12kV hava diyelektrikli halqa əsaslı blokun izolyasiya aralığının optimallaşdırma layihəsi parlaqlanma ehtimalını azaltmaq üçün

Elektrik sənayesinin sürətli inkişafı ilə birlikdə, nisbi az karbonlu, enerji qazandırıcı və mühitə diqqətli ekoloji konsepsiya elektrik tedariki və paylanmasında istifadə olunan elektrik cihazlarının dizayn və istehsalına sıx inteqrasiya olunmuşdur. Dairəvi Elektrik Bloku (RMU) dağıtım şəbəkələrində əsas elektrik cihazıdır. Təhlükəsizlik, mühitə diqqət, işləmə əminciliyi, enerji effektivliyi və iqtisadiyyat RMU-nun inkişafının qarşıya çıxardığı mütləq tendensiyalardır. Tradisional RMU-lar əsasən SF6 qazla izolyasiya edilmiş RMU-lar kimi nümayiş etmişdir. SF6-ın mukəmməl arq qəsdət yetəri və yüksək izolyasiya performansı səbəbindən onlar geniş yayılmışdırlar. Amma, SF6 qaz efektinə səbəb olur. İncələnən qazların üzərində artan normativ təzyiqlər nəticəsində, SF6-ın alternativi olan mühitə diqqətli qazla izolyasiya edilmiş RMU-ların inkişafı zəruri bir trend halına gəlmüşdür.

Hazırda mühitə diqqətli qazla izolyasiya edilmiş RMU-lar arasında azotla izolyasiya edilmiş RMU və quru hava ilə izolyasiya edilmiş RMU-lar var. Literaturada bu variantlar təqdim edilmişdir. SF6-ın izolyasiya performansına nisbətən, azot və quru hava yalnız təxminən üçdə bir performansa malikdir. Bu səbəbdən, ortamın izolyasiya performansının azalmasına baxmayaraq, RMU və onun daxili kontaktlarının ümumi izolyasiya performansını saxlamaq, həmçinin mövcud qablaşmanın sahəsini saxlamaq xüsusi çətinliklər tələb edir. Bu, əsasən daxili elektrik strukturu və izolyasiya strukturunun dizaynında göstərilir. Müntəzəm elektrik və izolyasiya strukturunun dizaynı ortamın performansında olan defektin kompensasiyasını təmin edə bilər.

Bu məqalə belə bir 12kV havalı izolyasiya edilmiş RMU-da olan izolyasiya boşluğuna fokuslanır. Bu yerə yaxın olan elektrik sahasının paylanması və onun bərabərsizliyini analiz edir, bu yerin izolyasiya performansını qiymətləndirir və bu yerin deşmə ehtimalını azaltmaq və izolyasiya performansını artırmaq üçün struktural optimallaşdırma apardır. Bu araşdırma, oxşar məhsulların izolyasiya dizaynı üçün referans təmin etmək hədəfində aparılır.

​1 Havalı Izolyasiya Edilmiş RMU-nun Strukturu​

Bu məqalədə çalışılan havalı izolyasiya edilmiş RMU-nun 3D struktura modeli Şəkil 1-də göstərilir. RMU-nun əsas dövrü strukturu vakuum kontakt və üç pozisiyalı kontakt kombinasiyası şemasını istifadə edir. Yerleşim, üç pozisiyalı kontaktın şina tərəfində olması şemasını istifadə edir, yəni üç pozisiyalı kontakt RMU-nun yuxarı tərəfində, amma vakuum kontakt isə qalın izolyasiya edilmiş pol vasitəsiylə RMU-nun aşağı tərəfində yerləşdirilir.

Vakuum kontakt polunun içində qaplanıldığından, onun xarici hissəsi epoksid rezin tərəfindən izolyasiya olunur. Epoksid rezinin izolyasiya yetəri hava dan daha yüksəkdir, belə ki, izolyasiya tələblərini ödəyir. Buna əlavə, qalın izolyasiya edilmiş polun bağlanmış ucunda yerləşən şina, yuvarlanmış bucaqlar, eğri dizayn və silikon lastik qapanma ile yerləşir, bu da buradaki lokal deşmə problemini həll edir. Şinalar və toprağa olan izolyasiya boşluğu uyğun izolyasiya tələblərinə əsasən dizayn olunmuş və qaydalara uyğun gəlir.

