Optimalizační návrh schématu pro 12kV vzduchem izolovanou okružní jednotku s vypínací mezerou k snížení pravděpodobnosti protržení a výboje

S rychlým rozvojem elektřinářského průmyslu se ekologický koncept nízkouhlíkovosti, energetické úspornosti a ochrany životního prostředí hluboce integroval do návrhu a výroby zařízení pro distribuci elektrické energie. Okruhová přepážková jednotka (RMU) je klíčovým elektrickým zařízením v distribučních sítích. Bezpečnost, environmentální přátelství, spolehlivost provozu, energetická efektivita a ekonomika jsou nevyhnutelné trendy jeho vývoje. Tradiční RMU jsou především reprezentovány SF6 plynově izolovanými RMU. Díky vynikající schopnosti uhašení oblouku a vysoké izolační vlastnosti byly široce používány. Nicméně, SF6 způsobuje skleníkový efekt. Vzhledem k rostoucímu regulačnímu tlaku na skleníkové plyny se stalo nutným trendem vyvíjet environmentálně přátelské plynově izolované RMU jako alternativu k SF6.

V současné době zahrnují environmentálně přátelské plynově izolované RMU dusíkem izolované RMU a suchým vzduchem izolované RMU. Literatura tuto možnost uvádí. Porovnáním s izolační schopností SF6 má dusík a suchý vzduch pouze asi jednu třetinu této schopnosti. Proto je zvláště důležité zajistit, aby celkové izolační vlastnosti RMU a jeho interních spínačů nebyly kompromitovány kvůli snížené izolační schopnosti média, a to i při zachování stávajícího prostoru skříně. To je hlavně odráženo v návrhu interní elektrické struktury a izolační struktury. Rozumný návrh elektrické a izolační struktury může kompenzovat nedostatek výkonu izolačního média.

Tento článek se zaměřuje na izolační mezeru v určité 12kV vzduchem izolované RMU. Analyzuje blízké rozložení elektrického pole a jeho rovnoměrnost, hodnotí izolační vlastnosti v tomto místě a provádí strukturální optimalizaci k snížení pravděpodobnosti výboje a zlepšení izolačních vlastností. Studie má za cíl poskytnout referenci pro izolační návrh podobných produktů.

​1 Struktura vzduchem izolované RMU​

3D strukturní model studované vzduchem izolované RMU je znázorněn na obrázku 1. Hlavní obvodová struktura RMU používá schéma kombinující vakuumový spínač a třípolohový spínač. Rozvržení používá schéma, kdy třípolohový spínač je umístěn na straně sběrnice, tj. třípolohový spínač je uspořádán na horní straně RMU, zatímco vakuumový spínač je uspořádán na dolní straně prostřednictvím pevné izolační tyče.

Jelikož je vakuumový spínač zabalen uvnitř tyče, jeho vnější část je izolována epoxidovou smolou. Izolační schopnost epoxidové smoly je mnohem lepší než vzduchu, což splňuje izolační požadavky. Kromě toho spojovací sběrnice na uzavřeném konci pevné izolační tyče obsahuje zaoblené rohy, zakřivené návrhy a silikonové gumové uzávěry, které řeší problémy s částečným výbojem v tomto místě. Izolační mezery mezi sběrnicemi a k zemi jsou navrženy podle příslušných izolačních požadavků a dodržují předpisy.

Izolační čepel třípolohového spínače se zcela spoléhá na vzduchové médium pro izolaci. Jako pohyblivá spojovací součást je její strukturální návrh doplněn o kovové části, jako jsou hřebíky, pružiny, disky a držáky, které zajišťují zvýšení kontaktového tlaku mezi izolačními styky. Nicméně, vzhledem k specifickým tvarem těchto kovových částí mohou způsobit velmi nerovnoměrné rozložení elektrického pole, což může vyvolat částečný výboj. To představuje riziko prolomení a nepříznivě ovlivňuje izolační vlastnosti v tomto místě. Proto je zde zvláště důležitý návrh elektrické struktury.

Podle požadavků na návrh produktu musí izolační mezera odolat krátkodobé síti napětí 50kV. Minimální elektrická mezera pro izolační mezera je navržena jako 100mm. Vzhledem ke složitosti struktury izolační čepel byly na obou stranách izolační čepel přidány stupňovité štíty, aby se zlepšila rovnoměrnost elektrického pole a snížil výskyt částečného výboje. 3D model třípolohového spínače je znázorněn na obrázku 2. Tento článek provádí simulaci elektrického pole v izolační mezeře.

