Optimeringsontwerp vir die 12kV luggeïsoleerde ringhoofeenheid se isolerende gaping om die waarskynlikheid van breekslag te verminder

Met die vinnige ontwikkeling van die kragindustrie is die ekologiese konsep van laag-koolstof, energiebesparing en omgewingsbeskerming diep geïntegreer in die ontwerp en vervaardiging van kragvoorsiening- en -verdeling elektriese produkte. Die Ring Main Unit (RMU) is 'n sleutel-elektriese toestel in verdelingsnetwerke. Veiligheid, omgewingsbeskerming, bedryfsbetroubaarheid, energie-effektiwiteit en ekonomie is onvermydelike tendense in sy ontwikkeling. Tradisionele RMUs word hoofsaaklik deur SF6-gasgeïsoleerde RMUs verteenwoordig. As gevolg van SF6 se uitmuntende booguitdovingsvermoë en hoë isolasievermoë, het hulle wydverspreid gebruik gevind. Tog veroorsaak SF6 die broeikaseffek. Met toenemende regulatoriese druk op broeikasgasse, is dit 'n noodsaaklike tendens geword om omgewingsvriendelike gasgeïsoleerde RMUs as alternatiewe vir SF6 te ontwikkel.

Tans sluit omgewingsvriendelike gasgeïsoleerde RMUs stikstofgeïsoleerde RMUs en droë luggeïsoleerde RMUs in. Literatuur het hierdie opsies bekendgestel. In vergelyking met SF6 se isolasievermoë, is daardie van stikstof en droë lug slegs ongeveer een derde. Dit maak dus besonder belangrik om te verseker dat die algehele isolasievermoë van die RMU en sy interne skakele nie as gevolg van die verminderde isolasievermoë van die medium kompromitteer word, terwyl die bestaande kabinetruimte behou word. Dit word hoofsaaklik weerspieël in die ontwerp van die interne elektriese struktuur en isolasiestrukture. 'n Redelike elektriese en isolasiestruktuurontwerp kan die tekortkominge van die isolasiemedium se vermoë aanvul.

Hierdie artikel fokus op 'n isoleerend gat binne 'n sekere 12kV luggeïsoleerde RMU. Dit analiseer die nabye elektriese veldverdeling en sy eenvormigheid, evalueer die isolasievermoë by hierdie plek, en voer strukturele optimering uit om die waarskynlikheid van ontlading te verlaag en die isolasievermoë te verbeter. Die studie beoog om 'n verwysing te gee vir die isolasieontwerp van soortgelyke produkte.

​1 Struktuur van die Luggeïsoleerde RMU​

Die 3D-struktuurmodel van die luggeïsoleerde RMU wat in hierdie artikel bestudeer word, word in Figuur 1 getoon. Die hoofskakelsstruktuur van die RMU gebruik 'n skema wat 'n vakuumskakelaar en 'n drie-posisie-skakelaar kombineer. Die uitleg gebruik 'n skema waar die drie-posisie-skakelaar op die busbal-sy geleë is, d.w.s. die drie-posisie-skakelaar is op die bo-lyn van die RMU gerangskik, terwyl die vakuumskakelaar via 'n soliede geïsoleerde paal op die onder-lyn gerangskik word.

Aangesien die vakuumskakelaar binne die paal ingesluit is, is sy buitekant deur epoksi-hars geïsoleerd. Die isolasievermoë van epoksi-hars is baie beter as dié van lug, wat insulasievereistes bevredig. Verder bevat die verbindingsbusbal by die geslote einde van die soliede geïsoleerde paal afgeronde hoeke, gebogen ontwerpe en silikonrubbersealing, wat die probleem van plaaslike ontlading by hierdie punt oplos. Die isolasieafstande tussen busballe en na die grond is volgens relevante isolasievereistes ontwerp en voldoen aan regulasies.

Die isoleerblad van die drie-posisie-skakelaar is volledig afhanklik van die lugmedium vir isolasie. As 'n beweeglike verbindingskomponent bevat sy strukturele ontwerp metaaldele soos pennen, veere, plaatveere en houers om die kontakdruk tussen isoleerkontakte te verhoog. Tog kan die spesiale vorms van hierdie metaaldele 'n hoogs oneenvormige elektriese veldverdeling veroorsaak, wat plaaslike ontlading veroorsaak. Dit stel 'n risiko in van breek-ontlading, wat die isolasievermoë by hierdie plek negatief beïnvloed. Daarom is die elektriese struktuurontwerp hier besonder belangrik.

Volgens produkontwerpvereistes moet die isoleergat 'n gestelde korttydskragfrequentie-isolasie van 50kV kan weerstaan. Die minimum elektriese afstand vir die isoleergat is ontwerp as 100mm. Gegewe die kompleksiteit van die isoleerbladstruktuur, is graadingskilde aan beide kante van die isoleerblad bygevoeg om die elektriese veldverdeling te verbeter en plaaslike ontlading te verminder. Die 3D-model van die drie-posisie-skakelaar word in Figuur 2 getoon. Volgens hierdie artikel word 'n elektriese veldsimulasie-analise op die isoleergat uitgevoer.

