تصميم مُحسّن للفجوة العازلة للوحدة الرئيسية الدائرية المعزولة بالهواء بجهد 12 كيلوفولت لتقليل احتمالية الانهيار الكهربائي

مع التطور السريع لصناعة الطاقة، تم دمج المفهوم البيئي للمنخفض الكربوني والطاقات المحفوظة وحماية البيئة بشكل عميق في تصميم وتصنيع منتجات الطاقة الكهربائية. الوحدة الرئيسية الحلقة (RMU) هي جهاز كهربائي رئيسي في شبكات التوزيع. السلامة والحماية البيئية والموثوقية التشغيلية والكفاءة الطاقوية والاقتصادية هي اتجاهات حتمية في تطورها. RMUs التقليدية ممثلة بشكل أساسي بـ RMUs المعزولة بالغاز SF6. بسبب قدرة SF6 الرائعة على إطفاء القوس الكهربائي والأداء العالي للعزل، تم استخدامها بشكل واسع. ومع ذلك، فإن SF6 يسبب تأثير الدفيئة. مع زيادة الضغوط التنظيمية على الغازات الدفيئية، أصبح تطوير RMUs المعزولة بالغاز الصديق للبيئة كبديل لـ SF6 اتجاهاً ضرورياً.

حالياً، تتضمن RMUs المعزولة بالغاز الصديق للبيئة RMUs المعزولة بالنيتروجين وRMUs المعزولة بالهواء الجاف. تم تقديم هذه الخيارات في الأدبيات. مقارنة بقدرة العزل لـ SF6، فإن قدرة العزل للنيتروجين والهواء الجاف حوالي ثلث فقط. لذلك، من الضروري التأكد من أن أداء العزل العام للـ RMU والمفاتيح الداخلية لا يتعرض للتدهور بسبب انخفاض أداء وسط العزل، مع الحفاظ على المساحة الحالية للخزانة. هذا يظهر بشكل أساسي في تصميم البنية الكهربائية والعزل. يمكن لتصميم الكهربائية والعزل المناسب تعويض نقص أداء وسط العزل.

يركز هذا البحث على الفجوة العازلة في وحدة RMU معزولة بالهواء ذات 12 كيلوفولت. يقوم بتحليل توزيع المجال الكهربائي القريب ووحدانيته، ويقيم أداء العزل في هذا الموقع، ويقوم بأمثلة الهيكل لتقليل احتمال الإطلاق وتحسين أداء العزل. الهدف هو توفير مرجع لتصميم العزل لمنتجات مماثلة.

​1 بنية RMU المعزولة بالهواء​

يظهر نموذج الهيكل ثلاثي الأبعاد لـ RMU المعزولة بالهواء التي تم دراستها في هذا البحث في الشكل 1. يستخدم هيكل الدائرة الرئيسية للـ RMU نظاماً يجمع بين المفتاح الفراغي والمفتاح ذو الثلاث مواقف. يتم تخطيط المفتاح ذو الثلاث مواقف بحيث يكون على الجانب الأمامي للأعمدة، أي يتم ترتيب المفتاح ذو الثلاث مواقف على الجانب العلوي من RMU، بينما يتم ترتيب المفتاح الفراغي على الجانب السفلي عبر عمود عازل صلب.

بما أن المفتاح الفراغي محاط داخل العمود، فإن خارجه معزول بمادة الريزين الايبوكسي. قدرة العزل لمادة الريزين الايبوكسي أعلى بكثير من الهواء، مما يلبي متطلبات العزل. بالإضافة إلى ذلك، يتضمن الحافز المتصل في نهاية العمود العازل الصلب حواف مستديرة وأشكال منحنية وختم من مادة السيليكون، مما يحل مشكلة الإطلاق الجزئي في هذا الموقع. يتم تصميم الفواصل العازلة بين الأعمدة والأرض وفقًا لمتطلبات العزل ذات الصلة وتتوافق مع اللوائح.

