12kV airearen arteko erloju unitatearen isolatze-zatiketaren optimizazio diseinu-eskeiza hondamendu-irteerako probabilitatera murrizteko

Elektrizitate industria hurbil garatu dugunean, karbono gutxiko, energia erreserbatzaile eta ingurumen babesteko ekologia konzeptua elektroproduktuen diseinu eta fabrikazioan nahikoa sakonki sartu da. Biribilatze unitatea (RMU) banaketako elektrizitate sistemen garrantzitsuena den tresna elektriko bat da. Segurtasuna, ingurumen babesa, funtzionamenduko fidagarritasuna, energia efizientzia eta ekonomia bere garapenen inorrezko tendentziak dira. Tradizionalki, RMU gehienak SF6 gas-insulated RMU bezala adierazten dira. SF6-ren arku-amaiera handia eta isolagailuaren indarrerik handiak dela eta, oso erabili izan dira. Hala ere, SF6 greenhouse efektua sortzen du. Gasen kasu horren gaineko regulazioaren presio handitzen denean, SF6-ren ordezko ingurumen lagungarriak dituzten gas-insulated RMU garatzea beharrezkoa bihurtu da.

Une honetan, ingurumen lagungarriak dituzten gas-insulated RMUek nitrogen-insulated RMU eta zaharreraino-insulated RMU barne hartzen dituzte. Literatura horiek aztertu ditu. SF6-ren isolagailu-indarra berdina delarik, nitrogen eta zaharrerainoaren isolagailu-indarra hiru herren bat besterik ez da. Beraz, mediarik isolagailu-indarra txikiagoa denean RMUko isolagailu osokoaren eta bere barneko iturrietarako isolagailuaren egitura disegindako bidez mantentzea oso garrantzitsua da. Hau nagusiki elektrikoko egituraren eta isolagailu-egituraren diseinuan erreflekatzera joango da. Elektrikoa eta isolagailu-egitura diseinu egokiak mediarik isolagailu-indarraren falta kompentsatzeko lortu dezakete.

Lan honetan 12kV aire-insulated RMU baten barruan dagoen biribildura-bana bat zentratzen da. Hona hemen elektrikoko eremuaren banaketa eta uniformitatea aztertzen dira, isolagailu-indarra ebaluatzen da eta egitura optimizatzen da biribildura probabilitatea murrizteko eta isolagailu-indarra hobeteko. Ikerketa hau produktu baliokideen isolagailu-diseinurako erreferentzia emateko helburu du.

​1 Aire-insulated RMUaren Egitura​

Aire-insulated RMUaren 3D egitura-modeloa irudian ikusten da. RMUn koizio-kurtsa vakuumeko iturri bat eta hiru posizio dituzten iturri bat konbinatzen ditu. Iturrien kokapena hiru posizio dituzten iturriak busbar aldean kokatuta dago, hots, hiru posizio dituzten iturriak RMUn goiko aldean kokatuta daude, eta vakuumeko iturriak beheko aldean solid-insulated pole baten bidez kokatuta daude.

Vakuumeko iturria pole baten barruan insulatuta dago, eta bere kanpoaldea epoxi resina batekin insulatuta dago. Epoxi resinaren isolagailu-indarra airea baino askoz handiagoa denez, isolagailu-esperientziak betetzen ditu. Gainera, solid-insulated polearen iturri lotura-seguruaren amaieran biribilatutako eskualdean esquinaldiratutako diseinua eta silikona gomazko segurtasuna aurkitu dira, hemen aurkitutako biribilaldi partzialak ebazteko. Busbar arteko eta lurreko isolagailu-hutsuneak isolagailu-esperientzietan oinarrituta diseinatu dira eta normetara doazen.

Hiru posizio dituzten iturriaren biribilatze-lamina oso aire mediumarekin insulatzen da. Mugitu daitekeen lotura-osagaia gisa, biribilatze-laminaren diseinuan pin, muelle, disc spring eta retaining ring bezalako metal-pieza gehitzen dira biribilatze kontaktuen presioa handitzeko. Baina, metal-pieza horien forma bereziak elektrikoko eremuaren banaketa oso uniforme ez bada, biribilaldi partzialak sortzen ditu. Honek biribilaldi kolapsatzeko arrisku bat suposatzen du, haren isolagailu-indarrari eragina jartzen dio. Beraz, elektrikoko egitura diseinuak hemen oso garrantzitsua da.

