Optimierungsentwurf für die Isolierlücke der 12kV Luftisolierten Ringverteilerstation zur Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Durchschlagentladungen

Mit der rasanten Entwicklung der Energiewirtschaft sind die ökologischen Konzepte von Niedrigkohlenstoff, Energieeffizienz und Umweltschutz tief in das Design und die Herstellung von Stromversorgungs- und -verteilungselektronik integriert. Der Ringverteiler (RMU) ist ein Schlüsselgerät in Verteilernetzen. Sicherheit, Umweltfreundlichkeit, Betriebssicherheit, Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit sind unvermeidliche Trends in seiner Entwicklung. Traditionelle RMUs werden hauptsächlich durch SF6-gasgefüllte RMUs repräsentiert. Aufgrund der ausgezeichneten Bogenlöschfähigkeit und der hohen Isolationsleistung von SF6 wurden sie weit verbreitet eingesetzt. Allerdings führt SF6 zur Treibhauseffekt. Angesichts des zunehmenden regulatorischen Drucks auf Treibhausgase wird die Entwicklung umweltfreundlicher gasgefüllter RMUs als Alternative zu SF6 zu einer dringlichen Notwendigkeit.

Derzeit umfasst die Palette umweltfreundlicher gasgefüllter RMUs stickstoffgefüllte RMUs und trockengefüllte RMUs. Die Literatur hat diese Optionen vorgestellt. Im Vergleich zur Isolationsleistung von SF6 beträgt die von Stickstoff und trockenem Luft nur etwa ein Drittel. Daher ist es besonders wichtig, sicherzustellen, dass die gesamte Isolationsleistung des RMUs und seiner internen Schalter nicht aufgrund der reduzierten Leistung des Mediums beeinträchtigt wird, während der vorhandene Gehäuseplatz beibehalten wird. Dies spiegelt sich hauptsächlich im Design der internen elektrischen Struktur und der Isolationsstruktur wider. Ein angemessenes Design der elektrischen und isolierenden Struktur kann die Mängel der Isolationsmediumleistung ausgleichen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf einen Isolierungsspalt in einem bestimmten 12kV luftgefüllten RMU. Er analysiert die nahe gelegene elektrische Feldverteilung und deren Gleichmäßigkeit, bewertet die Isolationsleistung an dieser Stelle und führt eine strukturelle Optimierung durch, um die Wahrscheinlichkeit von Entladungen zu reduzieren und die Isolationsleistung zu verbessern. Das Ziel der Studie ist es, einen Bezugspunkt für das Isolationsdesign ähnlicher Produkte bereitzustellen.

​1 Struktur des luftgefüllten RMUs​

Das 3D-Strukturmodell des in dieser Arbeit untersuchten luftgefüllten RMUs ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Hauptkreisstruktur des RMUs verwendet ein Schema, das einen Vakuumschalter und einen Dreipositionsschalter kombiniert. Das Layout setzt ein Schema ein, bei dem der Dreipositionsschalter auf der Busbarseite angeordnet ist, d.h., der Dreipositionsschalter befindet sich auf der oberen Seite des RMUs, während der Vakuumschalter über einen festen Isolator auf der unteren Seite angeordnet ist.

Da der Vakuumschalter in dem Pfosten eingebettet ist, wird seine Außenseite durch Epoxidharz isoliert. Die Isolationsfähigkeit von Epoxidharz ist weitaus höher als die von Luft, was den Isolationsanforderungen entspricht. Darüber hinaus enthält die Verbindungsbüchse am versiegelten Ende des festen Isolators abgerundete Kanten, gebogene Designs und Silikonkautschukdichtungen, um partielle Entladungsprobleme an dieser Stelle zu lösen. Die Isolationsabstände zwischen den Büchsen und zum Boden sind nach den relevanten Isolationsanforderungen entworfen und den Vorschriften entsprechend.

