Esquema de Disseny Òptim per a la Unitat Principal d'Anell d'12kV Aire-Isolada per Reduir la Probabilitat de Descàrrega per Trencament

Amb el ràpid desenvolupament de l'indústria elèctrica, el concepte ecològic de baixes emissions de carboni, ahorro d'energia i protecció ambiental s'ha integrat profundament en el disseny i la fabricació de productes elèctrics de subministrament i distribució. La Unitat de Anell Principal (RMU) és un dispositiu elèctric clau en les xarxes de distribució. La seguretat, la protecció ambiental, la fiabilitat operativa, l'eficiència energètica i l'economia són tendències inevitables en el seu desenvolupament. Les RMUs tradicionals es representen principalment per les RMUs aïllades amb gas SF6. Gràcies a l'excel·lent capacitat d'extinció d'arc i al nivell d'aïllament elevat del SF6, han estat ampliament utilitzades. No obstant això, el SF6 provoca l'efecte de l'estufa. Amb la pressió reguladora creixent sobre els gasos d'efecte hivernacle, el desenvolupament de RMUs aïllades amb gas amigable amb l'ambient com a alternatives al SF6 ha esdevingut una tendència imperativa.

Actualment, les RMUs aïllades amb gas amigable amb l'ambient inclouen les RMUs aïllades amb nitrògen i les RMUs aïllades amb aire sec. La literatura ha introduït aquestes opcions. En comparació amb la capacitat d'aïllament del SF6, la del nitrògen i l'aire sec només és d'uns terços. Per tant, assegurar que el rendiment global d'aïllament de la RMU i els seus interruptors interns no es veu compromès degut a la reducció del rendiment de l'aïllament del medi, mentre es manté l'espai existent de l'armari, és particularment crucial. Això es reflecteix principalment en el disseny de l'estructura elèctrica interna i l'estructura d'aïllament. Un disseny raonable de l'estructura elèctrica i d'aïllament pot compensar la deficiència del rendiment del medi d'aïllament.

Aquest article es centra en un espai d'isolament dins d'una certa RMU aïllada amb aire de 12kV. Analitza la distribució del camp elèctric proper i la seva uniformitat, avalua el rendiment d'aïllament en aquest lloc i realitza una optimització estructural per reduir la probabilitat de descàrrega i millorar el rendiment d'aïllament. L'estudi té com objectiu proporcionar una referència pel disseny d'aïllament de productes similars.

​1 Estructura de la RMU aïllada amb aire​

El model estructural 3D de la RMU aïllada amb aire estudiat en aquest article es mostra a la Figura 1. La estructura del circuit principal de la RMU adopta un esquema que combina un interruptor de vacuï i un interruptor de tres posicions. La disposició utilitza un esquema on l'interruptor de tres posicions es troba al costat de la barra de bus, és a dir, l'interruptor de tres posicions s'organitza a la part superior de la RMU, mentre que l'interruptor de vacuï s'organitza a la part inferior mitjançant un pols d'aïllament sòlid.

Com que l'interruptor de vacuï està encapsulat dins del pols, el seu exterior està aïllat amb resina epoxi. La capacitat d'aïllament de la resina epoxi és molt superior a la de l'aire, així que compleix els requisits d'aïllament. A més, la barra de connexió al final tancat del pols d'aïllament sòlid incorpora cantons arrodonits, dissenys corbats i estanqueïtat de caucho de silicona, resolent problemes de descàrrega parcial en aquest punt. Les separacions d'aïllament entre les barres de bus i cap a terra estan dissenyades segons els requisits d'aïllament rellevants i compleixen les normatives.

La llama d'isolament de l'interruptor de tres posicions depèn totalment del medi d'aire per a l'aïllament. Com a component connectant mòbil, el seu disseny estructural incorpora parts metàl·liques com puntes, molles, discos de molla i anells retenedors per augmentar la pressió de contacte entre els contactes d'isolament. No obstant això, a causa de les formes especials d'aquestes parts metàl·liques, poden causar una distribució del camp elèctric extremadament no uniforme, desencadenant descàrregues parcials. Això suposa un risc de descàrrega de trencament, afectant negativament el rendiment d'aïllament en aquest lloc. Per tant, el disseny estructural elèctric aquí és particularment important.

Segons els requisits de disseny del producte, l'espai d'isolament ha de suportar un voltatge de resistència de freqüència industrial a curt termini de 50kV. La separació elèctrica mínima per a l'espai d'isolament està dissenyada com 100mm. Considerant la complexitat de l'estructura de la llame d'isolament, s'han afegit escuts de graduació als dos costats de la llame d'isolament per millorar la uniformitat del camp elèctric i reduir l'ocurrència de descàrregues parcials. El model 3D de l'interruptor de tres posicions es mostra a la Figura 2. En conseqüència, aquest article realitza una anàlisi de simulació del camp elèctric a l'espai d'isolament.

