Giảm thiểu Rủi ro Xả trong RMU Cách điện Khí 12 kV Sử dụng Thiết kế Khiên Phân Cấp

Bài viết này lấy điểm ngắt cách chính của một loại tủ phân phối vòng tròn cách điện không khí (RMU) 12kV làm đối tượng nghiên cứu, phân tích sự phân bố và đồng đều của điện trường xung quanh nó, đánh giá hiệu suất cách điện tại vị trí này, và giảm rủi ro phóng điện cũng như nâng cao hiệu suất cách điện thông qua tối ưu hóa cấu trúc, từ đó cung cấp tham chiếu cho thiết kế cách điện của các sản phẩm tương tự.

1 Cấu trúc của Tủ Phân Phối Vòng Tròn Cách Điện Không Khí

Mô hình cấu trúc ba chiều của RMU cách điện không khí được nghiên cứu trong bài viết này được thể hiện trong Hình 1. Mạch chính sử dụng cấu hình kết hợp giữa công tắc chân không và công tắc ba vị trí, được bố trí với công tắc ba vị trí ở phía thanh cái - tức là, công tắc ba vị trí nằm ở phần trên của RMU, trong khi công tắc chân không được gắn ở phần dưới trong cấu trúc cột kín. Vì công tắc chân không được bọc bên trong cột, bề ngoài của nó được cách điện bằng nhựa epoxy, có tính năng cách điện tốt hơn nhiều so với không khí, do đó đáp ứng yêu cầu cách điện.

Ngoài ra, thanh nối tại điểm hàn của cột kín sử dụng cạnh bo tròn và thiết kế dạng vòm, kết hợp với gioăng silicone, giúp giảm đáng kể vấn đề phóng điện cục bộ trong khu vực này. Khoảng cách cách điện giữa các thanh và đất được thiết kế theo các tiêu chuẩn cách điện liên quan và đáp ứng yêu cầu quy định.

Lưỡi cách ly của công tắc ba vị trí dựa vào không khí làm môi trường cách điện. Là một thành phần kết nối di động, cấu trúc của nó bao gồm các bộ phận kim loại như chốt, lò xo, đĩa lò xo, và vòng giữ để tăng áp lực tiếp xúc giữa các điểm tiếp xúc cách ly. Tuy nhiên, do hình dạng phức tạp của các bộ phận kim loại, sự phân bố điện trường có thể trở nên rất không đồng đều, dẫn đến phóng điện cục bộ và rủi ro hỏng hóc, gây ảnh hưởng xấu đến hiệu suất cách điện tại vị trí này.

Do đó, thiết kế điện của cấu trúc này đặc biệt quan trọng. Theo yêu cầu thiết kế sản phẩm, điểm ngắt cách phải chịu được điện áp ngắn mạch tần số công nghiệp định mức 50kV, với khoảng cách điện tối thiểu được thiết kế là 100mm. Do cấu trúc lưỡi cách ly phức tạp, các tấm chắn phân cấp được thêm vào hai bên lưỡi để cải thiện độ đồng đều của điện trường và giảm phóng điện cục bộ. Mô hình ba chiều của công tắc ba vị trí được thể hiện trong Hình 2. Bài viết này tiến hành phân tích mô phỏng điện trường đối với điểm ngắt cách này.

2 Phân tích Mô phỏng

Phần mềm phần tử hữu hạn đã được sử dụng để thực hiện mô phỏng điện trường trên tủ phân phối vòng tròn, phân tích sự phân bố cường độ điện trường tại điểm ngắt cách dưới điện áp định mức ngắn mạch tần số công nghiệp 50 kV. Hai trường hợp mô phỏng tĩnh điện đã được xem xét:

• Trường hợp 1: Phía thanh cái (bên tiếp xúc cố định cách ly) ở mức điện thế thấp (0 V), và phía đường dây (đầu lưỡi cách ly) ở mức điện thế cao (50 kV).

• Trường hợp 2: Phía thanh cái (bên tiếp xúc cố định cách ly) ở mức điện thế cao (50 kV), và phía đường dây (đầu lưỡi cách ly) ở mức điện thế thấp (0 V).

Sự phân bố điện trường tại vị trí có cường độ điện trường lớn nhất cho cả hai trường hợp đã được thu được thông qua mô phỏng. Sự phân bố cường độ điện trường tại đầu lưỡi cách ly theo Trường hợp 1 được thể hiện trong Hình 3, và sự phân bố tại tiếp xúc cố định cách ly theo Trường hợp 2 được thể hiện trong Hình 4. Trong Trường hợp 1, cường độ điện trường lớn nhất xảy ra ở cuối tấm chắn phân cấp, đạt 7,07 kV/mm; trong Trường hợp 2, cường độ điện trường lớn nhất xảy ra ở mép bo tròn của tiếp xúc cố định cách ly, với giá trị là 4,90 kV/mm.

