12 kV Hava yalıtımlı RMU'lar için Grading Shield Tasarımı Kullanarak Serbest Kalma Risklerinin Azaltılması

Dyson

Alan: Elektrik Standartları

China

Bu makale, belirli bir tür 12kV hava yalıtımlı halka anahtarı (RMU) nin birincil yalıtım kesimini araştırma objesi alarak, etrafındaki elektrik alan dağılımını ve düzgünlüğünü analiz eder, bu konumdaki yalıtım performansını değerlendirir ve yapısal optimizasyon yoluyla salınım riskini azaltarak yalıtım performansını artırır, böylece benzer ürünlerin yalıtım tasarımına bir referans sağlar.

1 Hava Yalıtımlı Halka Anahtarı Yapısı

Bu makalede incelenen hava yalıtımlı RMU'nun üç boyutlu yapısal modeli Şekil 1'de gösterilmiştir. Ana devre, vakum anahtarı ile üç pozisyonlu anahtarı birleştiren bir yapılandırmayı kullanır ve üç pozisyonlu anahtar busbar tarafında - yani RMU'nun üst kısmında yer alırken, vakum anahtarı, sütun yapısında alt kısımda monte edilmiştir. Vakum anahtarı sütun içinde kapsüllendiği için dış yüzeyi epoksi reçine ile yalıtılır, bu da havadan çok daha iyi yalıtım özelliklerine sahip olup, yalıtım gereksinimlerini karşılar.

Ayrıca, sütunun kaplama noktasındaki bağlantı busbarı, yuvarlak kenar ve yay şeklinde tasarlanarak, silikon kauçukla mühürlenmiş olarak, bu bölgedeki kısmi salınım sorunlarını etkili bir şekilde azaltır. Busbarlar arasındaki ve toprağa olan yalıtım açıklıkları ilgili yalıtım standartlarına göre tasarlanmıştır ve düzenleyici gereksinimleri karşılar.

Üç pozisyonlu anahtardaki yalıtım bıçağı, havayı yalıtım ortamı olarak kullanır. Bir hareketli bağlantı bileşeni olarak, yapıda pin, yay, diski yay ve circlip gibi metal parçaları, yalıtım kontakları arasındaki temas basıncını artırmak için bulunur. Ancak, bu metal parçaların karmaşık şekilleri nedeniyle elektrik alan dağılımı oldukça düzensiz olabilir, bu da kısmi salınım ve potansiyel arızalara yol açarak, bu konumdaki yalıtım performansını olumsuz etkileyebilir.

Bu nedenle, bu yapının elektriksel tasarımı özellikle kritiktir. Ürün tasarım gereksinimlerine göre, yalıtım kesimi 50kV nominal kısa süreli güç frekans dayanım gerilimine dayanmalıdır ve minimum tasarlanmış elektriksel açıklık 100mm olmalıdır. Yalıtım bıçağının karmaşık yapısı göz önüne alındığında, bıçağın her iki tarafına derecelendirme kalkanları eklenerek elektrik alan düzgünlüğü artırılır ve kısmi salınım azaltılır. Üç pozisyonlu anahtardaki üç boyutlu model Şekil 2'de gösterilmiştir. Bu makale, bu yalıtım kesiminde elektrik alan simülasyon analizi gerçekleştirir.

2 Simülasyon Analizi

Sonlu eleman yazılımı, halka anahtarı üzerinde elektrik alan simülasyonu gerçekleştirerek, belirlenen 50 kV nominal kısa süreli güç frekans dayanım gerilimi altında yalıtım kesimindeki elektrik alan dağılımını analiz etti. İki elektrostatik alan simülasyon durumu düşünüldü:

Durum 1: Busbar tarafı (yalıtım sabit temas noktası) düşük potansyonda (0 V), hat tarafı (yalıtım bıçağın ucundaki taraf) yüksek potansyonda (50 kV).
Durum 2: Busbar tarafı (yalıtım sabit temas noktası) yüksek potansyonda (50 kV), hat tarafı (yalıtım bıçağın ucundaki taraf) düşük potansyonda (0 V).

Her iki durumda da maksimum elektrik alan yoğunluğu olan yerdeki elektrik alan dağılımı simülasyon yoluyla elde edildi. Durum 1'de, yalıtım bıçağın ucu altındaki elektrik alan dağılımı Şekil 3'te, Durum 2'de ise yalıtım sabit temas altındaki dağılım Şekil 4'te gösterilmiştir. Durum 1'de, maksimum elektrik alan yoğunluğu derecelendirme kalkanının ucunda 7.07 kV/mm değerine ulaşır; Durum 2'de, maksimum değeri yalıtım sabit temasın yuvarlatılmış kenarında 4.90 kV/mm değerindedir.