Pro simulaci elektrického pole RMU bylo použito konečně prvkového softwaru, který analyzoval rozložení intenzity elektrického pole v izolační mezeře za daného 50kV krátkodobého síti napětí. Byly definovány dvě scénáře pro simulaci elektrostatického pole:

• ​Scénář 1:​​ Strana sběrnice (strana s izolačním statickým kontaktem) připojena k nízkému potenciálu (0V), strana linky (strana s hlavou izolační čepel) připojena k vysokému potenciálu (50kV).
• ​Scénář 2:​​ Strana sběrnice (strana s izolačním statickým kontaktem) připojena k vysokému potenciálu (50kV), strana linky (strana s hlavou izolační čepel) připojena k nízkému potenciálu (0V).

Z simulace bylo získáno rozložení intenzity elektrického pole v místě maximální intenzity elektrického pole v izolační mezeře pro oba scénáře. Rozložení intenzity elektrického pole u hlavy izolační čepel pro Scénář 1 je znázorněno na obrázku 3 a u izolačního statického kontaktu pro Scénář 2 na obrázku 4. Maximální intenzita elektrického pole ve Scénáři 1 se vyskytuje na konci stupňovitého štítu, dosahující 7,07 kV/mm. Maximální hodnota ve Scénáři 2 je na zaoblení izolačního statického kontaktu, dosahující 4,90 kV/mm.

Kritická prolomová intenzita elektrického pole pro vzduch za standardních podmínek je obecně 3 kV/mm. Obrázky 3 a 4 ukazují, že i když v místech izolační mezeře přesahují 3 kV/mm, intenzita v ostatních oblastech zůstává pod touto hranicí, což znamená, že prolomení není pravděpodobné. Nicméně, v lokalizovaných místech, kde intenzita přesahuje 3 kV/mm, dojde k částečnému výboji.

Když se vzduch změní z suchého na vlhký, jeho izolační schopnost klesne. Kritická prolomová intenzita elektrického pole za rovnoměrných podmínek klesne pod 3 kV/mm. Navíc extrémně nerovnoměrné rozložení elektrického pole také snižuje kritickou prolomovou intenzitu elektrického pole vzduchu. Oba faktory zvyšují možnost a riziko prolomení. Aby byl minimalizován vliv externích podmínek na vzduchové izolační médium a zlepšen koeficient rovnoměrnosti elektrického pole, tento článek má za cíl určit stupeň rovnoměrnosti elektrického pole v izolační mezeře a hodnotu odolnosti proti napětí této mezeře. To slouží jako základ pro zlepšení izolačních vlastností izolační mezeře.

​3 Vlastnosti vzduchové izolace​

​3.1 Určení koeficientu nerovnoměrnosti elektrického pole​

Úplně rovnoměrná elektrická pole prakticky neexistují; všechna elektrická pole jsou nerovnoměrná. Na základě koeficientu nerovnoměrnosti f jsou elektrická pole rozdělena do dvou typů: mírně nerovnoměrná elektrická pole, kdy f ≤ 4; a extrémně nerovnoměrná elektrická pole, kdy f > 4. Koeficient nerovnoměrnosti elektrického pole f je určen vztahem f = E_max / E_avg, kde E_max je lokální maximální intenzita elektrického pole, získaná ze simulací, a E_avg je průměrná intenzita elektrického pole, vypočtená jako aplikované napětí děleno minimální elektrickou mezerou.

Z obrázku 3, E_max = 7,07 kV/mm a E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Tedy koeficient nerovnoměrnosti pro izolační mezeru f = 14,14 > 4, což ji klasifikuje jako extrémně nerovnoměrné pole. U extrémně nerovnoměrných polí se mohou formovat stabilní jevy částečného výboje. Čím větší stupeň nerovnoměrnosti, tím více výrazný je částečný výboj a tím větší je jeho magnitude. Pro 12kV RMU je požadováno, aby celkový částečný výboj celé skříně byl menší než 20pC. Snížení koeficientu nerovnoměrnosti f je prospěšné pro snížení magnitude částečného výboje.

​3.2 Určení odolnosti proti napětí vzduchu​

Koeficient nerovnoměrnosti ovlivňuje odolnost proti napětí sušeného vzduchu. Když je pole mírně nerovnoměrné, odolnost proti napětí je:
​Vzorec (1)​​

Kde:

• U je odolnost proti napětí.
• d je minimální elektrická mezera mezi elektrodami.
• k je faktor spolehlivosti, obvykle se pohybuje v rozmezí 1,2 až 1,5 na základě zkušeností.
• E₀ je intenzita elektrického pole při prolomu plynu. Ve skutečnosti se tato hodnota týká struktury elektrody. Intenzita elektrického pole při prolomu vzduchu se liší podle struktury elektrody a mezery. Pro srovnávací analýzu v tomto článku je E₀ = 3 kV/mm dočasně nastaveno.