Üç pozisiyalı kontaktın izolyasiya bıçağı tamamilə hava ortamına asılıdır. Kəskin kontakt arasındakı toxunma təzyiqini artırmaq üçün bu hərəkət edən bağlantı hissəsinin strukturu pin, sprint, disprins və sabitləşdirmə halkaları kimi metal parçaları ilə təkmilləşdirilib. Amma, bu metal parçaların xüsusi forması səbəbindən, bu yerde elektrik sahasının çox bərabərsiz paylanması mümkündür, bu da lokal deşməyə səbəb olur. Bu, bu yerin izolyasiya performansını olumsuz təsirləyə bilər. Bu səbəbdən, buradaki elektrik strukturunun dizaynı xüsusi önəmlidir.

Məhsul dizayn tələblərinə əsasən, izolyasiya boşluğu 50kV nominal keçici sinus dəyişən voltaj dayanımına dayanmalıdır. İzolyasiya boşluğunun minimum elektrik boşluğu 100mm kimi dizayn olunmuşdur. İzolyasiya bıçağının strukturu nisbənə kompleksliyin nəticəsində, izolyasiya bıçağının hər iki tərəfinə qruplaşdırma qoruyucular əlavə edilmişdir, bu da elektrik sahasının bərabərsizliyini artırır və lokal deşmənin baş vermə ehtimalını azaldır. Üç pozisiyalı kontaktın 3D modeli Şəkil 2-də göstərilir. Müvafiq olaraq, bu məqalə izolyasiya boşluğunun elektrik sahası simulyasiyasını aparır.

Sonlu element proqram paketləri RMU-nun elektrik sahasını simulyasiya etmək, verilmiş 50kV nominal keçici sinus dəyişən voltaj altında izolyasiya boşluğunun elektrik sahasının intensivliyi paylanmasını analiz etmək üçün istifadə edildi. İki elektrostatik saha simulyasiya variantı təyin edildi:

• ​Variant 1:​​ Şina tərəfi (izolyasiya statik kontakt oturacağının olduğu tərəf) aşağı potensiala (0V) qoşulur, liniya tərəfi (izolyasiya bıçağın başının olduğu tərəf) yüksək potensiala (50kV) qoşulur.
• ​Variant 2:​​ Şina tərəfi (izolyasiya statik kontakt oturacağının olduğu tərəf) yüksək potensiala (50kV) qoşulur, liniya tərəfi (izolyasiya bıçağın başının olduğu tərəf) aşağı potensiala (0V) qoşulur.

İki variant üçün izolyasiya boşluğunun maksimum elektrik sahası intensivliyi yerlərindəki elektrik sahası paylanması simulyasiyadan əldə edildi. Variant 1 üçün izolyasiya bıçağın başındaki elektrik sahası intensivliyi paylanması Şəkil 3-də, Variant 2 üçün izolyasiya statik kontakt oturacağında olan elektrik sahası intensivliyi paylanması Şəkil 4-də göstərilir. Variant 1-də maksimum elektrik sahası intensivliyi qruplaşdırma qoruyucunun ucu nda 7.07 kV/mm ölçülərində olur. Variant 2-də maksimum elektrik sahası intensivliyi izolyasiya statik kontakt oturacağının köşəsində 4.90 kV/mm ölçülərində olur.

Standart şəraitdə havanın mühüm kəsmə elektrik sahası intensivliyi adətən 3 kV/mm-dır. Şəkillər 3 və 4, izolyasiya boşluğunun yerlərində 3 kV/mm-i aşan lokal bölgələrin olduğunu, amma digər bölgələrdə bu limitin altında qalan elektrik sahası intensivliyinin deşməyə imkan vermediyini göstərir. Amma, 3 kV/mm-i aşan lokal yerlərdə lokal deşmə baş verə bilər.

Hava çirklənib əmələ gələrkən, onun izolyasiya yetəri azalır. Bərabərsiz elektrik sahası şəraitində havanın mühüm kəsmə elektrik sahası intensivliyi 3 kV/mm-dan aşağı düşə bilər. Buna əlavə, çox bərabərsiz elektrik sahası paylanması da havanın mühüm kəsmə elektrik sahası intensivliyini azaldır. Hər iki faktor, deşmənin baş vermə ehtimalı və riskini artırır. Xarici mühit şəraitinin hava izolyasiya ortamına təsiri və elektrik sahasının bərabərsizliyinə görə bu məqalə, izolyasiya boşluğunun elektrik sahasının bərabərsizliyini və boşluğun dayanım voltajını müəyyən etmək hədəfindədir. Bu, izolyasiya boşluğunun izolyasiya yetərinin artırılması üçün əsasdır.

