Pagbabawas ng mga Panganib sa Pag-discharge sa 12 kV Air-Insulated RMUs Gamit ang disenyo ng Grading Shield
Ang papel na ito ay sumasailalim sa pangunahing paghihiwalay ng isang uri ng 12kV air-insulated ring main unit (RMU) bilang paksa ng pagsusuri, analisa ang pamamahagi at pagkakapare-pareho ng elektrikong field sa paligid nito, pagtatasa ng kakayahan ng insulasyon sa lugar na ito, at pagbabawas ng panganib ng paglabas ng koryente habang pinapabuti ang kakayahang insulate sa pamamagitan ng pag-optimize ng estruktura, na nagbibigay ng sanggunian para sa disenyo ng insulasyon ng mga katulad na produkto.
1 Estruktura ng Air-Insulated Ring Main Unit
Ang tatlong dimensyon na modelo ng estruktura ng air-insulated RMU na sinisiyasat sa papel na ito ay ipinapakita sa Figure 1. Ang pangunahing circuit ay gumagamit ng konfigurasyon na naglalabas ng vacuum switch at three-position switch, na inilalagay ang three-position switch sa gilid ng busbar—i.e., ang three-position switch ay nasa itaas na bahagi ng RMU, habang ang vacuum switch ay nakalagay sa ibaba sa solid-sealed pole structure. Dahil ang vacuum switch ay naka-encapsulate sa loob ng pole, ang labas nito ay may insulasyon ng epoxy resin, na may mas mahusay na kakayahan sa insulasyon kaysa sa hangin, na nasasapat sa mga pangangailangan ng insulasyon.
Karagdagang, ang koneksyon ng busbar sa sealing point ng solid-sealed pole ay gumagamit ng chamfered edges at arc-shaped design, na pinagsama sa silicone rubber sealing, na epektibong nagbabawas ng mga isyu ng partial discharge sa lugar na ito. Ang mga clearance ng insulasyon sa pagitan ng mga busbar at sa lupa ay disenyo ayon sa mga kaugnay na pamantayan ng insulasyon at nasasapat sa mga regulatory requirements.
Ang isolation blade ng three-position switch ay umaasa sa hangin bilang medium ng insulasyon. Bilang isang movable connecting component, ang estrukturanya ay kasama ang mga metal parts tulad ng pins, springs, disc springs, at circlips upang taasin ang contact pressure sa pagitan ng mga isolation contacts. Gayunpaman, dahil sa komplikadong hugis ng mga metal part na ito, ang pamamahagi ng elektrikong field ay maaaring maging hindi pantay, na nagdudulot ng partial discharge at potensyal na panganib ng breakdown, na negatibong nakakaapekto sa kakayahan ng insulasyon sa lugar na ito.
Dahil dito, ang electrical design ng estrukturang ito ay napakritical. Ayon sa mga requirement ng product design, ang isolation break ay dapat matiis ang rated short-time power-frequency withstand voltage na 50kV, na may minimum na designed electrical clearance na 100mm. Dahil sa komplikadong estruktura ng isolation blade, idinagdag ang grading shields sa parehong gilid ng blade upang mapabuti ang pagkakapare-pareho ng elektrikong field at bawasan ang partial discharge. Ang tatlong dimensyon na modelo ng three-position switch ay ipinapakita sa Figure 2. Ang papel na ito ay naglalayong mag-analisa ng simulasyon ng elektrikong field sa isolation break na ito.
2 Pagsusuri ng Simulasyon
Ginamit ang software ng finite element upang magsagawa ng simulasyon ng elektrikong field sa ring main unit, na nag-aanalisa ng pamamahagi ng lakas ng elektrikong field sa isolation break sa ilalim ng tinukoy na 50 kV rated short-time power-frequency withstand voltage. Ipinag-isa ang dalawang kaso ng electrostatic field simulation:
Kaso 1: Ang gilid ng busbar (isolation fixed contact side) ay nasa mababang potential (0 V), at ang gilid ng line (isolation blade tip side) ay nasa mataas na potential (50 kV).
