Оптимизационен проект за изолационната разстояние на 12кВ въздушно-изолирано кръгово свързващо устройство, за намаляване на вероятността за пробойно разразяне

С бързото развитие на електроенергийната индустрия, екологичната концепция за нисковъглеродно, енергоспестяване и опазване на околната среда е дълбоко интегрирана в проектирането и производството на електроенергийни продукти. Ринговият главен уред (RMU) е ключов електрически апарат в разпределителните мрежи. Безопасността, опазването на околната среда, надеждността при използване, енергийната ефективност и икономичността са неизбежни тенденции в неговото развитие. Традиционните RMU са основно представени от RMU с изолация с SF6 газ. Благодарение на отличните свойства на SF6 за изгасване на дъга и високите изолационни характеристики, те са широко използвани. Обачно, SF6 причинява парников ефект. С увеличаването на регулаторното налягане върху парниковите газове, развитието на екологични газово-изолирани RMU като алтернатива на SF6 става неизбежна тенденция.

В момента, екологичните газово-изолирани RMU включват RMU с изолация с азот и RMU с изолация с сух въздух. Литературата е представила тези опции. В сравнение с изолационните способности на SF6, тези на азота и сухия въздух са само около една трета. Ето защо, осигуряването, че общата изолационна способност на RMU и неговите вътрешни ключове не се компрометира поради намалената изолационна способност на медиумът, докато се поддържа съществуващото пространство на кабинета, е особено важно. Това се отразява предимно в дизайна на вътрешната електрическа структура и изолационната структура. Разумен дизайн на електрическа и изолационна структура може да компенсира недостатъци в изолационните свойства на медиума.

Тази статия се фокусира върху изолационната пролука в определен 12kV RMU с въздушна изолация. Анализира близкото разпределение на електрическото поле и неговата равномерност, оценява изолационните характеристики в това място и провежда структурна оптимизация, за да намали вероятността за разряд и да подобри изолационните характеристики. Целта на изследването е да предостави референция за изолационния дизайн на подобни продукти.

​1 Структура на RMU с въздушна изолация​

Тримерната структурна модель на изучавания в тази статия RMU с въздушна изолация е показана на Фигура 1. Главната цепна структура на RMU използва схема, комбинираща вакуумен ключ и трипозиционен ключ. Разположението използва схема, при която трипозиционният ключ е разположен на страната на шината, т.е. трипозиционният ключ е разположен в горната част на RMU, докато вакуумният ключ е разположен в долната част чрез твърда изолационна колона.

Тъй като вакуумният ключ е капсулиран в колоната, неговата външна част е изолирана с епоксидна смола. Изолационните способности на епоксидната смола са много по-високи от тези на въздуха, което удовлетворява изолационните изисквания. Освен това свързващата шина на запечатаната част на твърдата изолационна колона включва закръгления ъгъл, извит дизайн и силиконова резинова запечатка, решавайки проблема с локализираните разряди в това място. Изолационните разстояния между шините и до земята са проектирани в съответствие със съответните изолационни изисквания и съответстват на регламентите.

Изолационната плочка на трипозиционния ключ се изолира напълно чрез въздушен медиум. Като движеща се свързваща част, нейният конструктивен дизайн включва метални части, като пипки, пружини, диск-пружини и фиксиращи пръстени, за да увеличи контактното налягане между изолационните контакти. Но, благодарение на специалните форми на тези метални части, те могат да причинят силно неравномерно разпределение на електрическото поле, активирайки локализиран разряд. Това представлява риск от пробив, неблагоприятно влияещ на изолационните характеристики в това място. Затова, електрическият конструктивен дизайн тук е особено важен.

Според изискванията за дизайн на продукта, изолационната пролука трябва да издържа номинално кратковременно изпитателно напрежение на честота на 50kV. Минималното електрическо разстояние за изолационната пролука е проектирано като 100mm. С оглед на сложността на структурата на изолационната плочка, добавени са градиентни защитни щитове от двете страни на изолационната плочка, за да се подобри равномерността на електрическото поле и да се намали възникването на локализиран разряд. Тримерната модел на трипозиционния ключ е показана на Фигура 2. Съответно, тази статия провежда симулация на електрическото поле на изолационната пролука.