Die Isolierklinge des Dreipositionsschalters verlässt sich vollständig auf das Luftmedium für die Isolation. Als beweglicher Verbindungsbauteil enthält sein Strukturdesign Metallteile wie Bolzen, Federn, Scheibenfedern und Haltering, um den Kontaktdruck zwischen den Isolierkontakten zu erhöhen. Allerdings können aufgrund der speziellen Form dieser Metallteile stark ungleichmäßige elektrische Feldverteilungen auftreten, was partielle Entladungen auslöst. Dies stellt ein Risiko für Durchbruchsentladungen dar und beeinträchtigt die Isolationsleistung an dieser Stelle. Daher ist das elektrische Strukturdesign hier besonders wichtig.

Laut Produktdesignanforderungen muss der Isolierungsspalt eine nominale kurzzeitige Spannungsfrequenz von 50kV aushalten. Der minimale elektrische Abstand für den Isolierungsspalt wurde auf 100mm entworfen. Angesichts der Komplexität der Isolierklingenstruktur wurden auf beiden Seiten der Isolierklinge Grading-Schirme hinzugefügt, um die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes zu verbessern und die Entstehung von partiellen Entladungen zu reduzieren. Das 3D-Modell des Dreipositionsschalters ist in Abbildung 2 dargestellt. Entsprechend führt dieser Artikel eine elektrische Feldsimulation für den Isolierungsspalt durch.

Es wurde Finite-Elemente-Software verwendet, um das elektrische Feld des RMUs zu simulieren und die elektrische Feldintensitätsverteilung über den Isolierungsspalt unter der gegebenen nominalen kurzzeitigen Spannungsfrequenz von 50kV zu analysieren. Zwei Szenarien für die Elektrofeldsimulation wurden definiert:

• ​Szenario 1:​​ Busbarseite (Seite mit der statischen Isolierkontaktbasis) an niedriges Potential (0V) angeschlossen, Leitungseite (Seite mit der Isolierklingenspitze) an hohes Potential (50kV) angeschlossen.
• ​Szenario 2:​​ Busbarseite (Seite mit der statischen Isolierkontaktbasis) an hohes Potential (50kV) angeschlossen, Leitungseite (Seite mit der Isolierklingenspitze) an niedriges Potential (0V) angeschlossen.

Aus der Simulation wurden die elektrischen Feldverteilungen an der Stelle der maximalen elektrischen Feldintensität innerhalb des Isolierungsspalt für beide Szenarien ermittelt. Die elektrische Feldintensitätsverteilung an der Isolierklingenspitze für Szenario 1 ist in Abbildung 3 dargestellt, und die an der statischen Isolierkontaktbasis für Szenario 2 in Abbildung 4. Die maximale elektrische Feldintensität in Szenario 1 tritt am Ende des Grading-Schirms auf und beträgt 7,07 kV/mm. Die maximale in Szenario 2 liegt an der Abkantung der statischen Isolierkontaktbasis und beträgt 4,90 kV/mm.

Die kritische Durchbruchspannung für Luft unter Standardbedingungen beträgt in der Regel 3 kV/mm. Abbildungen 3 und 4 zeigen, dass obwohl lokalisierte Bereiche innerhalb des Isolierungsspalt 3 kV/mm überschreiten, die Feldintensität in anderen Bereichen unter diesem Grenzwert bleibt, wodurch ein Durchbruch unwahrscheinlich ist. Allerdings treten in den lokalen Positionen, an denen die Feldstärke 3 kV/mm überschreitet, partielle Entladungen auf.

Wenn Luft von trocken zu feucht wechselt, nimmt ihre Isolationsfähigkeit ab. Die kritische Durchbruchspannung unter gleichförmigen Feldbedingungen fällt unter 3 kV/mm. Darüber hinaus senkt auch eine extrem ungleichmäßige elektrische Feldverteilung die kritische Durchbruchspannung der Luft. Beide Faktoren erhöhen die Möglichkeit und das Risiko eines Durchbruchs. Um den Einfluss äußerer Umgebungsbedingungen auf das Luftisolationsmedium zu mildern und die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes zu verbessern, soll in dieser Arbeit der Grad der Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes über den Isolierungsspalt und der Ausstoßwert des Spalts bestimmt werden. Dies dient als Grundlage zur Verbesserung der Isolationsfähigkeit des Isolierungsspalt.