Kaso 2: Ang gilid ng busbar (isolation fixed contact side) ay nasa mataas na potential (50 kV), at ang gilid ng line (isolation blade tip side) ay nasa mababang potential (0 V).
Nakuha ang pamamahagi ng elektrikong field sa lugar ng pinakamataas na lakas ng elektrikong field para sa parehong kaso sa pamamagitan ng simulasyon. Ang pamamahagi ng lakas ng elektrikong field sa isolation blade tip sa ilalim ng Kaso 1 ay ipinapakita sa Figure 3, at ang pamamahagi sa isolation fixed contact sa ilalim ng Kaso 2 ay ipinapakita sa Figure 4. Sa Kaso 1, ang pinakamataas na lakas ng elektrikong field ay nangyayari sa dulo ng grading shield, na umabot sa 7.07 kV/mm; sa Kaso 2, ang pinakamataas ay nangyayari sa chamfered edge ng isolation fixed contact, na may halaga na 4.90 kV/mm.
Ang typical critical breakdown electric field strength para sa hangin ay 3 kV/mm. Tulad ng ipinapakita sa Figures 3 at 4, habang ang lakas ng elektrikong field sa maramihang lugar ng isolation break ay nasa ibaba ng 3 kV/mm—insufficient upang makapag-cause ng breakdown—localized regions ay lumalampas sa threshold na ito, na nagdudulot ng partial discharge. Kapag ang hangin ay nagbago mula sa dry to humid conditions, ang kakayahan nito sa insulasyon ay bumababa [10], na nagbabawas ng critical uniform breakdown field strength sa ibaba ng 3 kV/mm. Karagdagang, ang highly non-uniform electric field distribution ay nagpapababa pa ng critical breakdown strength ng hangin, na nagpapataas ng likelihood at panganib ng breakdown. Upang mabawasan ang impact ng external environmental factors sa air insulation medium at mapabuti ang field uniformity, ang pag-aaral na ito ay nagtatala ng degree ng electric field uniformity at ng withstand voltage level sa buong isolation break, na nagbibigay ng basehan para sa pagpapabuti ng kakayahang insulate ng break.
3 Katangian ng Insulasyon ng Hangin
3.1 Pagpapasya ng Coefficient ng Non-Uniform Electric Field
Sa praktikal, ang perpektong uniform na elektrikong field ay hindi umiiral; lahat ng elektrikong field ay natural na non-uniform. Batay sa coefficient ng non-uniform electric field f, ang elektrikong field ay binubuo ng dalawang uri: kapag f ≤ 4, ang field ay itinuturing na slightly non-uniform; kapag f > 4, ito ay itinuturing na highly non-uniform. Ang coefficient ng non-uniformity f ay inilalarawan bilang f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, kung saan Eₘₐₓ ay ang pinakamataas na lokal na lakas ng elektrikong field, na nakuha mula sa peak value sa resulta ng simulasyon, at Eₐᵥ ay ang average na lakas ng elektrikong field, na kalkulado bilang ang applied voltage na hinati ng minimum electrical clearance.
Mula sa Figure 3, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm at Eₐᵥ = 0.5 kV/mm. Kaya, ang coefficient ng non-uniform electric field sa isolation break ay f = 14.14 > 4, na nagpapahiwatig ng highly non-uniform na elektrikong field. Sa mga rehiyon na may highly non-uniform fields, maaaring mangyari ang stable partial discharge, at ang mas mataas ang degree ng non-uniformity, mas malinaw ang partial discharge at mas malaki ang magnitude ng discharge. Para sa 12 kV ring main unit, ang kabuuang partial discharge quantity ng buong cabinet ay kinakailangang maging mas mababa sa 20 pC [5,11]. Kaya, ang pagbabawas ng coefficient ng non-uniform electric field ay tumutulong sa pagbawas ng lebel ng partial discharge.