Havanın tipik kritik bozulma elektrik alan yoğunluğu 3 kV/mm'dir. Şekil 3 ve 4'te gösterildiği gibi, yalıtım kesiminin çoğu bölgesinde elektrik alan yoğunluğu 3 kV/mm'ye kadar -bozulmayı yeterince sebep olacak düzeyde değil- ancak lokal bölgelerde bu eşiği aşarak kısmi salınım oluşur. Hava kurudan nemli koşullara geçiş yaptığında, yalıtım yeteneği azalır [10], bu da kritik düzgün bozulma alan yoğunluğunu 3 kV/mm'in altına düşürür. Ayrıca, çok düzensiz elektrik alan dağılımı havanın kritik bozulma gücünü daha da azaltarak, bozulma olasılığını ve riskini artırır. Dış çevresel faktörlerin hava yalıtım ortamına olan etkisini azaltmak ve alan düzgünlüğünü artırmak amacıyla, bu çalışma yalıtım kesimindeki elektrik alan düzgünlüğü derecesini ve dayanım gerilim seviyesini değerlendirir, bu da kesimin yalıtım yeteneğini artırmada temel oluşturur.

3 Hava Yalıtım Özellikleri

3.1 Elektrik Alan Düzensizlik Katsayısının Belirlenmesi

Pratikte, mükemmel bir şekilde düzgün bir elektrik alan mevcut değildir; tüm elektrik alanlar doğal olarak düzensizdir. Elektrik alan düzensizlik katsayısı f 'ye dayanarak, elektrik alanları iki türe ayrılır: f ≤ 4 olduğunda, alan hafifçe düzensiz kabul edilir; f > 4 olduğunda, alan çok düzensiz kabul edilir. Düzensizlik katsayısı f, f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ formülüyle tanımlanır, burada Eₘₐₓ maksimum yerel elektrik alan yoğunluğu, simülasyon sonuçlarındaki zirve değerinden elde edilir ve Eₐᵥ ortalama elektrik alan yoğunluğu, uygulanan gerilimin en küçük elektriksel açıklıkla bölümüne eşittir.

Şekil 3'ten, Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm ve Eₐᵥ = 0.5 kV/mm olduğu görülür. Bu nedenle, yalıtım kesimindeki elektrik alan düzensizlik katsayısı f = 14.14 > 4, bu da alanın çok düzensiz olduğunu gösterir. Çok düzensiz alan bölgelerinde, istikrarlı kısmi salınım oluşabilir ve düzensizliğin derecesi ne kadar yüksekse, kısmi salınım o kadar belirgin ve salınım büyüklüğü o kadar yüksektir. 12 kV halka anahtarı için, kabinin toplam kısmi salınım miktarı 20 pC'den az olması gerekir [5,11]. Bu nedenle, elektrik alan düzensizlik katsayısını azaltmak, kısmi salınım düzeyini azaltmaya yardımcı olur.

3.2 Havada Dayanım Geriliminin Belirlenmesi

Elektrik alan düzensizlik katsayısı, kuru havanın dayanım gerilimini etkiler. Alan hafifçe düzensiz olduğunda, dayanım gerilimi şu şekildedir:

burada U, dayanım gerilimini; d, elektrotlar arasındaki minimum elektriksel açıklığı; k, genellikle deneyime dayalı olarak 1.2 ile 1.5 arasında değişen güvenilirlik faktörünü; ve E₀, gazın dielektrik bozulma elektrik alan yoğunluğunu ifade eder. Pratikte, bu bozulma alanı yoğunluğu, iki elektrotun belirli yapılandırmasına bağlıdır ve hava bozulma gücü, farklı elektrot yapıları ve açıklık mesafeleriyle değişir. Karşılaştırmalı analiz için bu makalede E₀ = 3 kV/mm varsayılır. Denklem (1)'e göre, minimum elektriksel açıklığı d artırarak ve elektrik alan düzensizlik katsayısı f azaltarak, hava yalıtım ortamının dayanım gerilimini artırabiliriz.

Çok düzensiz bir elektrik alanında, 100 mm aralığındaki minimum elektriksel açıklıkta elektrotlar için dayanım gerilimi şu şekilde hesaplanır:

Formülde, U50%(d), belirli bir elektriksel açıklık d altında yıldırım darbesi testlerinde elektrotun %50 bozulma gerilimini temsil eder. Çok düzensiz elektrik alanlarında, bozulma gerilimlerinde önemli bir dağılım ve daha uzun salınım gecikmeleri olur, bu da bozulma gerilimini oldukça istikrarsız hale getirir. Pratik mühendislik uygulamalarında, U50%(d), birden fazla yıldırım darbesi testi gerçekleştirilerek ve %50 bozulma olasılığına karşılık gelen uygulanan gerilim belirlenerek hesaplanır. Bu değer, ürünün yapısı ve elektrik alanın düzgünlüğüyle yakından ilişkilidir. Düşük bir elektrik alan düzensizlik katsayısı, bozulma geriliminde daha az dağılıma, daha yüksek bozulma gerilimine ve dolayısıyla daha yüksek dayanım gerilimine yol açar. Bu nedenle, elektrik alan düzensizlik katsayısını azaltmak, yalıtım kesiminin dayanım gerilimini artırmada faydalıdır.