تعتمد شفرة العزل للمفتاح ذو الثلاث مواقف بالكامل على الهواء كوسط عازل. كمكون اتصال متحرك، يحتوي تصميمه الهيكلي على أجزاء معدنية مثل الدبابيس والينابيع والدعامات والحلقات المرتكزة لزيادة ضغط الاتصال بين نقاط العزل. ومع ذلك، بسبب الأشكال الخاصة لهذه الأجزاء المعدنية، يمكن أن تسبب توزيع مجال كهربائي غير متساوٍ للغاية، مما يؤدي إلى الإطلاق الجزئي. هذا يشكل خطراً على الإطلاق الكهربائي، مما يؤثر سلباً على أداء العزل في هذا الموقع. لذلك، يعد تصميم الهيكل الكهربائي هنا مهمًا بشكل خاص.

وفقًا لمتطلبات تصميم المنتج، يجب أن تحمل فجوة العزل فولتية قصيرة المدى تبلغ 50 كيلوفولت. يتم تصميم الفجوة الكهربائية الدنيا للفجوة العازلة عند 100 مم. بالنظر إلى التعقيد الهيكلي لشفرة العزل، تم إضافة دروع تدرج على جانبي شفرة العزل لتحسين توحيد المجال الكهربائي وتقليل حدوث الإطلاق الجزئي. يظهر النموذج ثلاثي الأبعاد للمفتاح ذو الثلاث مواقف في الشكل 2. وفقًا لذلك، يقوم هذا البحث بتحليل المحاكاة للمجال الكهربائي للفجوة العازلة.

تم استخدام برنامج العناصر المحدودة لمحاكاة المجال الكهربائي للـ RMU، وتحليل توزيع شدة المجال الكهربائي عبر الفجوة العازلة تحت فولتية 50 كيلوفولت القصيرة المدى. تم تعريف سيناريوهين للمحاكاة الكهروستاتيكية:

• ​سيناريو 1:​​ يتم توصيل الجانب الأمامي للأعمدة (الجانب الذي يحتوي على مقعد العزل الثابت) بجهد منخفض (0 فولت)، يتم توصيل الجانب الخلفي للأعمدة (الجانب الذي يحتوي على رأس شفرة العزل) بجهد عالي (50 كيلوفولت).
• ​سيناريو 2:​​ يتم توصيل الجانب الأمامي للأعمدة (الجانب الذي يحتوي على مقعد العزل الثابت) بجهد عالي (50 كيلوفولت)، يتم توصيل الجانب الخلفي للأعمدة (الجانب الذي يحتوي على رأس شفرة العزل) بجهد منخفض (0 فولت).

تم الحصول على توزيع المجال الكهربائي في موقع أعلى شدة المجال الكهربائي داخل الفجوة العازلة لكلتا السيناريوهين من خلال المحاكاة. يظهر توزيع شدة المجال الكهربائي في رأس شفرة العزل لسيناريو 1 في الشكل 3، وفي مقعد العزل الثابت لسيناريو 2 في الشكل 4. تبلغ أعلى شدة مجال كهربائي في سيناريو 1 عند نهاية الدرع التدرج عند 7.07 كيلوفولت/مم. أعلى قيمة في سيناريو 2 تكون عند زاوية مقعد العزل الثابت عند 4.90 كيلوفولت/مم.

إن شدة المجال الكهربائي الحرجة للهواء تحت الظروف القياسية عادة ما تكون 3 كيلوفولت/مم. تظهر الشكل 3 والشكل 4 أنه بينما تتجاوز المناطق المحلية داخل الفجوة العازلة 3 كيلوفولت/مم، فإن شدة المجال في المناطق الأخرى تبقى أقل من هذا الحد، مما يجعل الإطلاق الكهربائي غير محتمل. ومع ذلك، سيحدث الإطلاق الجزئي في المواقع المحلية حيث تتجاوز شدة المجال 3 كيلوفولت/مم.