Eindige-element sagteware is gebruik om die elektriese veld van die RMU te simuleer, en die elektriese veldintensiteitsverdeling oor die isoleergat onder die gegewe 50kV gestelde korttydskragfrequentie-isolasie te analiseer. Twee scenarios vir elektrostatische veldsimulasie is gedefinieer:

• ​Scenario 1:​​ Busbal-sy (sy met die isoleerstatis kontakstandaard) gekoppel aan lae potensiaal (0V), lyn-sy (sy met die isoleerbladkop) gekoppel aan hoë potensiaal (50kV).
• ​Scenario 2:​​ Busbal-sy (sy met die isoleerstatis kontakstandaard) gekoppel aan hoë potensiaal (50kV), lyn-sy (sy met die isoleerbladkop) gekoppel aan lae potensiaal (0V).

Die elektriese veldverdelings by die plek van die maksimum elektriese veldintensiteit binne die isoleergat vir beide scenarios is uit die simulasie verkry. Die elektriese veldintensiteitsverdeling by die isoleerbladkop vir Scenario 1 word in Figuur 3 getoon, en dit by die isoleerstatis kontakstandaard vir Scenario 2 in Figuur 4. Die maksimum elektriese veldintensiteit in Scenario 1 vind plaas by die einde van die graadingskil, met 7.07 kV/mm. Die maksimum in Scenario 2 vind plaas by die afgeronde hoek van die isoleerstatis kontakstandaard, met 4.90 kV/mm.

Die kritieke breek-elektriese veldsterkte vir lug onder standaardvoorwaardes is gewoonlik 3 kV/mm. Figure 3 en 4 wys dat, alhoewel plaaslike areas binne die isoleergat 3 kV/mm oorskry, die veldintensiteit in ander areas onder hierdie grens bly, wat breek-ontlading onwaarskynlik maak. Tog sal plaaslike ontlading plaasvind by posisies waar die veldsterkte 3 kV/mm oorskry.

Wanneer lug van droog na vochtig verander, neem sy isolasievermoë af. Die kritieke breek-elektriese veldsterkte onder eenvormige veldtoestande val onder 3 kV/mm. Bovendien verlaag 'n uitermate oneenvormige elektriese veldverdeling ook die kritieke breek-veldsterkte van lug. Beide faktore verhoog die moontlikheid en risiko van breek. Om die impak van buitelandse omgewingsvoorwaardes op die lugisolasiemedium te verminder en die eenvormigheidskoëffisiënt van die elektriese veld te verbeter, beoog hierdie artikel om die mate van eenvormigheid van die elektriese veld oor die isoleergat en die weerstandsbedrag van die gat te bepaal. Dit dient as basis om die isolasievermoë van die isoleergat te verhoog.

​3 Lug Isolasiekenmerke​

​3.1 Bepaling van Elektriese Veld Oneenvormigheidskoëffisiënt​

Perfekte eenvormige elektriese velde bestaan nie in praktyk nie; alle elektriese velde is oneenvormig. Op grond van die oneenvormigheidskoëffisiënt f, word elektriese velde in twee tipes geklassifiseer: min oneenvormige elektriese velde wanneer f ≤ 4; en uitermate oneenvormige elektriese velde wanneer f > 4. Die elektriese veld oneenvormigheidskoëffisiënt f word bepaal deur f = E_max / E_avg, waar E_max die plaaslike maksimum elektriese veldsterkte is, verkrygbaar uit simulasieresultate, en E_avg die gemiddelde elektriese veldsterkte is, bereken as die toegepaste spanning verdeel deur die minimum elektriese afstand.

Vanuit Figuur 3, E_max = 7.07 kV/mm en E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Dus, die oneenvormigheidskoëffisiënt vir die isoleergat f = 14.14 > 4, wat dit klassifiseer as 'n uitermate oneenvormige veld. Stabiliserende plaaslike ontladingfenomeene kan naby uitermate oneenvormige velde vorm. Hoe groter die mate van oneenvormigheid, hoe meer uitgesproke die plaaslike ontlading, en hoe groter die ontladingmaat. Vir 'n 12kV RMU, is die vereiste dat die totale plaaslike ontlading van die hele kabinet minder as 20pC moet wees. Die vermindering van die oneenvormigheidskoëffisiënt f is voordelig om die ontladingmaat te verminder.

​3.2 Bepaling van Lug Weerstandsbedrag​

Die oneenvormigheidskoëffisiënt beïnvloed die weerstandsbedrag van droë lug. Wanneer die veld min oneenvormig is, is die weerstandsbedrag:
​Formule (1)​​

Waar:

• U is die weerstandsbedrag.
• d is die minimum elektriese afstand tussen elektrodes.
• k is 'n betroubaarheidsfaktor, tipies tussen 1.2 en 1.5 op grond van ervaring.
• E₀ is die gasbreek-elektriese veldsterkte. In praktyk hang hierdie waarde af van die elektrodestrukture. Die lugbreekveldsterkte varieer onder verskillende elektrodestrukture en afstande. Vir vergelykende analise in hierdie artikel, word E₀ = 3 kV/mm voorlopig ingestel.

