Optimumigoj de dizajno por la 12kV aer-insulita ringa ĉefunuo por redukti la probablon de malvalidiĝo kaj elŝuto

Kun la rapidan progreson de la elektra industrio, la ekologia koncepto de malalta karbonaĵo, energieĉejo kaj protekto de la medio estas profunde integrita en la disegnon kaj fabrikadon de distribuaj elektraj produktoj. La Ring Main Unit (RMU) estas klava elektra aparato en distribuaj retoj. Sekureco, protekto de la medio, operacia fidindeco, energieĉejo kaj ekonomio estas inevitaj tendencoj en ĝia evoluo. Tradiciaj RMU-eroj plejparte estas reprezentitaj per SF6-gaz-insulitaj RMU-eroj. Pro la ekselaj arkeksingvanta kapablo kaj alta insuliga efikeco de SF6, ili estas vaste uzataj. Tamen, SF6 kaŭzas la varthusefekton. Kun pligrandiganta regulativa premo pri gazetoj de la varthusefekto, la evoluo de eco-amikaj gaz-insulitaj RMU-eroj kiel alternativoj al SF6 iĝis necesa tendenco.

Aktuale, eco-amikaj gaz-insulitaj RMU-eroj inkluzivas azot-insulitajn RMU-erojn kaj seka-aerinsulitajn RMU-erojn. La literaturo ja prezentis tiujn opciojn. Kompare kun la insuliga kapablo de SF6, tiu de azoto kaj seka aero estas nur proksimume unu triono. Do, sekurigi ke la tuta insuliga efikeco de la RMU-ero kaj ĝiaj internaj ŝaltiloj ne suferas pro la malkresko de la insuliga efikeco de la mezumo, dum daŭrigante la nunan kabinetan spacon, estas speciala atento. Tio ĉefe montriĝas en la disegno de la interna elektra strukturo kaj la insuliga strukturo. Razona elekta kaj insuliga struktura disegno povas kompensi la mankon de la insuliga mezumo.

Ĉi tiu esploro fokusas sur izolada spaceto en certa 12kV aer-insulita RMU-ero. Ĝi analizas la proksima elektra kampa distribuon kaj ĝian egalecon, asertas la insuligan efikecon ĉe tiu loko, kaj faras strukturan optimumigon por malpliigi la verŝajnecon de eldonado kaj plibonigi la insuligan efikecon. La celo de la studo estas provizi referencon por la insuliga disegno de similaj produktoj.

​1 Strukturo de la Aer-Insulita RMU-ero​

La 3D struktura modelo de la aer-insulita RMU-ero studita en ĉi tiu esploro estas montrata en Figuro 1. La ĉefa cirkvita strukturo de la RMU-ero adoptas skemon kombinantan vakuumŝaltilon kaj trilokan ŝaltilon. La arango uzas skemon, kie la triloka ŝaltilo situas ĉe la busbar-flanko, t.e., la triloka ŝaltilo estas aranĝita supre de la RMU-ero, dum la vakuumŝaltilo estas aranĝita sube tra solida-insulita poluso.

Ĉar la vakuumŝaltilo estas enkapsulita en la poluso, ĝia ekstero estas insulita per epoksidrezino. La insuliga kapablo de epoksidrezino estas multe supera al tiu de aero, do kontentigas la insuligajn postulojn. Plue, la konektanta busbaro ĉe la fermita fino de la solida-insulita poluso inkluzivas rondaflankan, kurban disegnon kaj silikon-rubran sigilon, solvas partajn eldonproblemojn ĉe tiu punkto. La insuligaj interspacoj inter busbaroj kaj al la tero estas disegnitaj laŭ la rilataj insuligaj postuloj kaj konformas al reguloj.

La izolanta folio de la triloka ŝaltilo tutmonde dependas de la aermezumo por insuligo. Kiel movila konektkomponanto, ĝia struktura disegno inkluzivas metalajn partojn kiel pintoj, spiraloj, diskspiraloj, kaj teniloj por plibonigi la kontaktan preson inter izolantaj kontaktiloj. Tamen, pro la specialaj formoj de tiuj metalaj partoj, ili povas kaŭzi tre neegalajn elektrajn kampan distribuojn, aktivigante partajn eldonojn. Tio prezentiĝas risko de disrompa eldono, malefektive influanta la insuligan efikecon ĉe tiu loko. Do, la elektra struktura disegno ĉi tie estas speciale grava.

Laŭ produktaj disegnpostuloj, la izolanta spaceto devas resisti nombritan mallongan potencfrekvencan eldonresistantan voltan valoron de 50kV. La minimuma elektra interspaco de la izolanta spaceto estas disegnita kiel 100mm. Prezente la kompleksecon de la strukturo de la izolanta folio, gradigaj blindiloj estis aldonitaj de ambaŭ flankoj de la izolanta folio por plibonigi la egalon de la elektra kampo kaj malpliigi la okazadon de partaj eldonoj. La 3D modelo de la triloka ŝaltilo estas montrata en Figuro 2. Konsekvenca, ĉi tiu esploro faras elektran kampsimulan analizon de la izolanta spaceto.