​3 Hava İzolyasiya Xüsusiyyətləri​

​3.1 Elektrik Sahası Bərabərsizliyi Koeffisiyentinin Müəyyənləşdirilməsi​

Praktikada tamamilə bərabər elektrik sahalar mövcud deyil; bütün elektrik sahalar bərabərsizdir. Bərabərsizlik koeffisiyenti f-ə əsasən, elektrik sahalar iki növə bölünür: f ≤ 4 olduqda nisbi bərabərsiz elektrik sahalara; f > 4 olduqda isə çox bərabərsiz elektrik sahalara. Elektrik sahası bərabərsizlik koeffisiyenti f = E_max / E_avg kimi hesablanır, burada E_max lokal maksimum elektrik sahası intensivliyi, simulyasiya nəticələrindən əldə edilir, E_avg isə orta elektrik sahası intensivliyi, tətbiq edilən voltajı minimum elektrik boşluğa bölərək hesablanır.

Şəkil 3-dən, E_max = 7.07 kV/mm və E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Bu səbəbdən, izolyasiya boşluğunun bərabərsizlik koeffisiyenti f = 14.14 > 4, bu da onu çox bərabərsiz saha kateqoriasına daxil edir. Çox bərabərsiz sahaların yaxınlığında istilikləmə deşməsi (korona deşməsi) formalaşabilir. Bərabərsizlik dərəcesi neçə qədər yüksəkdirsə, istilikləmə deşməsi o qədər açıqdır və deşmənin həcmi böyükdür. 12kV RMU üçün, qabın ümumi istilikləmə deşməsi 20pC-dan kiçik olmalıdır. Bərabərsizlik koeffisiyenti f-ni azaltmaq istilikləmə deşməsinin həcmini azaltmaq üçün faydalıdır.

​3.2 Havada Dayanım Voltajının Müəyyənləşdirilməsi​

Bərabərsizlik koeffisiyenti quru havanın dayanım voltajını təsirləyir. Sahaya nisbi bərabərsiz olduğunda, dayanım voltajı aşağıdakı kimi hesablanır:
​Formula (1)​​

Burada:

• U - dayanım voltajıdır.
• d - elektrodlar arasındakı minimum elektrik boşluğudur.
• k - nəzəriyyə faktoru, təcrübəyə əsasən 1.2-1.5 aralığında olur.
• E₀ - qazın kəsmə elektrik sahası intensivliyidir. Praktikada, bu dəyər elektrod strukturasına bağlıdır. Farklı elektrod strukturları və boşlukları ilə hava kəsmə sahası intensivliyi fərqli olur. Bu məqalədə müqayisə analizi üçün E₀ = 3 kV/mm qəbul edilir.

Formula (1)-dən, minimum elektrik boşluğunu artırmaq və ya bərabərsizlik koeffisiyentini azaltmaq havanın dayanım voltajını artırır. Sahaya çox bərabərsiz olduğunda, minimum boşluğu d 100mm olan elektrodlar üçün dayanım voltajı aşağıdakı kimi hesablanır:
​Formula (2)​​

Burada U_50%(d) - d elektrik boşluğu olan elektrodların şimşək darbesi 50% kəsmə voltajıdır. Çox bərabərsiz sahada, kəsmə voltajı çox dəyişkənlik göstərir və uzun deşmə gecikməsi ilə birgə çox instabil olur.

Mühəndislik praktikasında, U_50%(d) bir neçə şimşək darbesi testi vasitəsiylə müəyyən edilir: 50% ehtimal ilə deşmə baş verməsi kimi təyin edilir. Bu dəyər məhsul strukturasına və sahanın bərabərsizliyinə asılıdır. Daha aşağı bərabərsizlik koeffisiyenti, daha az kəsmə voltajının dəyişkənliyini, daha yüksək kəsmə voltajını və nəticədə daha yüksək dayanım voltajını təmin edir. Bu səbəbdən, bərabərsizlik koeffisiyenti f-ni azaltmaq izolyasiya boşluğunun dayanım voltajını artırır.

