Зміцнення захисту від ризиків збігу у 12 кВ повітряно-ізольованих RMU за допомогою конструкції градувальної екранувальної системи

Ця стаття розглядає основний ізоляційний переривач певного типу повітряно-ізольованого кільцевого головного агрегата (RMU) напруги 12 кВ, аналізуючи розподіл електричного поля та його рівномірність навколо нього, оцінює ізоляційну здатність в цьому місці, зменшуючи ризик випадкового розряду та покращуючи ізоляційну здатність за допомогою оптимізації конструкції, що надає посилання для проектування ізоляції подібних продуктів.

1 Конструкція повітряно-ізольованого кільцевого головного агрегата

Тривимірна конструктивна модель досліджуваного в цій статті повітряно-ізольованого RMU показана на рисунку 1. Основна схема використовує конфігурацію, що поєднує вакуумний випливець з трьохпозиційним випливецем, розташованим з боку шинопроводу — тобто, трьохпозиційний випливець розташований у верхній частині RMU, а вакуумний випливець монтується в нижній частині в структурі герметичного стовпа. Оскільки вакуумний випливець заключений всередині стовпа, його зовнішня частина ізольована епоксидною смолою, яка має значно кращі ізоляційні властивості, ніж повітря, таким чином задовольняючи ізоляційні вимоги.

Крім того, з'єднуюча шина в точці герметизації герметичного стовпа використовує скруглені краї та дуговидний дизайн, поєднаний з герметизацією силиконовою гумою, що ефективно знижує проблеми локального розряду в цій області. Ізоляційні відстані між шинами та до землі спроектовані відповідно до відповідних ізоляційних стандартів та задовольняють регуляторні вимоги.

Ізоляційний ніж трьохпозиційного випливця спирається на повітря як ізоляційну середу. Як рухомий з'єднуючий компонент, його конструкція включає металеві деталі, такі як штихти, пружини, диск-пружини та стопорні кільця, щоб збільшити контактний тиск між ізоляційними контактами. Однак через складні форми цих металевих деталей розподіл електричного поля може стати надзвичайно нерівномірним, що призводить до локальних розрядів та потенційних ризиків пробою, що неблагополучно впливає на ізоляційну здатність в цьому місці.

Тому електричне проектування цієї конструкції є особливо важливим. Відповідно до вимог проектування продукту, ізоляційний переривач повинен витримувати номінальне короткочасне напругу промислової частоти 50 кВ, з мінімальною проектованою електричною відстанню 100 мм. З урахуванням складності конструкції ізоляційного ножа, на обох сторонах ножа додаються градаційні екраны, щоб покращити рівномірність електричного поля та знизити локальні розряди. Тривимірна модель трьохпозиційного випливця показана на рисунку 2. У цій статті проводиться симуляційний аналіз електричного поля цього ізоляційного переривача.

2 Симуляційний аналіз

Для проведення симуляції електричного поля кільцевого головного агрегату було використано програмне забезпечення з методом скінченних елементів, аналізуючи розподіл напруженості електричного поля в ізоляційному переривачі при вказаній номінальній короткочасній напругі промислової частоти 50 кВ. Було розглянуто два випадки електростатичної симуляції:

• Випадок 1: Бік шинопроводу (бік фіксованого ізоляційного контакту) знаходиться на низькому потенціалі (0 В), а бік лінії (бік кінця ізоляційного ножа) знаходиться на високому потенціалі (50 кВ).

• Випадок 2: Бік шинопроводу (бік фіксованого ізоляційного контакту) знаходиться на високому потенціалі (50 кВ), а бік лінії (бік кінця ізоляційного ножа) знаходиться на низькому потенціалі (0 В).

Через симуляцію було отримано розподіл електричного поля в місцях максимальної напруженості електричного поля для обох випадків. Розподіл напруженості електричного поля на кінці ізоляційного ножа в Випадку 1 показаний на рисунку 3, а розподіл на фіксованому ізоляційному контакті в Випадку 2 показаний на рисунку 4. У Випадку 1 максимальна напруженість електричного поля відбувається на кінці градаційного екрану, досягаючи 7,07 кВ/мм; у Випадку 2 максимальна напруженість відбувається на скругленому краю фіксованого ізоляційного контакту, зі значенням 4,90 кВ/мм.