Finhavaj elementaj programaroj estis uzitaj por simuli la elektran kamparon de la RMU-ero, analizante la intensivdistribuon de la elektra kampo trans la izolanta spaceto sub la donita 50kV nombrita mallonga potencfrekvencan eldonresistan voltan valoron. Du scenaroj por elektrostatika kampsimulado estis difinitaj:

• ​Scenaro 1:​​ Busbar-flanko (flanko kun la stala izolanta kontaktoseĝo) konektita al malalta potencialo (0V), linio-flanko (flanko kun la kapo de la izolanta folio) konektita al alta potencialo (50kV).
• ​Scenaro 2:​​ Busbar-flanko (flanko kun la stala izolanta kontaktoseĝo) konektita al alta potencialo (50kV), linio-flanko (flanko kun la kapo de la izolanta folio) konektita al malalta potencialo (0V).

La elektraj kampdistribuoj ĉe la loko de la maksimuma elektra kampintenseco en la izolanta spaceto por ambaŭ scenaroj estis akiritaj el la simulacio. La elektra kampintensecdistribuo ĉe la kapo de la izolanta folio por Scenaro 1 estas montrata en Figuro 3, kaj tiu ĉe la stala izolanta kontaktoseĝo por Scenaro 2 estas montrata en Figuro 4. La maksimuma elektra kampintenseco en Scenaro 1 okazas ĉe la fino de la gradiga blindilo, mezuras 7.07 kV/mm. La maksimuma en Scenaro 2 estas ĉe la rondaflanko de la stala izolanta kontaktoseĝo, mezuras 4.90 kV/mm.

La kritika disrompa elektra kampforteco por aero sub normaj kondiĉoj estas ĝenerale 3 kV/mm. Figuroj 3 kaj 4 montras, ke kvankam lokaj areoj en la izolanta spaceto superas 3 kV/mm, la kampforteco en aliaj areoj restas sub tiu limo, faciliĝante disroman eldonon malverŝajna. Tamen, partaj eldonoj okazos en la lokaj pozicioj, kie la kampforteco superas 3 kV/mm.

Kiam aero ŝanĝiĝas de seka al humida, ĝia insuliga kapablo malpliiĝas. La kritika disrompa elektra kampforteco sub egalaj kampkondiĉoj falas sub 3 kV/mm. Plue, tre neegala elektra kampdistribuo ankaŭ malpliiĝas la kritikan disrompan kampan forticon de aero. Ambaŭ faktoroj pligrandigas la eblecon kaj riskon de disrompo. Por minacigi la efikon de eksteraj ambientaj kondiĉoj sur la aerinsuliga mezumo kaj plibonigi la egalokoficienton de la elektra kampo, ĉi tiu esploro celas determini la gradon de egaleco de la elektra kampo trans la izolanta spaceto kaj la eldonresistan valoron de la spaceto. Tio servas kiel bazo por plibonigi la insuligan kapablon de la izolanta spaceto.

​3 Aera Insuliga Karakterizo​

​3.1 Determinado de Neegala Elektra Kampokoficiento​

Perfekte egalaj elektraj kampoj ne ekzistas praktike; ĉiuj elektraj kampoj estas neegalaj. Bazita sur la neegala kampokoficiento f, elektraj kampoj estas klasifikitaj en du tipoj: levi neegalaj elektraj kampoj kiam f ≤ 4; kaj tre neegalaj elektraj kampoj kiam f > 4. La neegala elektra kampokoficiento f estas determinata per f = E_max / E_avg, kie E_max estas la loka maksimuma elektra kampforteco, akirigebla el simulresultoj, kaj E_avg estas la meza elektra kampforteco, kalkulata kiel la aplika volto dividita per la minimuma elektra interspaco.

El Figuro 3, E_max = 7.07 kV/mm kaj E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Do, la neegala kampokoficiento por la izolanta spaceto f = 14.14 > 4, klasifikiĝas kiel tre neegala kampo. Stabilaj partaj eldonfenomenoj povas formiĝi proksime de tre neegalaj kampoj. La pli granda la grado de neegaleco, la pli evidenta la parta eldono, kaj la pli granda la eldonmagnitudo. Por 12kV RMU-ero, la postulo estas, ke la totala parta eldono de la tuta kabinetujo estu malpli ol 20pC. Malpliigado de la neegala kampokoficiento f estas utila por malpliigi la partan eldonmagnitudon.

​3.2 Determinado de Aereldonresistan Valor​

La neegala kampokoficiento influas la eldonresistan valoron de seka aero. Kiam la kampo estas levi neegala, la eldonresistan valoro estas:
​Formulo (1)​​

Kie:

• U estas la eldonresistan valoro.
• d estas la minimuma elektra interspaco inter elektrodoj.
• k estas fidindecafaktoro, kutime ranganta de 1.2 ĝis 1.5 bazita sur sperto.
• E₀ estas la gazdisrompa elektra kampforteco. Praktike, ĉi tiu valoro rilatas al la elektrodstrukturo. La aerdisrompa kampforteco varias sub diversaj elektrodstrukturoj kaj interspacoj. Por komparativa analizo en ĉi tiu esploro, E₀ = 3 kV/mm estas provize agordita.

