12kV õhuisoleva ringmain uniti eraldusvahemiku optimeerimise kava tõenäosuse vähendamiseks laengutõusu jaoks

Energiajäätmetöönduse kiire arenguga on madala süsiniku jalajälgiga, energiasäästliku ja keskkonnasõbraliku eelkäigu sügavalt integreeritud elektritoite ja nende tootmise disaini ja valmistamisse. Ringmain Unit (RMU) on üks võrgutehingute põhiseadmeid. Ohutus, keskkonnasõbralikkus, töö kindlus, energiaefektiivsus ja majanduslikkus on selle arengu mittevältitavad suunad. Traditsioonilised RMU-d on peamiselt SF6 gaasi-isolatsiooniga RMU-d. SF6 imelikulimine ja kõrge isolatsioonipära tõttu on need laialdaselt kasutuses. Kuid SF6 tekitab kasvuhooneefekti. Kasvuhoonegaaside reguleeriva surve kasvamisel on ökosõbralike gaasi-isolatsiooniga RMU-de arendamine SF6 alternatiividena muutunud hädavajalikuks tendentsiks.

Praegu hõlmavad ökosõbralikud gaasi-isolatsiooniga RMU-d nitroogeni-isolatsiooniga RMU-sid ja kuiva õhu-isolatsiooniga RMU-sid. Teadusuuringutes on neid alternatiive tutvustatud. Nitroogi ja kuiva õhu isolatsioonipärast võrreldes SF6-ga on ainult umbes kolmandik. Seetõttu on eriti oluline tagada, et RMU ja selle sisemiste lülitite üldine isolatsioonipär ei nõrgeneks meediumi isolatsioonipära vähenemise tõttu, säilitades olemasoleva korvi ruumit. See väljendub peamiselt siseelektrilise struktuuri ja isolatsioonistruktuuri disainis. Põhjapanev elektriline ja isolatsioonistruktuuri disain saab kompenseerida meediumi performantsi puudujääke.

See artikkel keskendub 12kV õhu-isolatsiooniga RMU-s olevale isoleerivale vahele. Selles analüütitakse lähedase elektrivälja jaotust ja selle ühtluse, hindatakse selle asukohta isolatsioonipära ja läbiviidetakse struktuuride optimeerimine, et vähendada lahenduse ja parandada isolatsioonipära. Uuringu eesmärk on anda viitetehing sarnaste toodete isolatsioonidisainile.

​1 Õhu-isolatsiooniga RMU struktuur​

Selles artiklis uuritava õhu-isolatsiooniga RMU 3D struktuurimudel on näha Joonis 1. RMU peamise ringi struktuur kasutab kombinatsiooni vakuumlülitit ja kolmekohalist lülitit. Paigutus kasutab skeemi, kus kolmekohaline lülit on busbari pool, st kolmekohaline lülit on paigutatud RMU ülemises osas, samas kui vakuumlülit on paigutatud alumises osas solidaarsete-isolatsiooniga tiibiga.

Kuna vakuumlülit on tiibi sees, on selle välimus epoksi resina abil isolatsioonitud. Epoksi resina isolatsioonipär on palju parem kui õhu, täites isolatsiooninõuded. Lisaks on solidaarse-isolatsiooniga tiibi sulgitud otsas nurgad, kaarsed disainid ja silikooni kauba sulgemine, mis lahendavad selles punktis osalisest lahenduse probleeme. Busbaride ja maapinnaga vaheline isolatsiooniruum on projekteeritud vastavalt sobivatele isolatsiooninõuetele ja vastab määrustele.

Kolmekohalise lülitit isoleeriv terav sõltub täielikult õhu meediumist. Kui liiguv ühenduskomponent, sisaldab selle struktuur metallilisi osi nagu nahkurid, veenõud, pliiatsveenõud ja fikseerimiskorrad, et tugevdada isoleerivaid kontaktide vahelist kontrollpinget. Kuid nende metalliliste osade eriline kuju võib tekitada väga ebavõrdset elektrivälja jaotust, käivitades osalisest lahenduse. See suurendab purunevate lahenduste riski, halvendades selle asukoha isolatsioonipära. Seetõttu on siin elektrilise struktuuri disain eriti oluline.

Toote disaininõuetega kooskõlas peab isoleeriv vahe olema võimeline kestma 50kV nimetatud lühiajalist võrkuvoolu kestvõimet. Isoleeriva vahe minimaalne elektriline vahe on disainitud 100mm. Arvestades isoleeriva terava struktuuri keerukust, on lisatud isoleeriva terava mõlemale poolele gradimeeritud kaitse, et parandada elektrivälja ühtlust ja vähendada osalisest lahenduse sagedust. Kolmekohalise lülit 3D mudel on näha Joonis 2. Vastavalt läbi viiakse isoleeriva vahe elektrivälja simulatsioonanalüüs.