S'utilitzà programari d'elements finits per simular el camp elèctric de la RMU, analitzant la distribució de la intensitat del camp elèctric a través de l'espai d'isolament sota el voltatge de resistència de freqüència industrial a curt termini de 50kV donat. Es van definir dos escenaris per a la simulació del camp electroestàtic:

• ​Escenari 1:​​ Costat de la barra de bus (costat amb el seient de contacte d'isolament estàtic) connectat a baixa potencial (0V), costat de la línia (costat amb la capçalera de la llame d'isolament) connectat a alta potencial (50kV).
• ​Escenari 2:​​ Costat de la barra de bus (costat amb el seient de contacte d'isolament estàtic) connectat a alta potencial (50kV), costat de la línia (costat amb la capçalera de la llame d'isolament) connectat a baixa potencial (0V).

Es van obtenir les distribucions del camp elèctric a la ubicació de la màxima intensitat del camp elèctric dins de l'espai d'isolament per a tots dos escenaris a partir de la simulació. La distribució de la intensitat del camp elèctric a la capçalera de la llame d'isolament per a l'Escenari 1 es mostra a la Figura 3, i la del seient de contacte d'isolament estàtic per a l'Escenari 2 es mostra a la Figura 4. La màxima intensitat del camp elèctric en l'Escenari 1 ocorre a l'extrem de l'escut de graduació, mesurant 7,07 kV/mm. La màxima en l'Escenari 2 és a la cantonada del seient de contacte d'isolament estàtic, mesurant 4,90 kV/mm.

La fortaça crítica de trencament del camp elèctric per a l'aire en condicions estàndard és generalment de 3 kV/mm. Les Figures 3 i 4 mostren que, encara que algunes àrees locals dins de l'espai d'isolament superen els 3 kV/mm, la fortaça del camp en altres àrees roman per sota d'aquest llindar, fent improbable la descàrrega de trencament. No obstant això, la descàrrega parcial ocurrirà en les posicions locals on la fortaça del camp supera els 3 kV/mm.

Quan l'aire canvia de sec a humit, la seva capacitat d'aïllament disminueix. La fortaça crítica de trencament del camp elèctric en condicions de camp uniforme cau per sota de 3 kV/mm. A més, una distribució extremadament no uniforme del camp elèctric també redueix la fortaça crítica de trencament de l'aire. Ambdós factors incrementen la possibilitat i el risc de trencament. Per mitigar l'impacte de les condicions ambientals externes en el medi d'aïllament d'aire i millorar el coeficient d'uniformitat del camp elèctric, aquest article té com objectiu determinar el grau d'uniformitat del camp elèctric a través de l'espai d'isolament i el valor de resistència de l'espai. Això serveix com base per millorar la capacitat d'aïllament de l'espai d'isolament.

​3 Característiques d'aïllament d'aire​

​3.1 Determinació del coeficient de no-uniformitat del camp elèctric​

Els camps elèctrics perfectament uniformes no existeixen en la pràctica; tots els camps elèctrics són no uniformes. Basant-se en el coeficient de no-uniformitat f, els camps elèctrics es classifiquen en dos tipus: camps elèctrics lleugerament no uniformes quan f ≤ 4; i camps elèctrics extremadament no uniformes quan f > 4. El coeficient de no-uniformitat del camp elèctric f es determina per f = E_max / E_avg, on E_max és la fortaça màxima local del camp elèctric, obtinguda dels resultats de la simulació, i E_avg és la fortaça mitjana del camp elèctric, calculada com el voltatge aplicat dividit per la separació elèctrica mínima.

De la Figura 3, E_max = 7,07 kV/mm i E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Per tant, el coeficient de no-uniformitat per a l'espai d'isolament f = 14,14 > 4, classificant-lo com un camp extremadament no uniforme. Fenòmens de descàrrega parcial estables poden formar-se prop de camps extremadament no uniformes. Més gran és el grau de no-uniformitat, més pronunciada és la descàrrega parcial, i més gran és la magnitud de la descàrrega. Per a una RMU de 12kV, el requisit és que la descàrrega parcial total de tot l'armari hagi de ser menor de 20pC. Reduir el coeficient de no-uniformitat f és beneficiós per disminuir la magnitud de la descàrrega parcial.

​3.2 Determinació del voltatge de resistència de l'aire​

El coeficient de no-uniformitat afecta el voltatge de resistència de l'aire sec. Quan el camp és lleugerament no uniforme, el voltatge de resistència és:
​Fórmula (1)​​

On:

• U és el voltatge de resistència.
• d és la separació elèctrica mínima entre els electrodos.
• k és un factor de fiabilitat, típicament entre 1,2 i 1,5 basat en l'experiència.
• E₀ és la fortaça de trencament del camp elèctric del gas. En la pràctica, aquest valor està relacionat amb la estructura dels electrodos. La fortaça de trencament de l'aire varia en diferents estructures d'electrodos i separacions. Per a l'anàlisi comparativa en aquest article, s'ha establert provisionalment E₀ = 3 kV/mm.