Типова критична напруженість електричного поля для повітря становить 3 кВ/мм. Як показано на рисунках 3 та 4, хоча напруженість електричного поля в більшості областей ізоляційного переривача нижче 3 кВ/мм — недостатньо, щоб призводити до пробою — в локальних областях це значення перевищується, що призводить до локальних розрядів. Коли повітря змінюється від сухого до вологого стану, його ізоляційна здатність знижується [10], знижуючи критичну рівномірну напруженість пробою нижче 3 кВ/мм. Крім того, надзвичайно нерівномірний розподіл електричного поля ще більше знижує критичну напруженість пробою повітря, збільшуючи ймовірність та ризики пробою. Для зниження впливу зовнішніх факторів середовища на повітряну ізоляційну середу та покращення рівномірності поля, це дослідження оцінює ступінь рівномірності електричного поля та рівень витривалості напруги в ізоляційному переривачі, що служить основою для підвищення ізоляційної здатності переривача.

3 Характеристики повітряної ізоляції

3.1 Визначення коефіцієнту нерівномірності електричного поля

На практиці, абсолютно рівномірне електричне поле не існує; всі електричні поля від природи нерівномірні. На основі коефіцієнту нерівномірності електричного поля f, електричні поля розподіляються на два типи: коли f ≤ 4, поле вважається слабко нерівномірним; коли f > 4, воно вважається сильно нерівномірним. Коефіцієнт нерівномірності f визначається як f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, де Eₘₐₓ — максимальна локальна напруженість електричного поля, отримана з пікового значення результатів симуляції, а Eₐᵥ — середня напруженість електричного поля, обчислена як прикладена напруга, поділена на мінімальну електричну відстань.

Згідно з рисунком 3, Eₘₐₓ = 7,07 кВ/мм, а Eₐᵥ = 0,5 кВ/мм. Тому коефіцієнт нерівномірності електричного поля в ізоляційному переривачі становить f = 14,14 > 4, що свідчить про сильно нерівномірне електричне поле. У областях з сильно нерівномірним полем можуть виникати стабільні локальні розряди, і чим більший ступінь нерівномірності, тим більш виражені локальні розряди та більша величина розряду. Для кільцевого головного агрегату напруги 12 кВ загальна кількість локальних розрядів усього шафи повинна бути менше 20 пК [5,11]. Тому зменшення коефіцієнту нерівномірності електричного поля допомагає знизити рівень локальних розрядів.

3.2 Визначення витривалості напруги повітря

Коефіцієнт нерівномірності електричного поля впливає на витривалість напруги сухого повітря. Коли поле слабко нерівномірне, витривалість напруги становить:

де U позначає витривалість напруги; d — мінімальна електрична відстань між електродами; k — коефіцієнт надійності, який зазвичай варіюється від 1,2 до 1,5 на основі досвіду; E₀ — напруженість пробою електроліту газу. На практиці, ця напруженість пробою залежить від конкретної конфігурації двох електродів, і напруженість пробою повітря змінюється від різних структур електродів та відстаней між ними. Для порівняльного аналізу в цій статті приймається, що E₀ = 3 кВ/мм. Як показує рівняння (1), збільшення мінімальної електричної відстані d та зменшення коефіцієнту нерівномірності електричного поля f можуть обидва підвищити витривалість напруги повітряної ізоляційної середи.

При роботі з сильно нерівномірним електричним полем, для електродів з мінімальною електричною відстанню в діапазоні 100 мм, витривалість напруги обчислюється наступним чином:

У формулі U50%(d) позначає 50% напругу пробою електрода при конкретній електричній відстані d під час тестів на грозовий імпульс. У сильно нерівномірних електричних полях є значна дисперсія напруг пробою та довгі затримки розряду, що робить напругу пробою надзвичайно нестабільною. У практичних інженерних застосуваннях U50%(d) визначається проведенн