3.2 Pagpapasya ng Withstand Voltage ng Hangin
Ang coefficient ng non-uniform electric field ay nakakaapekto sa withstand voltage ng dry air. Kapag ang field ay slightly non-uniform, ang withstand voltage ay:
kung saan U ay tumutukoy sa withstand voltage; d ay kumakatawan sa minimum electrical clearance sa pagitan ng mga electrode; k ay isang reliability factor, karaniwang nasa range mula 1.2 hanggang 1.5 batay sa karanasan; at E₀ ay tumutukoy sa dielectric breakdown electric field strength ng gas. Sa praktikal, ang breakdown field strength na ito ay depende sa specific configuration ng dalawang electrodes, at ang air breakdown strength ay nag-iiba-iba depende sa iba't ibang electrode structures at clearance distances. Para sa layunin ng comparative analysis, ang papel na ito ay nagsasang-ayon na E₀ = 3 kV/mm. Tulad ng ipinapakita ng Equation (1), ang pagtaas ng minimum electrical clearance d at pagbabawas ng coefficient ng non-uniform electric field f ay parehong maaaring mapabuti ang withstand voltage ng air insulation medium.
Kapag naghahandle ng highly non-uniform na elektrikong field, para sa mga electrode na may minimum electrical clearance na nasa 100 mm range, ang withstand voltage ay inaasahan na:
Sa formula, U50%(d) ay kumakatawan sa 50% breakdown voltage ng electrode sa isang tiyak na electrical clearance d sa panahon ng lightning impulse tests. Sa highly non-uniform na elektrikong field, mayroong significant dispersion sa mga breakdown voltages at mas mahabang discharge time lags, na nagpapahirap sa breakdown voltage. Sa praktikal na engineering applications, U50%(d) ay natutuklasan sa pamamagitan ng pag-conduct ng maraming lightning impulse tests at pag-identify ng applied voltage kung saan may 50% probability ng breakdown. Ang halagang ito ay malapit na nauugnay sa estruktura ng produkto at sa uniformity ng elektrikong field. Itinatag na ang mas mababang coefficient ng non-uniform electric field ay nagreresulta sa mas maliit na dispersion sa breakdown voltage, mas mataas na breakdown voltage, at sa huli, mas mataas na withstand voltage. Kaya, ang pagbabawas ng coefficient ng non-uniform electric field ay makakatulong sa pagpapabuti ng withstand voltage ng isolation break.
4 Structural Optimization
Upang mapabuti ang uniformity ng elektrikong field sa paligid ng dulo ng isolation blade at bawasan ang coefficient ng non-uniform electric field, ginawa ang optimization ng grading shield structure. Ang mga modelo ng grading shield bago at pagkatapos ng optimization ay ipinapakita sa Figure 5, habang ang cross-sectional views ay ibinibigay sa Figure 6. Tulad ng makikita sa Figure 6, kumpara sa pre-optimization design, ang optimized grading shield ay may mas matabang dulo na may rounded corners, na nagpapataas ng corner radius mula 0.75 mm hanggang 4 mm. Ang pagpapabuti na ito ay nagpapataas ng curvature radius, na nagpapabuti ng mas uniform na pamamahagi ng elektrikong field. Ang pamamahagi ng lakas ng elektrikong field sa paligid ng optimized isolation blade tip ay ipinapakita sa Figure 7. Mula sa figure na ito, malinaw na ang pinakamataas na lakas ng elektrikong field ay nabawasan sa 3.66 kV/mm, na humigit-kumulang na kalahati ng orihinal na halaga, na nagpapahiwatig ng marubdob na pagpapabuti.
Ayon sa nabanggit na formula f=Emax/Eav, ang coefficient ng non-uniformity ng elektrikong field pagkatapos ng optimization ay 7.32, na humigit-kumulang na kalahati kumpara sa bago pa ang optimization.