عندما يتغير الهواء من جاف إلى رطب، تنخفض قدرة العزل. تقل شدة المجال الكهربائي الحرجة تحت ظروف المجال الموحد إلى أقل من 3 كيلوفولت/مم. بالإضافة إلى ذلك، توزيع المجال الكهربائي غير المتساوي للغاية يقلل أيضًا من شدة المجال الكهربائي الحرجة للهواء. كلا العاملين يزيدان من احتمال ومخاطر الإطلاق. لتخفيف تأثير الظروف البيئية الخارجية على الوسط العازل الهوائي وتحسين معامل التوحيد للمجال الكهربائي، يهدف هذا البحث إلى تحديد درجة توحيد المجال الكهربائي عبر الفجوة العازلة وقيمة الفولتية المستقرة للفجوة. هذا يشكل الأساس لتحسين قدرة العزل للفجوة العازلة.

​3 خصائص العزل الهوائي​

​3.1 تحديد معامل عدم توحيد المجال الكهربائي​

المجالات الكهربائية المثالية الموحدة لا توجد في الواقع؛ جميع المجالات الكهربائية غير موحدة. بناءً على معامل عدم التوحيد f، يتم تصنيف المجالات الكهربائية إلى نوعين: المجالات الكهربائية قليلة عدم التوحيد عندما f ≤ 4؛ والمجالات الكهربائية غير موحدة للغاية عندما f > 4. يتم تحديد معامل عدم توحيد المجال الكهربائي f بواسطة f = E_max / E_avg، حيث E_max هي شدة المجال الكهربائي المحلية القصوى، والتي يمكن الحصول عليها من نتائج المحاكاة، وE_avg هي شدة المجال الكهربائي المتوسطة، والتي يتم حسابها كالفولتية المطبقة مقسومة على الفجوة الكهربائية الدنيا.

من الشكل 3، E_max = 7.07 كيلوفولت/مم وE_avg = 0.5 كيلوفولت/مم (50 كيلوفولت / 100 مم). وبالتالي، معامل عدم توحيد الفجوة العازلة f = 14.14 > 4، مما يصنفها كمجال غير موحد للغاية. يمكن تكوين ظواهر الإطلاق الجزئي المستقرة بالقرب من المجالات غير الموحدة للغاية. كلما كان مستوى عدم التوحيد أكبر، كان الإطلاق الجزئي أكثر وضوحًا، وكانت قوة الإطلاق أكبر. بالنسبة لـ RMU 12 كيلوفولت، يكون الشرط هو أن يكون الإطلاق الجزئي الكلي للخزانة بأكملها أقل من 20 بيكومول. تقليل معامل عدم التوحيد f مفيد لتقليل قوة الإطلاق الجزئي.

​3.2 تحديد فولتية تحمل الهواء​

يؤثر معامل عدم التوحيد على فولتية تحمل الهواء الجاف. عندما يكون المجال قليل عدم التوحيد، تكون فولتية التحمل:
​معادلة (1)​​

حيث:

• U هي فولتية التحمل.
• d هي الفجوة الكهربائية الدنيا بين الأقطاب.
• k هو عامل موثوقية، عادة ما يتراوح بين 1.2 و1.5 بناءً على الخبرة.
• E₀ هي شدة المجال الكهربائي المفككة للغاز. في الواقع، هذه القيمة مرتبطة ببنية القطب. تختلف شدة المجال الكهربائي المفككة للهواء تحت بنى مختلفة للأقطاب والفجوات. لهذا التحليل المقارن في هذا البحث، تم وضع E₀ = 3 كيلوفولت/مم بشكل مؤقت.

من معادلة (1)، يمكن تحسين فولتية تحمل الهواء عن طريق زيادة الفجوة الكهربائية الدنيا d أو تقليل معامل عدم التوحيد f. عندما يكون المجال غير موحد للغاية، لأقطاب لها فجوة كهربائية الدنيا d حوالي 100 مم، يتم تحديد فولتية التحمل بواسطة:
​معادلة (2)​​

حيث U_50%(d) هو فولتية الانهيار 50٪ للقطب مع فجوة كهربائية d. في المجالات غير الموحدة للغاية، تظهر فولتية الانهيار تشتتًا كبيرًا وزمن انقطاع طويل، مما يجعلها غير مستقرة للغاية.