Било използвано крайно елементно софтуер, за да се моделира електрическото поле на RMU, анализирайки разпределението на интензитета на електрическото поле в изолационната пролука при даденото номинално кратковременно изпитателно напрежение на честота от 50kV. Две сценарии за симулация на електростатичното поле са дефинирани:

• ​Сценарий 1:​​ Стороната на шината (страната със седло на изолационен контакт) е свързана с ниско потенциално напрежение (0V), страната на линията (страната с главата на изолационната плочка) е свързана с високо потенциално напрежение (50kV).
• ​Сценарий 2:​​ Стороната на шината (страната със седло на изолационен контакт) е свързана с високо потенциално напрежение (50kV), страната на линията (страната с главата на изолационната плочка) е свързана с ниско потенциално напрежение (0V).

От симулацията са получени разпределенията на интензитета на електрическото поле в местата на максимален интензитет на електрическото поле в изолационната пролука за двете сценарии. Разпределението на интензитета на електрическото поле в главата на изолационната плочка за Сценарий 1 е показано на Фигура 3, а това в седлото на изолационния контакт за Сценарий 2 е показано на Фигура 4. Максималният интензитет на електрическото поле в Сценарий 1 се явява на края на градиентния щит, измерващ 7.07 kV/mm. Максималният в Сценарий 2 е на закръгления ъгъл на седлото на изолационния контакт, измерващ 4.90 kV/mm.

Критичната пробивна сила на електрическото поле за въздух при стандартни условия обикновено е 3 kV/mm. Фигури 3 и 4 показват, че въпреки че локализирани области в изолационната пролука надвишават 3 kV/mm, интензитетът на електрическото поле в други области остава под този праг, правейки пробив маловероятен. Обаче, локализиран разряд ще се появи в локализираните позиции, където интензитетът на електрическото поле надвишава 3 kV/mm.

Когато въздухът се променя от сух до влажен, неговите изолационни способности намаляват. Критичната пробивна сила на електрическото поле при равномерно поле пада под 3 kV/mm. Освен това, изключително неравномерното разпределение на електрическото поле също намалява критичната пробивна сила на въздуха. И двата фактора увеличават възможността и риска от пробив. За да се намали въздействието на външните екологични условия върху въздушния изолационен медиум и да се подобри коефициентът на равномерност на електрическото поле, тази статия има за цел да определи степента на равномерност на електрическото поле в изолационната пролука и стойността на пробивното напрежение на пролуката. Това служи като основа за подобряване на изолационните способности на изолационната пролука.

​3 Характеристики на въздушната изолация​

​3.1 Определяне на коефициента на неравномерност на електрическото поле​

Перфектно равномерни електрически полета не съществуват в практиката; всички електрически полета са неравномерни. В зависимост от коефициента на неравномерност f, електрическите полета се класифицират в два типа: леко неравномерни електрически полета, когато f ≤ 4; и изключително неравномерни електрически полета, когато f > 4. Коефициентът на неравномерност на електрическото поле f се определя от f = E_max / E_avg, където E_max е локалният максимален интензитет на електрическото поле, достъпен от резултатите на симулацията, а E_avg е средният интензитет на електрическото поле, изчислен като приложено напрежение, делено на минималното електрическо разстояние.

От Фигура 3, E_max = 7.07 kV/mm и E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Следователно, коефициентът на неравномерност за изолационната пролука f = 14.14 > 4, класифицирана като изключително неравномерно поле. Стабилни локализирани разрядни явления могат да се формират близо до изключително неравномерни полета. Колкото по-голяма е степента на неравномерност, толкова по-изразен е локализираният разряд и по-голям е размерът на разряда. За 12kV RMU, изискването е, че общият локализиран разряд на целия кабинет трябва да е по-малък от 20pC. Намаляването на коефициента на неравномерност f е благоприятно за намаляване на размера на локализирания разряд.

​3.2 Определяне на пробивното напрежение на въздуха​

Коефициентът на неравномерност влияе върху пробивното напрежение на сух въздух. Когато полето е леко неравномерно, пробивното напрежение е:
​Формула (1)​​

Където:

• U е пробивното напрежение.
• d е минималното електрическо разстояние между електродите.
• k е коефициент на надеждност, обикновено в интервала от 1.2 до 1.5, в зависимост от опит.
• E₀ е пробивната сила на електрическото поле на газа. В практиката, тази стойност е свързана със структурата на електрода. Пробивната сила на електрическото поле на въздуха варира при различни структури и разстояния на електродите. За сравнителен анализ в тази статия, E₀ = 3 kV/mm е предварително зададена.