Cường độ điện trường điển hình gây sét đánh trong không khí là 3 kV/mm. Như thể hiện trong Hình 3 và Hình 4, mặc dù cường độ điện trường trong hầu hết các khu vực của điểm ngắt cách đều dưới 3 kV/mm - không đủ để gây sét đánh - nhưng các khu vực cục bộ vượt quá ngưỡng này, dẫn đến phóng điện cục bộ. Khi không khí thay đổi từ khô sang ẩm, khả năng cách điện của nó giảm [10], làm giảm cường độ điện trường đồng đều gây sét đánh xuống dưới 3 kV/mm. Ngoài ra, sự phân bố điện trường không đồng đều cao làm giảm cường độ điện trường gây sét đánh, tăng khả năng và rủi ro sét đánh. Để giảm tác động của các yếu tố môi trường bên ngoài lên môi trường cách điện không khí và cải thiện độ đồng đều của điện trường, nghiên cứu này đánh giá độ đồng đều của điện trường và mức chịu điện áp trên điểm ngắt cách, làm cơ sở để nâng cao khả năng cách điện của điểm ngắt cách.

3 Đặc tính Cách Điện Không Khí

3.1 Xác định Hệ Số Không Đồng Đều Của Điện Trường

Trong thực tế, điện trường hoàn toàn đồng đều không tồn tại; tất cả điện trường đều có bản chất không đồng đều. Dựa trên hệ số không đồng đều của điện trường f, điện trường được phân loại thành hai loại: khi f ≤ 4, điện trường được coi là hơi không đồng đều; khi f > 4, nó được coi là rất không đồng đều. Hệ số không đồng đều f được định nghĩa là f = Eₘₐₓ / Eₐᵥ, trong đó Eₘₐₓ là cường độ điện trường cục bộ lớn nhất, được lấy từ giá trị đỉnh trong kết quả mô phỏng, và Eₐᵥ là cường độ điện trường trung bình, được tính bằng điện áp áp dụng chia cho khoảng cách điện tối thiểu.

Từ Hình 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm và Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Do đó, hệ số không đồng đều của điện trường tại điểm ngắt cách là f = 14,14 > 4, cho thấy điện trường rất không đồng đều. Trong các vùng có điện trường rất không đồng đều, phóng điện cục bộ ổn định có thể xảy ra, và độ không đồng đều càng cao, phóng điện cục bộ càng rõ ràng và cường độ phóng điện càng lớn. Đối với tủ phân phối vòng tròn 12 kV, tổng lượng phóng điện cục bộ của toàn bộ tủ được yêu cầu ít hơn 20 pC [5,11]. Do đó, giảm hệ số không đồng đều của điện trường giúp giảm mức phóng điện cục bộ.

3.2 Xác định Điện Áp Chịu Được Của Không Khí

Hệ số không đồng đều của điện trường ảnh hưởng đến điện áp chịu được của không khí khô. Khi điện trường hơi không đồng đều, điện áp chịu được là:

trong đó U là điện áp chịu được; d là khoảng cách điện tối thiểu giữa các điện cực; k là hệ số tin cậy, thường nằm trong khoảng từ 1,2 đến 1,5 dựa trên kinh nghiệm; và E₀ là cường độ điện trường gây sét đánh của khí. Trong thực tế, cường độ điện trường gây sét đánh này phụ thuộc vào cấu hình cụ thể của hai điện cực, và cường độ điện trường gây sét đánh của không khí thay đổi theo cấu trúc và khoảng cách của các điện cực. Để mục đích so sánh, bài viết này giả định E₀ = 3 kV/mm. Như được chỉ ra bởi Phương trình (1), việc tăng khoảng cách điện tối thiểu d và giảm hệ số không đồng đều của điện trường f đều có thể nâng cao điện áp chịu được của môi trường cách điện không khí.

Khi xử lý điện trường rất không đồng đều, đối với các điện cực có khoảng cách điện tối thiểu trong phạm vi 100 mm, điện áp chịu được được tính như sau:

Trong công thức, U50%(d) đại diện cho điện áp gây sét đánh 50% của điện cực dưới khoảng cách điện cụ thể d trong các thử nghiệm xung sét. Trong điện trường rất không đồng đều, có sự phân tán lớn về điện áp gây sét đánh và thời gian trễ phóng điện dài, khiến điện áp gây sét đánh rất không ổn định. Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, U50%(d) được xác định bằng cách tiến hành nhiều thử nghiệm xung sét và xác định điện áp áp dụng mà có 50% khả năng gây sét đánh. Giá trị này có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của sản phẩm và độ đồng đều của điện trường. Được biết rằng hệ số không đồng đều của điện trường thấp hơn sẽ dẫn đến sự phân tán nhỏ hơn về điện áp gây sét đánh, điện áp gây sét đánh cao hơn, và do đó, điện áp chịu được cao hơn. Do đó, giảm hệ số không đồng đều của điện trường có lợi cho việc nâng cao điện áp chịu được của điểm ngắt cách.

