Optimeringsdesignskema for 12kV luftisolerede ringhovedenhedsskilte for at reducere sandsynligheden for nedbrydning og udløsning

Med den hurtige udvikling af elsektoren er begrebet om lavt kulstof fodaftryk, energibesparelser og miljøbeskyttelse blevet dybt integreret i design og produktion af elforsyning- og distributionsprodukter. Ring Main Unit (RMU) er en nøglekomponent i distributionsnetværk. Sikkerhed, miljøvenlighed, driftsfiabilitet, energieffektivitet og økonomi er uundgåelige tendenser i dets udvikling. Traditionelle RMU'er er hovedsageligt repræsenteret ved SF6-gasisolerede RMU'er. På grund af SF6's fremragende evne til at slukke bue og høj isolationskapacitet, har de været bredt anvendt. Imidlertid forårsager SF6 drivhuseffekten. Med stigende reguleringspres på drivhusgasser, er det blevet en nødvendig tendens at udvikle miljøvenlige gasisolerede RMU'er som alternativer til SF6.

I øjeblikket inkluderer miljøvenlige gasisolerede RMU'er nitrogen-isolerede RMU'er og tør luft-isolerede RMU'er. Litteraturen har introduceret disse muligheder. I forhold til SF6's isolationskapacitet, er nitrogen og tør lufts isolationskapacitet kun omkring en tredjedel. Derfor er det særdeles vigtigt at sikre, at den samlede isolationskapacitet af RMU'en og dens interne skifter ikke bliver berørt af den nedsatte isolationskapacitet af mediumet, mens den eksisterende kabinetplads bevares. Dette afspejles hovedsageligt i designet af den interne elektriske struktur og isolationsstruktur. Et fornuftigt design af elektrisk og isolerende struktur kan kompensere for mangel på isoleringsmediums ydeevne.

Denne artikel fokuserer på en isoleringskløft i en bestemt 12kV luft-isoleret RMU. Den analyserer den nærliggende elektriske feltfordeling og dens lighed, vurderer isolationsydeevnen på dette sted, og foretager strukturelle optimeringer for at reducere sandsynligheden for udladning og forbedre isolationsydeevnen. Studiet sigter mod at give en reference for isolationsdesign af lignende produkter.

​1 Struktur af luft-isoleret RMU​

Den 3D-strukturelle model af den luft-isolerede RMU, der undersøges i denne artikel, vises på figur 1. Hovedkredsløbsstrukturen af RMU'en anvender et koncept, der kombinerer en vakuumskifter og en tre-positionskifter. Layoutet anvender et koncept, hvor tre-positionskifteren er placeret på busbar-siden, dvs. tre-positionskifteren er arrangeret på den øverste side af RMU'en, mens vakuumskifteren er arrangeret på den nederste side via en solid-isoleret stang.

Da vakuumskifteren er indkapslet i stangen, er dens yderside isoleret med epoxiharz. Epoxiharzens isolationskapacitet er langt bedre end lufts, hvilket opfylder isolationskravene. Desuden inkluderer den forbundne busbar ved den forsegledes ende af den solid-isolerede stang afrundede hjørner, kurvede design og silikone-lastramme, løser partielle udladningsproblemer på dette punkt. Isolationsafstandene mellem busbars og til jorden er designet i overensstemmelse med relevante isolationskrav og overholder regler.

Isoleringsbladet i tre-positionskifteren er fuldt afhængigt af luft-mediumet for isolation. Som en bevægelig forbindelseskomponent inkluderer dens strukturelle design metaldele som pinde, fjeder, diskfjeder og fastholderringe for at forbedre kontakttrykket mellem isoleringskontakter. Men pga. de specielle former af disse metaldeler, kan de forårsage en høj grad af ulige fordeling af det elektriske felt, udløse partielle udladninger. Dette indebærer en risiko for nedbrydning, som negativt påvirker isolationsydeevnen på dette sted. Derfor er elektrisk strukturelt design her særdeles vigtigt.

Ifølge produkt-designkrav skal isoleringskløften kunne klare en specificeret kortvarig spændingsfrekvensbelastning på 50kV. Den mindste elektriske afstand for isoleringskløften er designet til 100mm. Med hensyn til kompleksiteten af isoleringsbladets struktur, blev graderings-skjold tilføjet på begge sider af isoleringsbladet for at forbedre elektrisk feltlighed og reducere forekomsten af partielle udladninger. Den 3D-model af tre-positionskifteren vises på figur 2. I overensstemmelse hermed foretager denne artikel en simulering af elektrisk feltanalyse af isoleringskløften.