Elektrostaatilise välja simulatsiooniks määrati kaks stsenaariumi:

• ​Stsenaarium 1:​​ Busbari pool (pool, kus asub isoleeriv statiline kontakt) ühendatud madalale potentsiaalile (0V), liini pool (pool, kus asub isoleeriva terava pea) ühendatud kõrgele potentsiaalile (50kV).
• ​Stsenaarium 2:​​ Busbari pool (pool, kus asub isoleeriv statiline kontakt) ühendatud kõrgele potentsiaalile (50kV), liini pool (pool, kus asub isoleeriva terava pea) ühendatud madalale potentsiaalile (0V).

Simulatsioonist said mõlemas stsenaariumis isoleeriva vahe suurima elektrivälja tugevuse asukoha elektrivälja jaotused. Stsenaariumi 1 puhul isoleeriva terava pea elektrivälja tugevuse jaotus on näha Joonis 3, ja stsenaariumi 2 puhul isoleeriva statilise kontakti asukoht on näha Joonis 4. Stsenaariumi 1 suurim elektrivälja tugevus asub gradimeeritud kaitse lõpus, mõõdeldes 7,07 kV/mm. Stsenaariumi 2 suurim on isoleeriva statilise kontakti nurgas, mõõdeldes 4,90 kV/mm.

Tavalistes tingimustes õhu kriitiline purunevate lahenduste elektrivälja tugevus on tavaliselt 3 kV/mm. Joonised 3 ja 4 näitavad, et kuigi isoleeriva vahe lokalsetes piirkondades ületatakse 3 kV/mm, jääb teiste piirkondade tugevus alla selle limiidi, mis teeb purunevate lahenduste äratundmise ebatõenäolise. Kuid osalisest lahenduse tekib lokalsetes positsioonides, kus tugevus ületab 3 kV/mm.

Kui õhk muutub kuivast niiskaks, väheneb selle isolatsioonipär. Ühtlane elektrivälja tingimused alluvad kriitilise purunevate lahenduste elektrivälja tugevuse alla 3 kV/mm. Lisaks suuresti ebavõrdne elektrivälja jaotus vähendab õhu kriitilist purunevate lahenduste elektrivälja tugevust. Mõlemad tegurid suurendavad purunevate lahenduste võimalikkust ja risikut. Et vähendada välise keskkonna mõju õhu-isolatsioonimeediumile ja parandada elektrivälja ühtlust, selles artiklis määratakse isoleeriva vahe elektrivälja ühtlust ja selle kestvõime väärtust. See on alus selle isolatsioonipära parandamiseks.

​3 Õhu isolatsioonipärad​

​3.1 Elektrivälja ebavõrdsuse kordaja määramine​

Praktikas ei eksisteeri täpselt ühtlust elektrivälja; kõik elektriväljad on ebavõrdsed. Ebavõrdsuse kordaja f järgi klassifitseeritakse elektriväljad kahesuguseks: vähe ebavõrdsed elektriväljad, kui f ≤ 4; ja väga ebavõrdsed elektriväljad, kui f > 4. Elektrivälja ebavõrdsuse kordaja f määratakse valemiga f = E_max / E_avg, kus E_max on lokaalne maksimaalne elektrivälja tugevus, mille saab simulatsioonitulemustest, ja E_avg on keskmine elektrivälja tugevus, mille arvutatakse rakendatud pingena jagatud minimaalse elektrilise vahega.

Joonisest 3 saame, et E_max = 7,07 kV/mm ja E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Seega on isoleeriva vahe ebavõrdsuse kordaja f = 14,14 > 4, mille järgi see klassifitseeritakse väga ebavõrdsesse välja. Väga ebavõrdsed väljad võivad luua stabiilset osalisest lahenduse. Suurem ebavõrdsus tähendab rohkem osalisest lahenduse ja suuremat lahenduse suurust. 12kV RMU-nõuete järgi peab kogu korvi osalisest lahenduse olema vähem kui 20pC. Ebavõrdsuse kordaja f vähendamine on kasulik osalisest lahenduse suuruse vähendamiseks.

​3.2 Õhu kestvõime määramine​

Ebavõrdsuse kordaja mõjutab kuiva õhu kestvõimet. Kui välja on vähe ebavõrdsed, siis kestvõim on:
​Valem (1)​​

Kus:

• U on kestvõim.
• d on elektrodide vaheline minimaalne elektriline vahe.
• k on usaldusfaktor, tavaliselt 1,2–1,5 kogemuse järgi.
• E₀ on gaasi purunevate lahenduste elektrivälja tugevus. Praktikas sõltub see elektrodide struktuurist. Õhu purunevate lahenduste elektrivälja tugevus varieerub erinevate elektrodide struktuuride ja vaheidega. Selle artikli võrdlusaluseks on E₀ = 3 kV/mm.