Vanuit Formule (1), kan die verhoging van die minimum elektriese afstand d of die vermindering van die oneenvormigheidskoëffisiënt f die weerstandsbedrag van lug verbeter. Wanneer die veld uitermate oneenvormig is, vir elektrodes met 'n minimum afstand d van ongeveer 100mm, word die weerstandsbedrag bepaal deur:
​Formule (2)​​

Waar U_50%(d) die donderimpuls 50% breekspanning is vir die elektrode met 'n elektriese afstand van d. In uitermate oneenvormige velde wys die breekspanning beduidende dispersie en 'n lang ontladingtydvertraging, wat dit hoogst onstabiel maak.

In ingenieurspraktyk word U_50%(d) deur meervoudige donderimpulstoetse bepaal: die toegepaste spanning waarby breek met 'n 50% waarskynlikheid plaasvind, word as U_50%(d) gedefinieer. Hierdie waarde hang af van die produkstruktuur en die mate van veld eenvormigheid. Dit is vasgestel dat 'n laer oneenvormigheidskoëffisiënt lei tot kleinere breekspanningsdispersie, hoër breekspanning, en gevolglik 'n hoër weerstandsbedrag. Dus, die vermindering van die oneenvormigheidskoëffisiënt f verbeter die weerstandsbedrag van die isoleergat.

​4 Strukturele Optimering​

Om die eenvormigheid van die elektriese veld rondom die isoleerbladkop te verbeter en die oneenvormigheidskoëffisiënt te verminder, is die graadingskilstruktuur geoptimeer.

Gevgelyk met die oorspronklike ontwerp, het die geoptimeerde graadingskil 'n verdikte einde met 'n afgeronde hoekontwerp. Die fillet radius is van 0.75mm na 4mm verhoog, wat die krommingsradius in hierdie area verhoog, wat baie eenvormiger veldverdeling bevorder. Die elektriese veldintensiteitsverdeling by die geoptimeerde isoleerbladkop word in Figuur 7 getoon. Die figuur wys dat die maksimum elektriese veldintensiteit by hierdie plek nou 3.66 kV/mm is, ongeveer die helfte van die waarde voor optimering, wat 'n beduidende verbetering aandui.

Op grond van die formule f = E_max / E_avg, is die elektriese veld oneenvormigheidskoëffisiënt na optimering 7.32. Vergelyk met die pre-optimeringstoestand, is hierdie waarde ongeveer die helfte. Die eenvormigheid van die elektriese veld naby die isoleerbladkop is ook beduidend verbeter, wat die redelikheid van die strukturele optimering demonstreer.

Die geoptimeerde graadingskilstruktuur verlaag werklik die risiko van breek-ontlading oor die isoleergat. Tog bly die elektriese veld oor die gat uitermate oneenvormig, en sy weerstandsbedrag word steeds deur U_50%(d) bepaal. Die mate waartoe die weerstandsbedrag verhoog kan word, moet deur latere veldtoetse bepaal word.

​5 Gevolgtrekking​

Deur elektriese veldanalise van die isoleergat in 'n 12kV luggeïsoleerde RMU, het hierdie artikel die volgende gevolgtrekkings bereik:

1. As gevolg van die swakker isolasievermoë van lug in vergelyking met SF6, vereis die gebruik van lug vir isolasie in die drie-posisie-skakelaar binne RMUs die verbetering van die elektriese veldverdeling om die isolasievermoë te verhoog.
2. As gevolg van die strukturele kompleksiteit van beweeglike dele (die isoleerblad) binne luggeïsoleerde RMUs, kan die elektriese veldintensiteitsverdeling by plaaslike posisies uitermate oneenvormig word. Om oneenvormigheid te verminder, kan graadingskilde by beide kante van die isoleerblad bygevoeg word om die elektriese veldintensiteit naby die einde van die bladverbindinge te skild, wat die maksimum plaaslike veldintensiteit na die einde van die graadingskilde skuif. Hierdie artikel het die krommingsradius van die graadingskil-einde van 0.75mm na 4mm verhoog. Dit het sowel die maksimum plaaslike elektriese veldintensiteit as die oneenvormigheidskoëffisiënt ongeveer tot die helfte van hul oorspronklike waardes verlaag, wat die gewenste effek bereik het.
3. Die mate van elektriese veld eenvormigheid, of die oneenvormigheidskoëffisiënt, beïnvloed plaaslike ontlading en breek-ontlading beduidend. Uitermate oneenvormige velde lei maklik tot stabiele plaaslike ontlading (korona-ontlading). Vir beide min en uitermate oneenvormige velde, korrespondeer 'n hoër oneenvormigheidskoëffisiënt met 'n laer weerstandsbedrag tussen die twee elektrodes.