في الممارسة الهندسية، يتم تحديد U_50%(d) من خلال العديد من اختبارات الاندفاع البرقية: الفولتية المطبقة التي يحدث فيها الانهيار بنسبة 50٪ يتم تعريفها كـ U_50%(d). تعتمد هذه القيمة على بنية المنتج ودرجة توحيد المجال. تم إثبات أن معامل عدم توحيد أقل يؤدي إلى تشتت أقل لفولتية الانهيار، وفولتية انهدام أعلى، وبالتالي فولتية تحمل أعلى. لذلك، يحسن تقليل معامل عدم التوحيد f من فولتية تحمل الفجوة العازلة.

​4 تحسين الهيكل​

لتحسين توحيد المجال الكهربائي حول رأس شفرة العزل وتقليل معامل عدم التوحيد، تم تحسين هيكل الدرع التدرج.

مقارنة بالتصميم الأصلي، يتميز الدرع التدرج المحسن بنهاية ممتدة بتصميم زاوية مستديرة. تم زيادة نصف قطر الزاوية من 0.75 مم إلى 4 مم، مما يعزز نصف قطر الانحناء في هذه المنطقة، مما يساعد على تحقيق توزيع مجال أكثر توحيدًا. يظهر توزيع شدة المجال الكهربائي في رأس شفرة العزل المحسن في الشكل 7. يظهر الشكل أن أعلى شدة مجال كهربائي في هذا الموقع الآن 3.66 كيلوفولت/مم، وهو حوالي نصف القيمة قبل التحسين، مما يشير إلى تحسين كبير.

بناءً على المعادلة f = E_max / E_avg، يكون معامل عدم توحيد المجال الكهربائي بعد التحسين 7.32. مقارنة بالحالة قبل التحسين، تم تقليل هذه القيمة إلى حوالي النصف. تحسنت توحيد المجال الكهربائي بالقرب من رأس شفرة العزل بشكل كبير، مما يدل على صحة التحسين الهيكلي.

بالفعل، يقلل هيكل الدرع التدرج المحسن من خطر الانهيار الكهربائي عبر الفجوة العازلة. ومع ذلك، يظل المجال الكهربائي عبر الفجوة غير موحد للغاية، وتحدد فولتية تحمله بواسطة U_50%(d). يحتاج مدى زيادة فولتية التحمل إلى تحديده من خلال الاختبارات الميدانية اللاحقة.

​5 الخلاصة​

من خلال تحليل المجال الكهربائي للفجوة العازلة في RMU معزولة بالهواء ذات 12 كيلوفولت، توصل هذا البحث إلى الاستنتاجات التالية:

1. بسبب قدرة العزل الأدنى للهواء مقارنة بـ SF6، يتطلب استخدام الهواء كوسط عزل في المفتاح ذو الثلاث مواقف داخل RMUs تحسين توزيع المجال الكهربائي لتعزيز قدرة العزل.
2. بسبب التعقيد الهيكلي للأجزاء المتحركة (شفرة العزل) داخل المفتاح ذو الثلاث مواقف في RMUs المعزولة بالهواء، يمكن أن يصبح توزيع شدة المجال الكهربائي في المواقع المحلية غير متساوي للغاية. لتقليل عدم التوحيد، يمكن إضافة دروع تدرج على جانبي شفرة العزل لدرء شدة المجال الكهربائي بالقرب من نهايات موصلات الشفرة، ونقل أعلى شدة مجال كهربائي محلية إلى نهايات الدروع التدرج. في هذا البحث، تم زيادة نصف قطر الانحناء لنهاية الدرع التدرج من 0.75 مم إلى 4 مم. هذا قلل من أعلى شدة مجال كهربائي محلية ومعامل عدم التوحيد إلى حوالي نصف قيمهما الأصلية، مما حقق التأثير المطلوب.
3. درجة توحيد المجال الكهربائي، أو معامل عدم التوحيد، يؤثر بشكل كبير على الإطلاق الجزئي والانهيار الكهربائي. المجالات غير الموحدة للغاية تؤدي بسهولة إلى الإطلاق الجزئي المستقر (إطلاق التاج). بالنسبة للمجالات قليلة عدم التوحيد والغير موحدة للغاية، كلما كان معامل عدم التوحيد أعلى، كانت فولتية التحمل بين القطبين أقل.