От Формула (1), увеличаването на минималното електрическо разстояние d или намаляването на коефициента на неравномерност f може да подобри пробивното напрежение на въздуха. Когато полето е изключително неравномерно, за електроди с минимално разстояние d около 100mm, пробивното напрежение се определя от:
​Формула (2)​​

Където U_50%(d) е пробивното напрежение на 50% при мълниев удар за електрода с електрическо разстояние d. В изключително неравномерни полета, пробивното напрежение показва значително разсеяние и дълго време на забавяне при разряд, правейки го много нестабилен.

В инженерната практика, U_50%(d) се определя чрез многократни тестове на мълниев удар: напрежението, при което се наблюдава пробив с 50% вероятност, се дефинира като U_50%(d). Тази стойност зависи от структурата на продукта и степента на равномерност на полето. Установено е, че по-нисък коефициент на неравномерност води до по-малко разсеяне на пробивното напрежение, по-високо пробивно напрежение и следователно, по-високо пробивно напрежение. Следователно, намаляването на коефициента на неравномерност f подобрява пробивното напрежение на изолационната пролука.

​4 Структурна оптимизация​

За да се подобри равномерността на електрическото поле около главата на изолационната плочка и да се намали коефициентът на неравномерност, структурата на градиентния щит е оптимизирана.

В сравнение с оригинален дизайн, оптимизираният градиентен щит има подебелен край с закръглен ъгъл. Радиусът на закръгляване е увеличен от 0.75mm до 4mm, увеличавайки радиуса на закръгленията в тази област, което помага за по-равномерно разпределение на електрическото поле. Разпределението на интензитета на електрическото поле в оптимизираната глава на изолационната плочка е показано на Фигура 7. Фигурата показва, че максималният интензитет на електрическото поле в това място е сега 3.66 kV/mm, приблизително половината от стойността преди оптимизация, указвайки значително подобрение.

На базата на формулата f = E_max / E_avg, коефициентът на неравномерност на електрическото поле след оптимизация е 7.32. В сравнение с преди-оптимизационното състояние, тази стойност е намалена до приблизително половината. Равномерността на електрическото поле близо до главата на изолационната плочка също е значително подобрена, демонстрирайки разумността на структурната оптимизация.

Оптимизираната структура на градиентния щит наистина намалява риска от пробивен разряд през изолационната пролука. Обаче, електрическото поле през пролуката остава изключително неравномерно, и неговото пробивно напрежение все още се определя от U_50%(d). До каква степен може да се увеличи пробивното напрежение, трябва да се определи чрез последващи полеви тестове.

​5 Заключение​

Чрез анализ на електрическото поле на изолационната пролука в 12kV RMU с въздушна изолация, тази статия достигна до следните заключения:

1. Благодарение на по-слабите изолационни способности на въздуха в сравнение с SF6, използването на въздух за изолация в трипозиционния ключ в RMU изисква подобряване на разпределението на електрическото поле, за да се подобри изолационната способност.
2. Благодарение на сложната структура на движещите се части (изолационната плочка) в трипозиционния ключ на RMU с въздушна изолация, разпределението на интензитета на електрическото поле в локализирани позиции може да стане изключително неравномерно. За да се намали неравномерността, могат да се добавят градиентни щитове от двете страни на изолационната плочка, за да се защити интензитетът на електрическото поле близо до краищата на свързващите части на плочката, премествайки максималния локален интензитет на електрическото поле към краищата на градиентните щитове. Тази статия увеличи радиуса на закръгляване на края на градиентния щит от 0.75mm до 4mm. Това намали както максималния локален интензитет на електрическото поле, така и коефициента на неравномерност до приблизително половината от техните оригинални стойности, постигайки желания ефект.
3. Степента на равномерност на електрическото поле, или коефициентът на неравномерност, значително влияе върху локализираните разряди и пробивните разряди. Изключително неравномерни полета лесно водят до стабилни локализирани разряди (коронен разряд). За както леко, така и изключително неравномерни полета, по-висок коефициент на неравномерност съответства на по-ниско пробивно напрежение между двата електрода.