Z Vzorce (1) lze zvýšit minimální elektrickou mezeru d nebo snížit koeficient nerovnoměrnosti f, aby se zlepšila odolnost proti napětí vzduchu. Když je pole extrémně nerovnoměrné, pro elektrody s minimální mezerou d okolo 100mm je odolnost proti napětí určena:
​Vzorec (2)​​

Kde je blesková impulsní 50% prolomové napětí pro elektrodu s elektrickou mezerou d. V extrémně nerovnoměrných polích se prolomové napětí výrazně rozmazává a má dlouhou dobu prodlevy při výboji, což ho dělá velmi nestabilním.

V inženýrské praxi se U_50%(d) určuje prostřednictvím více bleskových impulsních testů: napětí, při kterém dojde k prolomu s 50% pravděpodobností, je definováno jako U_50%(d). Tato hodnota závisí na struktuře produktu a stupni rovnoměrnosti pole. Je zjištěno, že nižší koeficient nerovnoměrnosti vede k menšímu rozmazání prolomového napětí, vyššímu prolomovému napětí a tedy vyšší odolnosti proti napětí. Proto snížení koeficientu nerovnoměrnosti f zlepšuje odolnost proti napětí izolační mezeře.

​4 Strukturální optimalizace​

Aby byla zlepšena rovnoměrnost elektrického pole kolem hlavy izolační čepel a snížen koeficient nerovnoměrnosti, byla struktura stupňovitého štítu optimalizována.

Ve srovnání s původním návrhem má optimalizovaný stupňovitý štít ztlustlý konec s zaobleným návrhem. Poloměr zaoblení byl zvětšen z 0,75 mm na 4 mm, což zlepšuje poloměr zakřivení v této oblasti, což je pro dosažení rovnoměrnějšího rozložení pole výhodné. Rozložení intenzity elektrického pole u optimalizované hlavy izolační čepel je znázorněno na obrázku 7. Obrázek ukazuje, že maximální intenzita elektrického pole v tomto místě je nyní 3,66 kV/mm, což je přibližně polovina hodnoty před optimalizací, což naznačuje významné zlepšení.

Na základě vzorce f = E_max / E_avg je koeficient nerovnoměrnosti elektrického pole po optimalizaci 7,32. Ve srovnání s předoptimalizačním stavem je tato hodnota snížena na přibližně polovinu. Rovnoměrnost elektrického pole v okolí hlavy izolační čepel se také významně zlepšila, což dokazuje správnost strukturální optimalizace.

Optimalizovaná struktura stupňovitého štítu skutečně snižuje riziko prolomení v izolační mezeře. Nicméně, elektrické pole v této mezeře zůstává extrémně nerovnoměrné a jeho odolnost proti napětí je stále určena U_50%(d). Míra, do jaké lze zvýšit odolnost proti napětí, musí být určena prostřednictvím následných terénních testů.

​5 Závěr​

Přes analýzu elektrického pole v izolační mezeře 12kV vzduchem izolované RMU tento článek dosáhl následujících závěrů:

1. Vzhledem k horší izolační schopnosti vzduchu oproti SF6 je použití vzduchu pro izolaci v třípolohovém spínači uvnitř RMU nezbytné zlepšit rozložení elektrického pole, aby se zlepšily izolační vlastnosti.
2. Vzhledem k složitosti pohyblivých částí (izolační čepel) v třípolohovém spínači vzduchem izolovaných RMU může rozložení intenzity elektrického pole v lokalizovaných místech být velmi nerovnoměrné. Aby byla snížena nerovnoměrnost, lze na obou stranách izolační čepel přidat stupňovité štíty, které budou chránit intenzitu elektrického pole u konců spojovacích čepel, přičemž maximální lokální intenzita elektrického pole se posune na konce stupňovitých štitů. Tento článek zvětšil poloměr zakřivení konce stupňovitého štítu z 0,75 mm na 4 mm. To snížilo jak maximální lokální intenzitu elektrického pole, tak koeficient nerovnoměrnosti na přibližně polovinu jejich původních hodnot, což dosáhlo požadovaného efektu.
3. Stupeň rovnoměrnosti elektrického pole, resp. koeficient nerovnoměrnosti, významně ovlivňuje částečný výboj a prolomení. Extrémně nerovnoměrná pole snadno vedou k stabilnímu částečnému výboji (koronovému výboji). Pro mírně i extrémně nerovnoměrná pole platí, že vyšší koeficient nerovnoměrnosti odpovídá nižší odolnosti proti napětí mezi dvěma elektrodami.