้แรงด