Finit elementsoftware blev brugt til at simulere RMU'ens elektriske felt, analyserer intensitetsfordelingen af elektrisk felt gennem isoleringskløften under den givne 50kV-rated kortvarige spændingsfrekvensbelastning. To scenarier for elektrostatisk felt-simulering blev defineret:

• ​Scenario 1:​​ Busbar-side (side med statisk kontaktbase) forbundet til lav potential (0V), linjeside (side med isoleringsblad-hoved) forbundet til høj potential (50kV).
• ​Scenario 2:​​ Busbar-side (side med statisk kontaktbase) forbundet til høj potential (50kV), linjeside (side med isoleringsblad-hoved) forbundet til lav potential (0V).

Elektriske feltdistributioner på stedet med maksimal elektrisk feltintensitet i isoleringskløften for begge scenarier blev opnået fra simuleringen. Feltdistributioen af elektrisk feltintensitet ved isoleringsblad-hovedet for Scenario 1 vises på figur 3, og den ved statisk kontaktbase for Scenario 2 vises på figur 4. Maksimal feltintensitet i Scenario 1 forekommer ved enden af graderings-skjoldet, målende 7,07 kV/mm. Maksimal i Scenario 2 er ved kantet af statisk kontaktbase, målende 4,90 kV/mm.

Det kritiske nedbrydningsfelt for luft under standardbetingelser er generelt 3 kV/mm. Figurer 3 og 4 viser, at selvom lokale områder i isoleringskløften overstiger 3 kV/mm, forbliver feltintensiteten i andre områder under denne tærskel, hvilket gør nedbrydning udladning usandsynlig. Dog vil partielle udladninger forekomme i lokale positioner, hvor feltstyrken overstiger 3 kV/mm.

Når luft ændrer sig fra tørt til fugtigt, falder dens isolationskapacitet. Det kritiske nedbrydningsfelt under ensartede feltbetingelser falder under 3 kV/mm. Desuden formindsker ekstremt ulige fordeling af elektrisk felt lufts kritiske nedbrydningsfelt. Begge faktorer øger muligheden og risikoen for nedbrydning. For at mildne virkningen af eksterne miljøbetingelser på luft-isoleringsmedium og forbedre lighedskoefficienten af elektrisk felt, sigter denne artikel mod at bestemme graden af lighed af elektrisk felt gennem isoleringskløften og belastningsværdien af kløften. Dette tjener som grundlag for at forbedre isolationskapaciteten af isoleringskløften.

​3 Luft-isolationskarakteristika​

​3.1 Bestemmelse af elektrisk feltulighedskoefficient​

Perfekt ensartede elektriske felt findes ikke i praksis; alle elektriske felt er ulige. Baseret på ulighedskoefficienten f, klassificeres elektriske felt i to typer: let ulige elektriske felt, når f ≤ 4; og ekstremt ulige elektriske felt, når f > 4. Elektrisk feltulighedskoefficienten f bestemmes af f = E_max / E_avg, hvor E_max er lokal maksimal feltstyrke, der kan opnås fra simuleringresultater, og E_avg er gennemsnitlig feltstyrke, beregnet som den anvendte spænding divideret med den mindste elektriske afstand.

Fra figur 3, E_max = 7,07 kV/mm og E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Derfor er ulighedskoefficienten for isoleringskløften f = 14,14 > 4, klassificerer det som et ekstremt ulige felt. Stabile partielle udladningsfenomener kan dannes nær ekstremt ulige felt. Jo større ulighed, jo mere udtalt partielle udladninger, og jo større udladningsmængde. For en 12kV RMU, kræves det, at den totale partielle udladning af hele kabinetet skal være mindre end 20pC. At reducere ulighedskoefficienten f er gavnligt for at mindske partielle udladningsmængde.

​3.2 Bestemmelse af luftbelastning​

Ulighedskoefficienten påvirker tør lufts belastning. Når feltet er let ulige, er belastningen:
​Formel (1)​​

Hvor:

• U er belastningen.
• d er den mindste elektriske afstand mellem elektroder.
• k er en pålidelighedsfaktor, typisk mellem 1,2 og 1,5 baseret på erfaring.
• E₀ er gasnedbrydning feltstyrke. I praksis relaterer denne værdi til elektrodestrukturen. Lufts nedbrydning feltstyrke varierer under forskellige elektrodestrukture og afstande. For sammenlignende analyse i denne artikel, sættes E₀ = 3 kV/mm midlertidigt.