Valemist (1) järeldub, et minimaalse elektrilise vahe d suurenemine või ebavõrdsuse kordaja f vähendamine suurendab õhu kestvõimet. Kui välja on väga ebavõrdsed, siis elektrodidega, kus minimaalne vahe d on umbes 100mm, määratakse kestvõim:
​Valem (2)​​

Kus on elektrodidega elektrilise vahe d ligiütles 50% purunevate lahenduste uksumine. Väga ebavõrdsed väljad näitavad purunevate lahenduste suurt dispersiooni ja pika lahenduse ajalisa, mis teeb need väga ebastabiilseteks.

Inseneripraktikas määratakse U_50%(d) mitmete uksumeimpulsitest: uksumine, millel on 50% tõenäosus, määratakse U_50%(d). See väärtus sõltub toote struktuurist ja välja ühtlust. On leitud, et väiksem ebavõrdsuse kordaja tähendab väiksemat purunevate lahenduste dispersiooni, kõrgemat purunevate lahenduste tugevust ja seega kõrgemat kestvõimet. Seetõttu ebavõrdsuse kordaja f vähendamine parandab isoleeriva vahe kestvõimet.

​4 Struktuuri optimeerimine​

Isoleeriva terava pea ümbruse elektrivälja ühtlust parandamiseks ja ebavõrdsuse kordaja vähendamiseks optimeeriti gradimeeritud kaitse struktuuri.

Optimeeritud gradimeeritud kaitse võrreldes algse disainiga on lõpuos takistatud ja nurgad kaarsed. Nurga raadius suurendati 0,75mm-st 4mm-ni, suurendades selle piirkonna kaare raadiust, mis aitab saavutada ühtlust välja jaotust. Optimeeritud isoleeriva terava pea elektrivälja tugevuse jaotus on näha Joonis 7. Joonis näitab, et selle asukoha suurim elektrivälja tugevus on nüüd 3,66 kV/mm, umbes pool väärtust enne optimeerimist, mis näitab olulist paranemist.

Valemiga f = E_max / E_avg määratakse optimeeritud elektrivälja ebavõrdsuse kordaja 7,32. Võrreldes eelmise seisuga on see väärtus vähendatud umbes pooliks. Isoleeriva terava pea ümbruse elektrivälja ühtlust on ka oluliselt parandatud, näitades struktuuri optimeerimise õiguspärasust.

Optimeeritud gradimeeritud kaitse struktuur vähendab tõesti purunevate lahenduste riski isoleeriva vahe kaudu. Kuid välja jaotus isoleeriva vahe kaudu on endiselt väga ebavõrdsed, ja selle kestvõim määratakse edaspidi välja testidega U_50%(d).

​5 Järeldused​

Õhu-isolatsiooniga RMU isoleeriva vahe elektrivälja analüüsi kaudu jõuti järgmistele järeldustele:

1. Kuna õhu isolatsioonipär on SF6-le võrreldes nõrgem, on õhu kasutamisel RMU kolmekohalise lülitite isolatsiooniks vaja parandada elektrivälja jaotust, et parandada isolatsioonipära.
2. Kolmekohalise lülitite kompleksne liiguvad osad (isoleeriva terav) õhu-isolatsiooniga RMU-s võivad tekitada väga ebavõrdsed elektrivälja tugevuse jaotused lokaalselt. Ebavõrdsuse vähendamiseks võib lisada gradimeeritud kaitseid isoleeriva terava mõlemale poolele, et kaitsta elektrivälja tugevust läheduses isoleeriva terava ühenduste lõppudega, viies maksimaalne lokaalne elektrivälja tugevus gradimeeritud kaitse lõppudele. See artikkel suurendas gradimeeritud kaitse lõpu kaare raadiust 0,75mm-st 4mm-ni, mis vähendas nii maksimaalset lokaalset elektrivälja tugevust kui ka ebavõrdsuse kordajat umbes pooliks, saavutades soovitud tulemust.
3. Elektrivälja ühtluse või ebavõrdsuse kordaja mõju osalisest lahenduse ja purunevate lahendusele. Väga ebavõrdsed väljad võivad kergelt tekitada stabiilset osalisest lahenduse (korona lahenduse). Nii vähe kui väga ebavõrdsed väljad korral vastab suurem ebavõrdsuse kordaja väiksemale kestvõimule elektrodide vahel.