​3 Luftisolierungseigenschaften​

​3.1 Bestimmung des Ungleichmäßigkeitskoeffizienten des elektrischen Feldes​

Perfekt gleichförmige elektrische Felder existieren in der Praxis nicht; alle elektrischen Felder sind ungleichmäßig. Basierend auf dem Ungleichmäßigkeitskoeffizienten f werden elektrische Felder in zwei Typen klassifiziert: leicht ungleichmäßige elektrische Felder, wenn f ≤ 4; und extrem ungleichmäßige elektrische Felder, wenn f > 4. Der Ungleichmäßigkeitskoeffizient f wird durch f = E_max / E_avg bestimmt, wobei E_max die lokale maximale elektrische Feldstärke ist, die aus Simulationsergebnissen gewonnen werden kann, und E_avg die durchschnittliche elektrische Feldstärke, berechnet als die angewandte Spannung dividiert durch den minimalen elektrischen Abstand.

Aus Abbildung 3 ergibt sich E_max = 7,07 kV/mm und E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Daher beträgt der Ungleichmäßigkeitskoeffizient für den Isolierungsspalt f = 14,14 > 4, was ihn als extrem ungleichmäßiges Feld klassifiziert. In der Nähe extrem ungleichmäßiger Felder können stabile partielle Entladungen auftreten. Je größer der Grad der Ungleichmäßigkeit, desto ausgeprägter die partiellen Entladungen und desto größer die Entladungsgröße. Für einen 12kV-RMU gilt, dass die Gesamtpartientladung des gesamten Gehäuses weniger als 20 pC betragen sollte. Eine Reduzierung des Ungleichmäßigkeitskoeffizienten f ist vorteilhaft, um die Größe der partiellen Entladungen zu verringern.

​3.2 Bestimmung der Durchbruchspannung der Luft​

Der Ungleichmäßigkeitskoeffizient beeinflusst die Durchbruchspannung trockener Luft. Bei leicht ungleichmäßigen Feldern beträgt die Durchbruchspannung:
​Formel (1)​​

Wobei:

• U die Durchbruchspannung ist.
• d der minimale elektrische Abstand zwischen den Elektroden ist.
• k ein Zuverlässigkeitsfaktor ist, der auf Erfahrungswerten typischerweise zwischen 1,2 und 1,5 liegt.
• E₀ die Gasdurchbruchfeldstärke ist. In der Praxis hängt dieser Wert von der Elektrodenstruktur ab. Die Luftdurchbruchfeldstärke variiert je nach Elektrodenstruktur und Abstand. Für den vergleichenden Analysen in dieser Arbeit wird vorläufig E₀ = 3 kV/mm angenommen.

Aus Formel (1) geht hervor, dass eine Erhöhung des minimalen elektrischen Abstands d oder eine Reduzierung des Ungleichmäßigkeitskoeffizienten f die Durchbruchspannung der Luft verbessern kann. Bei extrem ungleichmäßigen Feldern beträgt die Durchbruchspannung für Elektroden mit einem minimalen Abstand d von etwa 100 mm:
​Formel (2)​​

Wobei U_50%(d) die Blitzimpuls-50%-Durchbruchspannung für die Elektrode mit einem elektrischen Abstand von d ist. Bei extrem ungleichmäßigen Feldern zeigt die Durchbruchspannung eine erhebliche Streuung und eine lange Entladungsverzögerung, was sie sehr instabil macht.

In der Ingenieurpraxis wird U_50%(d) durch mehrere Blitzimpulstests bestimmt: Die angewandte Spannung, bei der mit 50% Wahrscheinlichkeit ein Durchbruch auftritt, wird als U_50%(d) definiert. Dieser Wert hängt von der Produktstruktur und dem Grad der Feldgleichmäßigkeit ab. Es ist bekannt, dass ein geringerer Ungleichmäßigkeitskoeffizient zu einer geringeren Streuung der Durchbruchspannung, einer höheren Durchbruchspannung und somit einer höheren Durchbruchspannung führt. Daher verbessert eine Reduzierung des Ungleichmäßigkeitskoeffizienten f die Durchbruchspannung des Isolierungsspalt.