​4 Struktural Optimallaşdırma​

İzolyasiya bıçağın başı etrafındakı elektrik sahasının bərabərsizliyini azaltmaq və bərabərsizlik koeffisiyentini azaltmaq üçün qruplaşdırma qoruyucusunun strukturu optimallaşdırıldı.

Orjinal dizayna nisbətən, optimallaşdırılmış qruplaşdırma qoruyucusunun sonu qalınlaşdırılıb və yuvarlanmış bucaqlı dizayna malikdir. Yuvarlanma radiusu 0.75mm-dən 4mm-ə artırıldı, bu da bu sahada radiusu artırarak, daha bərabər saha paylanmasını təmin edir. Optimallaşdırılmış izolyasiya bıçağın başındakı elektrik sahası intensivliyi paylanması Şəkil 7-də göstərilir. Şəkil, bu yerin maksimum elektrik sahası intensivliyinin indi 3.66 kV/mm olduğu, optimallaşdırılmadan əvvəlki dəyərin yarısına qədər azaldığını göstərir, bu da əhəmiyyətli iyileşməni təsvir edir.

f = E_max / E_avg düsturuna əsasən, optimallaşdırılmdan sonra elektrik sahası bərabərsizlik koeffisiyenti 7.32-dir. Optimallaşdırılmadan əvvəlki vəziyyətə nisbətən, bu dəyər yarısına qədər azalır. İzolyasiya bıçağın başı etrafındakı elektrik sahasının bərabərsizliyi də əhəmiyyətli dərəcədə artır, bu da struktural optimallaşdırmanın münasibətini göstərir.

Optimallaşdırılmış qruplaşdırma qoruyucusu izolyasiya boşluğunun yaxınlığında deşmə deşməsinin riskini geri çəkir. Amma, boşluğun hər iki tərəfindəki elektrik saha hələ də çox bərabərsizdir və onun dayanım voltajı hələ də U_50%(d) ilə müəyyənləşdirilir. Dayanım voltajının neçə dərəcədə artırılab ecdiyanı, sonrakı saha testləri vasitəsiylə müəyyən etmək lazımdır.

​5 Nəticə​

12kV havalı izolyasiya edilmiş RMU-nun izolyasiya boşluğunun elektrik sahası analizi vasitəsiylə, bu məqalə aşağıdakı nəticələrə çatdı:

1. Havanın izolyasiya yetəri SF6-ya nisbətən aşağı olduğu üçün, RMU-larda üç pozisiyalı kontaktun içində hava ilə izolyasiya etmək, elektrik sahasının paylanmasını iyileştirmək və izolyasiya yetərini artırmaq tələb edir.
2. Havalı izolyasiya edilmiş RMU-lardakı üç pozisiyalı kontaktun (izolyasiya bıçağı) hərəkət edən hissələrinin struktural kompleksliyi səbəbindən, lokal yerlərdəki elektrik sahası intensivliyi çox bərabərsiz olmağa meyllidir. Bərabərsizliyi azaltmaq üçün, izolyasiya bıçağın hər iki tərəfinə qruplaşdırma qoruyucular əlavə edilə bilər, bu da bıçağın bağlantı ucundakı elektrik sahası intensivliyini qoruyur və maksimum lokal saha intensivliyini qruplaşdırma qoruyucuların ucuna köçürür. Bu məqalə, qruplaşdırma qoruyucunun ucu radiusunu 0.75mm-dən 4mm-ə artırır. Bu, hem maksimum lokal elektrik sahası intensivliyini, hem də bərabərsizlik koeffisiyentini yarıya endirir, istənilən nəticəyə çatır.
3. Elektrik sahasının bərabərsizliyi, yəni bərabərsizlik koeffisiyenti, istilikləmə və deşmə deşməsinə əhəmiyyətli təsir edir. Çox bərabərsiz sahalar istilikləmə deşməsinin (korona deşməsi) formalaşmasına səbəb olur. Nisbi bərabərsiz və çox bərabərsiz sahalar üçün, daha yüksək bərabərsizlik koeffisiyenti iki elektrod arasındakı daha aşağı dayanım voltaja uyğundur.