Ito ay nagpapahiwatig ng marubdob na pagpapabuti sa uniformity ng elektrikong field sa paligid ng dulo ng isolation blade, na nagpapakita na ang structural optimization ay epektibo. Ang paghahambing ng data bago at pagkatapos ng grading shield optimization ay ipinapakita sa Table 1. Tulad ng makikita sa Table 1, ang optimized grading shield structure talaga ay nagbabawas ng panganib ng breakdown discharge sa pagitan ng mga isolation breaks. Gayunpaman, ang elektrikong field sa pagitan ng mga isolation breaks ay patuloy na highly non-uniform, na nangangahulugan na ang withstand voltage nito ay pa rin na determinado ng U50%(d). Ang extent ng pagpapabuti sa withstand voltage ay maaaring mas ma-confirm pa sa pamamagitan ng on-site testing.
5 Experimental Verification
Upang i-validate ang epektividad ng simulasyon at pagsusuri, isinagawa ang mga partial discharge tests sa 12 kV air-insulated ring main unit. Tinalaan ang tatlong prototype units (No. 1 hanggang No. 3). Una, isinagawa ang mga partial discharge tests sa orihinal (pre-optimization) grading shields na naka-install sa isolation blades ng lahat ng tatlong units. Pagkatapos, ininstall ang optimized grading shields, at inulit ang mga test. Ang nakuha na partial discharge data ay ipinapakita sa Table 2.
Tulad ng ipinapakita sa table, ang mga lebel ng partial discharge bago pa ang optimization ay lahat ay lumampas sa 20 pC, habang ang mga ito pagkatapos ng optimization ay nabawasan sa ilalim ng 4.5 pC. Ito ay nagpapahiwatig na ang optimized grading shield structure talaga ay epektibo sa pagpapabuti ng kakayahan ng insulasyon ng ring main unit at nagpapatotoo sa valididad ng naunang simulasyon at pagsusuri.
6 Conclusion
Batay sa pagsusuri ng elektrikong field ng isolation break sa 12 kV air-insulated ring main unit, ang mga sumusunod ang mga natuklasan:
Dahil ang kakayahan ng insulasyon ng hangin ay mas mababa kaysa sa SF₆, mahalagang mapabuti ang pamamahagi ng elektrikong field upang mapabuti ang kakayahan ng insulasyon kapag ang hangin ang ginagamit bilang medium ng insulasyon sa three-position switches ng ring main units.
Dahil sa komplikadong estruktura ng mga moving components (isolation blades) sa three-position switches ng air-insulated ring main units, ang pamamahagi ng lakas ng elektrikong field sa ilang lugar ay maaaring maging highly non-uniform. Upang bawasan ang non-uniformity, maaaring idagdag ang grading shields sa parehong gilid ng isolation blade upang i-shield ang high-field regions malapit sa mga connecting parts ng blade, na nagreresulta sa pag-shift ng location ng peak field strength sa dulo ng mga grading shields. Sa pag-aaral na ito, ang pagpapataas ng curvature radius sa dulo ng shield mula 0.75 mm hanggang 4 mm ay nagbawas ng pinakamataas na lokal na lakas ng elektrikong field at ang coefficient ng non-uniform electric field sa humigit-kumulang na kalahati ng kanilang orihinal na halaga, na nagpapabuti ng desired optimization effect.
Ang uniformity ng pamamahagi ng elektrikong field, o ang coefficient ng non-uniform electric field, ay malaking nakakaapekto sa partial at breakdown discharges. Ang highly non-uniform na field ay maaaring mag-produce ng stable partial discharge (corona discharge). Sa parehong slightly at highly non-uniform na field, ang mas mataas na coefficient ng non-uniformity ay nagreresulta sa mas mababang withstand voltage sa pagitan ng mga electrode.