4 Yapısal Optimizasyon

Yalıtım bıçağın ucundaki elektrik alanın düzgünlüğünü artırmak ve elektrik alan düzensizlik katsayısını azaltmak için, derecelendirme kalkanlarının yapısı optimize edildi. Optimize öncesi ve sonrası derecelendirme kalkanlarının modelleri Şekil 5'te, kesit görüntüleri ise Şekil 6'da gösterilmiştir. Şekil 6'dan görüleceği üzere, optimize öncesi tasarıma kıyasla, optimize edilmiş derecelendirme kalkanı daha kalın uçlu ve yuvarlatılmış köşeli bir yapıya sahiptir, köşe yarıçapı 0.75 mm'den 4 mm'ye çıkarıldı. Bu geliştirme, eğrilik yarıçapını artırarak, elektrik alan dağılımını daha düzgün hale getirir. Optimize edilmiş yalıtım bıçağın ucundaki elektrik alan dağılımı Şekil 7'de gösterilmiştir. Bu figürden, maksimum elektrik alan yoğunluğunun 3.66 kV/mm'ye, orijinal değerinin yaklaşık yarısına indirildiği görülmekte, bu da önemli bir iyileşme olduğunu gösterir.

Yukarıda belirtilen formül $f = E_{ma x} / E_{a v}$ , optimize edildikten sonraki elektrik alan düzensizlik katsayısı 7.32'dir, bu da optimize öncesi değerine kıyasla yaklaşık yarısıdır.

Bu, yalıtım bıçağın ucundaki elektrik alanın düzgünlüğünde önemli bir iyileşmeye işaret eder, yapısal optimizasyonun etkili olduğunu gösterir. Derecelendirme kalkanının optimize öncesi ve sonrası verilerin karşılaştırılması Tablo 1'de gösterilmiştir. Tablo 1'den görüleceği üzere, optimize edilmiş derecelendirme kalkanı yapısı, yalıtım kesimler arasındaki bozulma salınım riskini gerçekten azaltmıştır. Ancak, yalıtım kesimleri arasındaki elektrik alan hala çok düzensiz olup, dayanım gerilimi hala $U_{50%} (d)$ tarafından belirlenmektedir. Dayanım geriliminin iyileşme derecesi, saha testleriyle daha da doğrulanabilir.

5 Deneysel Doğrulama

Simülasyon analizinin etkinliğini doğrulamak için, 12 kV hava yalıtımlı halka anahtarı üzerinde kısmi salınım testleri gerçekleştirilmiştir. Üç prototip ünite (No. 1 ile No. 3) hazırlanmıştır. Öncelikle, üç ünitenin tümünün yalıtım bıçaklarına orijinal (optimize öncesi) derecelendirme kalkanları takılarak kısmi salınım testleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, optimize edilmiş derecelendirme kalkanları takıldı ve testler tekrarlandı. Sonuç olarak elde edilen kısmi salınım verileri Tablo 2'de sunulmuştur.

Tablodan görüleceği üzere, optimize öncesi kısmi salınım seviyeleri 20 pC'yi aşarken, optimize sonrası seviyeler 4.5 pC'nin altına düşmüştür. Bu, optimize edilmiş derecelendirme kalkanı yapısının halka anahtarıın yalıtım performansını etkili bir şekilde artırdığını ve önceki simülasyon ve analizin geçerliliğini doğrular.

6 Sonuç

12 kV hava yalıtımlı halka anahtarındaki yalıtım kesimindeki elektrik alan analizi temel alınarak, aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:

Havanın yalıtım yeteneğinin SF₆'dan daha düşük olması nedeniyle, hava yalıtımlı halka anahtarındaki üç pozisyonlu anahtarlarda hava olarak kullanılan yalıtım ortamının performansını artırmak için elektrik alan dağılımının iyileştirilmesi gereklidir.
Hava yalıtımlı halka anahtarındaki üç pozisyonlu anahtarlardaki hareketli bileşenlerin (yalıtım bıçakları) yapısal karmaşıklığı nedeniyle, bazı yerlerde elektrik alan yoğunluğu dağılımı çok düzensiz olabilir. Bu düzensizliği azaltmak için, yalıtım bıçağın her iki tarafına derecelendirme kalkanları ekleyerek, bıçağın bağlantı parçaları yakınlarındaki yüksek alan bölgelerini koruyarak, zirve alan yoğunluğu yerini derecelendirme kalkanlarının uçlarına taşıyabiliriz. Bu çalışmada, kalkanın ucundaki eğrilik yarıçapının 0.75 mm'den 4 mm'ye çıkarılması, hem maksimum yerel elektrik alan yoğunluğunu hem de elektrik alan düzensizlik katsayısını yaklaşık yarısına indirerek, istenen optimizasyon etkisini elde etmiştir.
Elektrik alan dağılımının düzgünlüğü veya elektrik alan düzensizlik katsayısı, kısmi ve bozulma salınımını önemli ölçüde etkiler. Çok düzensiz alanlarda, kararlı kısmi salınım (korona salınımı) oluşabilir. Hafifçe ve çok düzensiz alanlarda, daha yüksek bir düzensizlik katsayısı, elektrotlar arasındaki dayanım gerilimini azaltır.