De la Fórmula (1), augmentar la separació elèctrica mínima d o disminuir el coeficient de no-uniformitat f pot millorar el voltatge de resistència de l'aire. Quan el camp és extremadament no uniforme, per a electrodos amb una separació mínima d al voltant de 100mm, el voltatge de resistència es determina per:
​Fórmula (2)​​

On U_50%(d) és el voltatge de trencament per impuls de llamp de 50% per a l'electrodo amb una separació elèctrica d. En camps extremadament no uniformes, el voltatge de trencament presenta una dispersió significativa i un retard de temps de descàrrega llarg, fent-ho molt inestable.

En la pràctica enginyerística, U_50%(d) es determina a través de múltiples proves d'impuls de llamp: el voltatge aplicat en el qual es produeix el trencament amb una probabilitat del 50% s'especifica com U_50%(d). Aquest valor depèn de la estructura del producte i el grau d'uniformitat del camp. S'ha establert que un coeficient de no-uniformitat més baix resulta en una dispersió de voltatge de trencament més petita, un voltatge de trencament més elevat i, en conseqüència, un voltatge de resistència més elevat. Per tant, reduir el coeficient de no-uniformitat f millores el voltatge de resistència de l'espai d'isolament.

​4 Optimització estructural​

Per millorar la uniformitat del camp elèctric a la volta de la capçalera de la llame d'isolament i reduir el coeficient de no-uniformitat, s'ha optimitzat l'estructura de l'escut de graduació.

En comparació amb el disseny original, l'escut de graduació optimitzat té un extrem engrosat amb un disseny de cantonada arrodonida. El radi de fillet s'ha incrementat de 0,75 mm a 4 mm, augmentant el radi de curvatura en aquesta àrea, el que beneficia aconseguir una distribució de camp més uniforme. La distribució de la intensitat del camp elèctric a la capçalera de la llame d'isolament optimitzada es mostra a la Figura 7. La figura mostra que la màxima intensitat del camp elèctric en aquest lloc ara és de 3,66 kV/mm, aproximadament la meitat del valor abans de l'optimització, indicant una millora significativa.

Basant-se en la fórmula f = E_max / E_avg, el coeficient de no-uniformitat del camp elèctric després de l'optimització és 7,32. En comparació amb l'estat pre-optimització, aquest valor s'ha reduït a la meitat. La uniformitat del camp elèctric a la volta de la capçalera de la llame d'isolament també s'ha millorat significativament, demostrant la raonabilitat de l'optimització estructural.

L'estructura de l'escut de graduació optimitzada redueix efectivament el risc de descàrrega de trencament a través de l'espai d'isolament. No obstant això, el camp a través de l'espai segueix sent extremadament no uniforme, i el seu voltatge de resistència encara es determina per U_50%(d). L'extensió en què el voltatge de resistència pot augmentar necessita ser determinada a través de proves de camp posteriors.

​5 Conclusió​

A través de l'anàlisi del camp elèctric de l'espai d'isolament d'una RMU aïllada amb aire de 12kV, aquest article ha arribat a les següents conclusions:

1. Degut a la capacitat d'aïllament inferior de l'aire en comparació amb el SF6, utilitzar l'aire per a l'aïllament en l'interruptor de tres posicions dins de les RMUs requereix millorar la distribució del camp elèctric per augmentar la capacitat d'aïllament.
2. Degut a la complexitat estructural de les parts mòbils (la llame d'isolament) dins de l'interruptor de tres posicions de les RMUs aïllades amb aire, la distribució de la intensitat del camp elèctric en posicions locals pot tornar-se extremadament no uniforme. Per reduir la no-uniformitat, es poden afegir escuts de graduació als dos costats de la llame d'isolament per aïllar la intensitat del camp elèctric prop de les connexions de la llame, desplaçant la màxima intensitat local del camp elèctric a les extremitats dels escuts de graduació. Aquest article ha incrementat el radi de curvatura de l'extrem de l'escut de graduació de 0,75 mm a 4 mm. Això ha reduït tant la màxima intensitat local del camp elèctric com el coeficient de no-uniformitat a la meitat dels seus valors originals, aconseguint l'efecte desitjat.
3. El grau d'uniformitat del camp elèctric, o el coeficient de no-uniformitat, impacta significativament la descàrrega parcial i la descàrrega de trencament. Els camps extremadament no uniformes poden portar fàcilment a descàrregues parcials estables (descàrregues de corona). Tanto per a camps lleugerament no uniformes com per a camps extremadament no uniformes, un coeficient de no-uniformitat més elevat correspon a un voltatge de resistència més baix entre els dos electrodos.