El Formulo (1), pligrandigado de la minimuma elektra interspaco d aŭ malpliigado de la neegala kampokoficiento f povas plibonigi la eldonresistan valoron de aero. Kiam la kampo estas tre neegala, por elektrodoj kun minimuma interspaco d ĉirkaŭ 100mm, la eldonresistan valoron determinas:
​Formulo (2)​​

Kie U_50%(d) estas la fulma impulso 50% disrompa volto por la elektrodo kun elektra interspaco de d. En tre neegalaj kampoj, la disrompa volto montras signifan disperon kaj longan eldontempodelaion, farante ĝin tre malstabila.

En inĝeniera prakto, U_50%(d) estas determinata per pluraj fulmaj impulsotestoj: la aplikata volto, ĉe kiu disrompo okazas kun 50% probablo, estas difinita kiel U_50%(d). Ĉi tiu valoro dependas de la produktstrukturo kaj la grado de kampogegaleco. Estas konfirmita, ke pli malalta neegala kampokoficiento rezultas en pli malgranda disrompa voltodisperso, pli alta disrompa volto, kaj sekve, pli alta eldonresistan valoro. Do, malpliigado de la neegala kampokoficiento f plibonigas la eldonresistan valoron de la izolanta spaceto.

​4 Struktura Optimumigo​

Por plibonigi la egalon de la elektra kampo ĉirkaŭ la kapo de la izolanta folio kaj malpliigi la neegalan kampokoficienton, la gradiga blindila strukturo estis optimumigita.

Kompare kun la originala disegno, la optimumigita gradiga blindilo havas dicken finon kun rondaflanka disegno. La radiuso de la rondaflanko estis pligrandigita de 0.75mm al 4mm, plibonigante la kurbaradiuson en tiu areo, kio helpas atingi pli egalajn kampdistribuojn. La elektra kampintensecdistribuo ĉe la optimumigita kapo de la izolanta folio estas montrata en Figuro 7. La figuro montras, ke la maksimuma elektra kampintenseco ĉe tiu loko nun estas 3.66 kV/mm, proksimume duono de la valoro antaŭ optimumigo, indikante signifan plibonigon.

Bazita sur la formulo f = E_max / E_avg, la neegala elektra kampokoficiento post optimumigo estas 7.32. Kompare kun la antaŭ-optimumigstato, ĉi tiu valoro estas reduktita al proksimume duono. La egaleco de la elektra kampo proksime de la kapo de la izolanta folio ankaŭ signife plibonigis, demonstri la raciecon de la struktura optimumigo.

La optimumigita gradiga blindila strukturo efektive malpliigas la riskon de disroma eldono trans la izolanta spaceto. Tamen, la elektra kampo trans la spaceto restas tre neegala, kaj ĝia eldonresistan valoro ankoraŭ estas determinata per U_50%(d). La amplekso, en kiu la eldonresistan valoron povas esti pligrandigita, bezonas esti determinata per sekva kamptestado.

​5 Konkludo​

Tra elektra kampanalizo de la izolanta spaceto en 12kV aer-insulita RMU-ero, ĉi tiu esploro atingis la jenajn konkludojn:

1. Pro la malpli bona insuliga kapablo de aero kompare kun SF6, uzo de aero por insuligo en la triloka ŝaltilo en RMU-eroj postulas plibonigon de la elektra kampdistribuo por plibonigi la insuligan kapablon.
2. Pro la struktura komplekseco de movilaj partoj (la izolanta folio) en la triloka ŝaltilo de aer-insulitaj RMU-eroj, la elektra kampintensecdistribuo ĉe lokaj pozicioj povas iĝi tre neegala. Por malpliigi neegalecon, gradigaj blindiloj povas esti aldonitaj de ambaŭ flankoj de la izolanta folio por blindi la elektran kampintensecon proksime de la finoj de la foliokonektiloj, ŝovante la maksimuman lokan kampintensecon al la finoj de la gradigaj blindiloj. Ĉi tiu esploro pligrandigis la kurbaradiuson de la fino de la gradiga blindilo de 0.75mm al 4mm. Tio reduktis ambaŭ la maksimuman lokan elektran kampintensecon kaj la neegalan kampokoficienton al proksimume duono de iliaj originalaj valoroj, atingante la deziratan efekton.
3. La grado de egaleco de la elektra kampo, aŭ la neegala kampokoficiento, gravas partajn eldonojn kaj disrompan eldonon. Tre neegalaj kampoj facile kondukas al stabila parta eldono (korona eldono). Por ambaŭ levi kaj tre neegalaj kampoj, pli alta neegala kampokoficiento respondas al pli malalta eldonresistan valoro inter la du elektrodoj.