​4 Strukturoptimierung​

Um die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes um die Isolierklingenspitze zu verbessern und den Ungleichmäßigkeitskoeffizienten zu reduzieren, wurde die Grading-Schirmstruktur optimiert.

Im Vergleich zum ursprünglichen Design verfügt der optimierte Grading-Schirm über ein verdicktes Ende mit einer abgerundeten Kante. Der Radius des Runds wurde von 0,75 mm auf 4 mm erhöht, was den Krümmungsradius in diesem Bereich verbessert und eine gleichmäßigere Feldverteilung fördert. Die elektrische Feldintensitätsverteilung an der optimierten Isolierklingenspitze ist in Abbildung 7 dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass die maximale elektrische Feldintensität an dieser Stelle nun 3,66 kV/mm beträgt, etwa halb so viel wie vor der Optimierung, was eine signifikante Verbesserung darstellt.

Basierend auf der Formel f = E_max / E_avg beträgt der Ungleichmäßigkeitskoeffizient des elektrischen Feldes nach der Optimierung 7,32. Im Vergleich zum Zustand vor der Optimierung ist dieser Wert auf etwa die Hälfte reduziert. Die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes in der Nähe der Isolierklingenspitze hat sich ebenfalls erheblich verbessert, was die Richtigkeit der Strukturoptimierung demonstriert.

Die optimierte Grading-Schirmstruktur verringert tatsächlich das Risiko von Durchbruchentladungen über den Isolierungsspalt. Allerdings bleibt das elektrische Feld über den Spalt extrem ungleichmäßig, und seine Durchbruchspannung wird weiterhin durch U_50%(d) bestimmt. Der Grad, in dem die Durchbruchspannung erhöht werden kann, muss durch nachfolgende Feldtests ermittelt werden.

​5 Schlussfolgerung​

Durch die elektrische Feldanalyse des Isolierungsspalt in einem 12kV-luftgefüllten RMU gelangten wir zu folgenden Schlussfolgerungen:

1. Aufgrund der schlechteren Isolationsfähigkeit von Luft im Vergleich zu SF6 erfordert die Verwendung von Luft als Isolationsmittel im Dreipositionsschalter innerhalb von RMUs die Verbesserung der elektrischen Feldverteilung, um die Isolationsfähigkeit zu erhöhen.
2. Aufgrund der komplexen Struktur der beweglichen Teile (der Isolierklinge) im Dreipositionsschalter lufteinspeisender RMUs kann die elektrische Feldintensitätsverteilung an lokalen Positionen stark ungleichmäßig werden. Um die Ungleichmäßigkeit zu reduzieren, können Grading-Schirme auf beiden Seiten der Isolierklinge hinzugefügt werden, um die elektrische Feldintensität in der Nähe der Enden der Klingenklemmen abzuschirmen und die maximale lokale Feldintensität an die Enden der Grading-Schirme zu verschieben. In dieser Arbeit wurde der Krümmungsradius des Grading-Schirmendes von 0,75 mm auf 4 mm erhöht. Dies reduzierte sowohl die maximale lokale elektrische Feldintensität als auch den Ungleichmäßigkeitskoeffizienten auf etwa die Hälfte ihrer ursprünglichen Werte, was den gewünschten Effekt erzielte.
3. Der Grad der elektrischen Feldgleichmäßigkeit, oder der Ungleichmäßigkeitskoeffizient, beeinflusst erheblich die partiellen und Durchbruchentladungen. Extrem ungleichmäßige Felder führen leicht zu stabilen partiellen Entladungen (Korona-Entladungen). Bei sowohl leicht als auch extrem ungleichmäßigen Feldern korrespondiert ein höherer Ungleichmäßigkeitskoeffizient mit einer niedrigeren Durchbruchspannung zwischen den beiden Elektroden.