Fra Formel (1), kan forhøjelse af den mindste elektriske afstand d eller nedsættelse af ulighedskoefficienten f forbedre lufts belastning. Når feltet er ekstremt ulige, for elektroder med en mindste afstand d på ca. 100mm, er belastningen bestemt ved:
​Formel (2)​​

Hvor er lynimpuls 50% nedbrydningsspenning for elektroden med en elektrisk afstand d. I ekstremt ulige felt, viser nedbrydningsspenning betydelig dispersion og en lang udladningstidsforsinkelse, gør det meget ustabil.

I ingeniørpraksis, U_50%(d) bestemmes gennem flere lynimpulstests: den anvendte spænding, hvor nedbrydning forekommer med en 50% sandsynlighed, defineres som U_50%(d). Denne værdi afhænger af produktstrukturen og graden af feltlighed. Det er etableret, at en lavere ulighedskoefficient resulterer i mindre nedbrydningsspændningsdispersion, højere nedbrydningsspænding, og dermed højere belastning. Derfor forbedres belastningen af isoleringskløften ved at reducere ulighedskoefficienten f.

​4 Strukturel optimering​

For at forbedre ligheden af elektrisk felt omkring isoleringsblad-hovedet og reducere ulighedskoefficienten, blev graderings-skjold strukturen optimeret.

I forhold til den originale design, har det optimerede graderings-skjold en forstærket ende med afrundet hjørne design. Fillet-radius blev forøget fra 0,75mm til 4mm, forbedrer krumningsradius i dette område, hvilket er fordelagtigt for at opnå mere ensartet feltfordeling. Feltdistributioen af elektrisk feltintensitet ved det optimerede isoleringsblad-hoved vises på figur 7. Figuren viser, at maksimal feltintensitet på dette sted nu er 3,66 kV/mm, omtrent halvdelen af værdien før optimering, indikerer en betydelig forbedring.

Baseret på formlen f = E_max / E_avg, er elektrisk feltulighedskoefficienten efter optimering 7,32. I forhold til pre-optimerings tilstanden, er denne værdi reduceret til ca. halvdelen. Ligheden af elektrisk felt nær isoleringsblad-hovedet er også betydeligt forbedret, demonstrerer rimeligheden af strukturel optimering.

Det optimerede graderings-skjold struktur reducerer virkelig risikoen for nedbrydning udladning gennem isoleringskløften. Dog forbliver feltet gennem kløften ekstremt ulige, og dets belastning er stadig bestemt af U_50%(d). Omfang, hvori belastningen kan forhøjes, skal bestemmes gennem efterfølgende felttests.

​5 Konklusion​

Gennem elektrisk feltanalyse af isoleringskløften i en 12kV luft-isoleret RMU, nåede denne artikel til følgende konklusioner:

1. Pga. den ringere isolationskapacitet hos luft i forhold til SF6, kræver brug af luft til isolation i tre-positionskifteren inden for RMU'er forbedring af elektrisk feltfordeling for at forbedre isolationskapacitet.
2. Pga. den komplekse struktur af bevegelige dele (isoleringsblad) i tre-positionskifteren i luft-isolerede RMU'er, kan feltintensitetsfordelingen i lokale positioner blive høj grad af ulige. For at reducere ulighed, kan graderings-skjold tilføjes på begge sider af isoleringsbladet for at skjulde feltintensiteten nær enderne af bladforbindelser, flytte maksimal lokal feltintensitet til enderne af graderings-skjold. Denne artikel forøgede krumningsradius af graderings-skjold ende fra 0,75mm til 4mm. Dette reducerede både maksimal lokal feltintensitet og ulighedskoefficient til ca. halvdelen af deres oprindelige værdier, opnåede ønsket effekt.
3. Grad af elektrisk feltlighed, eller ulighedskoefficient, påvirker betydeligt partielle udladninger og nedbrydning udladninger. Ekstremt ulige felt kan let føre til stabile partielle udladninger (korona udladninger). For både let og ekstremt ulige felt, svare en højere ulighedskoefficient til en lavere belastning mellem de to elektroder.