4 Tối ưu Hóa Cấu Trúc

Để cải thiện độ đồng đều của điện trường xung quanh đầu lưỡi cách ly và giảm hệ số không đồng đều của điện trường, đã tiến hành tối ưu hóa cấu trúc tấm chắn phân cấp. Mô hình của tấm chắn phân cấp trước và sau tối ưu hóa được thể hiện trong Hình 5, trong khi các mặt cắt ngang được cung cấp trong Hình 6. Như có thể thấy từ Hình 6, so với thiết kế trước tối ưu hóa, tấm chắn phân cấp tối ưu hóa có phần cuối dày hơn với góc bo tròn, tăng bán kính góc từ 0,75 mm lên 4 mm. Việc cải thiện này tăng bán kính cong, thúc đẩy sự phân bố điện trường đồng đều hơn. Sự phân bố cường độ điện trường xung quanh đầu lưỡi cách ly tối ưu hóa được minh họa trong Hình 7. Từ hình này, có thể thấy rằng cường độ điện trường lớn nhất đã giảm xuống 3,66 kV/mm, khoảng một nửa giá trị ban đầu, cho thấy sự cải thiện đáng kể.

Theo công thức đã nêu f=Emax/Eav, hệ số không đồng đều của điện trường sau tối ưu hóa là 7,32, giảm khoảng một nửa so với trước tối ưu hóa.

Điều này cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ đồng đều của điện trường xung quanh đầu lưỡi cách ly, chứng tỏ việc tối ưu hóa cấu trúc là hiệu quả. So sánh dữ liệu trước và sau tối ưu hóa tấm chắn phân cấp được thể hiện trong Bảng 1. Như có thể thấy từ Bảng 1, cấu trúc tấm chắn phân cấp tối ưu hóa thực sự giảm rủi ro phóng điện giữa các điểm ngắt cách. Tuy nhiên, điện trường giữa các điểm ngắt cách vẫn rất không đồng đều, nghĩa là điện áp chịu được của nó vẫn được xác định bởi U50%(d). Mức cải thiện về điện áp chịu được có thể được xác nhận thêm thông qua các thử nghiệm tại chỗ.

Bản dịch này duy trì các chi tiết kỹ thuật và bối cảnh được cung cấp trong văn bản gốc, đảm bảo sự rõ ràng và chính xác cho khán giả nói tiếng Anh.

5 Kiểm Chứng Thí Nghiệm

Để kiểm chứng hiệu quả của phân tích mô phỏng, các thử nghiệm phóng điện cục bộ đã được tiến hành trên tủ phân phối vòng tròn cách điện không khí 12 kV. Ba mẫu thử nghiệm (số 1 đến số 3) đã được chuẩn bị. Các thử nghiệm phóng điện cục bộ đã được thực hiện lần đầu tiên với tấm chắn phân cấp ban đầu (trước tối ưu hóa) được lắp đặt trên lưỡi cách ly của cả ba mẫu. Sau đó, các tấm chắn phân cấp tối ưu hóa được lắp đặt, và các thử nghiệm được lặp lại. Dữ liệu phóng điện cục bộ kết quả được trình bày trong Bảng 2.

Như thể hiện trong bảng, mức phóng điện cục bộ trước tối ưu hóa đều vượt quá 20 pC, trong khi sau tối ưu hóa được giảm xuống dưới 4,5 pC. Điều này cho thấy cấu trúc tấm chắn phân cấp tối ưu hóa hiệu quả nâng cao hiệu suất cách điện của tủ phân phối vòng tròn và xác nhận tính hợp lệ của phân tích và mô phỏng trước đó.

6 Kết Luận

Dựa trên phân tích điện trường của điểm ngắt cách trong tủ phân phối vòng tròn cách điện không khí 12 kV, các kết luận sau đây được rút ra:

• Vì khả năng cách điện của không khí kém hơn so với SF₆, việc cải thiện sự phân bố của điện trường là cần thiết để nâng cao hiệu suất cách điện khi sử dụng không khí làm môi trường cách điện trong các công tắc ba vị trí của tủ phân phối vòng tròn.

• Do cấu trúc phức tạp của các thành phần di chuyển (lưỡi cách ly) trong các công tắc ba vị trí của tủ phân phối vòng tròn cách điện không khí, sự phân bố cường độ điện trường tại một số vị trí có thể trở nên rất không đồng đều. Để giảm sự không đồng đều này, các tấm chắn phân cấp có thể được thêm vào hai bên lưỡi cách ly để che chắn các vùng có điện trường cao gần các bộ phận kết nối của lưỡi, do đó di chuyển vị trí cường độ điện trường lớn nhất đến các đầu của các tấm chắn phân cấp. Trong nghiên cứu này, việc tăng bán kính cong ở đầu của tấm chắn từ 0,75 mm lên 4 mm đã giảm cả cường độ điện trường cục bộ lớn nhất và hệ số không đồng đều của điện trường xuống khoảng một nửa giá trị ban đầu, đạt được hiệu quả tối ưu mong muốn.

• Độ đồng đều của sự phân bố điện trường, hoặc hệ số không đồng đều của điện trường, ảnh hưởng đáng kể đến phóng điện cục bộ và phóng điện gây sét đánh. Các điện trường rất không đồng đều có xu hướng tạo ra phóng điện cục bộ ổn định (phóng điện corona). Trong cả điện trường hơi và rất không đồng đều, hệ số không đồng đều cao hơn dẫn đến điện áp chịu được giữa các điện cực thấp hơn.