Produktuaren diseinu-esperientzien arabera, biribilatze-bana 50kV rated short-time power-frequency withstand voltage bat urrundu behar du. Biribilatze-banaren minimoko elektrikoko hutsunea 100mm bezala diseinatu da. Biribilatze-laminaren egitura konplexutasuna kontuan hartuta, biribilatze-laminaren bi aldetan gradiente shield gehitu dira elektrikoko eremu uniformitatea hobetzeko eta biribilaldi partzialen probabilitatea murrizteko. Hiru posizio dituzten iturriaren 3D modeloa irudian ikusten da. Horrela, lan honek biribilatze-banaren elektrikoko eremua simulazio analisi egin du.

Finite element software-a erabiliz, RMUn elektrikoko eremua simulatuta, 50kV rated short-time power-frequency withstand voltage jakin baten bidez biribilatze-banaren barruan elektrikoko eremu indarraren banaketa aztertu da. Bi kasu elektrikoko simulazio definitu dira:

• ​Kasu 1:​​ Busbar aldea (biribilatze estatikoaren kontaktu-asmoa) konektatuta dago potentzia baxuan (0V), line aldea (biribilatze-laminaren burua) konektatuta dago potentzia altuan (50kV).
• ​Kasu 2:​​ Busbar aldea (biribilatze estatikoaren kontaktu-asmoa) konektatuta dago potentzia altuan (50kV), line aldea (biribilatze-laminaren burua) konektatuta dago potentzia baxuan (0V).

Bi kasuetan biribilatze-banaren barruan maximoko elektrikoko eremu indarraren kokapena simulazioetik lortu dira. Kasu 1-eko biribilatze-laminaren buruko elektrikoko eremu indarraren banaketa irudian ikusten da, eta kasu 2-eko biribilatze estatikoaren kontaktu-asmoan dagoena beste irudian. Kasu 1-eko maximoko elektrikoko eremu indarra gradiente shield-en amaian dago, 7.07 kV/mm neurtzen du. Kasu 2-eko maximoko balioa biribilatze estatikoaren kontaktu-asmoaren biribilatze puntuan dago, 4.90 kV/mm neurtzen du.

Aireren kondizio normalen artean, kolapsatzeko elektrikoko eremu indarraren balio kritikoa oso gehienetan 3 kV/mm da. Irudi 3 eta 4tan ikusten da biribilatze-banaren barruan zonal hainbat lekutan 3 kV/mm baino handiagoa dagoela, baina beste lekutan 3 kV/mm baino txikiagoa dagoelako, kolapsatzeko probabilitatea oso txikia da. Hala ere, 3 kV/mm baino handiagoa den zonal lekuan biribilaldi partzialak gertatzen dira.

Aire sekula eta humidetik aldatzen denean, isolagailu-indarra murriztu egiten da. Uniforme elektrikoko eremuaren artean, kolapsatzeko elektrikoko eremu indarraren balio kritikoa 3 kV/mm baino txikiagoa da. Gainera, elektrikoko eremuaren banaketa oso uniforme ez bada, airearen kolapsatzeko elektrikoko eremu indarraren balio kritikoa murriztu egiten da. Bi faktoreak kolapsatzeko probabilitatea eta arriskua handitzen dituzte. Kanpoko ingurumenaren eraginak aire isolagailu mediumaren gainean murrizteko eta elektrikoko eremu uniformitatearen koefizientea hobetzeko, lan honek biribilatze-banaren barruan elektrikoko eremu uniformitatearen koefizientea eta biribilatze-banaren kolapsatzeko tensio-balioa zehazteko helburu du. Honek biribilatze-banaren isolagailu-indarraren hobekuntzarako oinarria ematen du.

​3 Aire Isolagailu Ezaugarriak​

​3.1 Elektrikoko Eremu Uniformitatearen Koefizientearen Zehazketa​

Praktikan, elektrikoko eremu perfektuki uniformeak ez daude; elektrikoko eremu guztiak uniforme ez dira. f uniformitateko koefizientearen arabera, elektrikoko eremuak bi motatan sailkatzen dira: f ≤ 4 denean, uniforme askozko elektrikoko eremuak; eta f > 4 denean, uniforme oso ez diren elektrikoko eremuak. Elektrikoko eremu uniformitateko koefiziente f kalkulatzen da f = E_max / E_avg formula hau erabiliz, non E_max simulazio-emaitzetik lortutako lokalmaximoko elektrikoko eremu indarra den, eta E_avg aplikatutako tensioa zati minimoko elektrikoko hutsunea den.

Irudi 3tan, E_max = 7.07 kV/mm eta E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Beraz, biribilatze-banaren uniformitateko koefiziente f = 14.14 > 4, uniforme oso ez den elektrikoko eremu bat da. Uniforme oso ez diren elektrikoko eremuak biribilaldi partzial estabilak sortu ditzakete. Uniformitateko maila handiagoa, biribilaldi partzialaren magnitude handiagoa. 12kV RMUn, baldintza bat da kabinetu osoaren biribilaldi partziala 20pC baino txikiagoa izatea. Uniformitateko koefiziente f murriztea biribilaldi partzialaren magnitude murrizteko ondoa da.

​3.2 Aire Kolapsatzeko Tensioaren Zehazketa​

Uniformitateko koefizienteak aire kolapsatzeko tensioa eragiten du. Elektrikoko eremu uniforme askoz denean, kolapsatzeko tensioa da:
​Formula (1)​​

Non:

• U kolapsatzeko tensioa den.
• d elektrodoen arteko minimoko elektrikoko hutsunea den.
• k fidagarritasun-faktorea den, arrazoian 1.2 eta 1.5 artean dago.
• E₀ gas kolapsatzeko elektrikoko eremu indarra. Praktikan, balio hau elektrodo egiturarekin lotuta dago. Aire kolapsatzeko elektrikoko eremu indarra elektrodo egitura eta hutsune desberdinetan aldatzen da. Lan honek konparazio-analisi egiteko E₀ = 3 kV/mm ezarri du.

Formula (1)tan, minimoko elektrikoko hutsunea (d) handitzea edo uniformitateko koefizientea (f) murriztea aire kolapsatzeko tensioa hobetu dezake. Elektrikoko eremu uniforme oso ez denean, 100mm inguruko minimoko elektrikoko hutsunea duten elektrodoentzat, kolapsatzeko tensioa honela zehazten da:
​Formula (2)​​

Non U_50%(d) d elektrikoko hutsunea duen elektrodoren kolapsatzeko tensioa den. Elektrikoko eremu uniforme oso ez diren kasuan, kolapsatzeko tensioak dispersion handia eta biribilaldien denbora luzera handia ditu, oso instabilea baita.

Ingeniaritzan praktikan, U_50%(d) anitz lightning impulse test-en bidez zehazten da: 50% probabilitatez kolapsatzen den aplikatutako tensioa U_50%(d) bezala defini da. Balio hau produktuaren egitura eta uniformitate-mailarekin lotuta dago. Uniformitateko koefiziente txikiagoa kolapsatzeko tensio dispersion txikiagoa, kolapsatzeko tensio handiagoa eta kolapsatzeko tensio handiagoa ematen du. Beraz, uniformitateko koefiziente f murriztea biribilatze-banaren kolapsatzeko tensioa hobetu dezake.

​4 Egitura Optimizatzea​

Biribilatze-laminaren buruan dagoen elektrikoko eremu uniformitatea hobetzeko eta uniformitateko koefizientea murrizteko, gradiente shield egitura optimizatu da.

Egiture originalarekin alderatuta, optimizatutako gradiente shield-en amaia loditua eta biribilatze-puntua ditu. Biribilatze-radiusa 0.75mm-tik 4mm-ra igotu da, hau elektrikoko eremu uniformitatea hobetzeko lagungarria izan da. Optimizatutako biribilatze-laminaren buruko elektrikoko eremu indarraren banaketa irudian ikusten da. Irudiak erakusten du lekuan dagoen maximoko elektrikoko eremu indarra orain 3.66 kV/mm da, optimizazioaren aurretik dagoen balioaren erdia, hau oso hobekuntza handia da.

Formula f = E_max / E_avg-n, optimizazioaren osteko elektrikoko eremu uniformitateko koefiziente 7.32 da. Optimizazioaren aurretik dagoen egoerarekin alderatuta, balio hau erdi batetik txikiagoa da. Biribilatze-laminaren buruan dagoen elektrikoko eremu uniformitatea oso hobetu da, hau estruktura optimizazioaren arrazonabletasuna erakusten du.

Optimizatutako gradiente shield egitura biribilatze-banaren biribilaldi kolapsatzeko arriskua murriztu du. Hala ere, biribilatze-banaren barruan dagoen elektrikoko eremu uniforme oso ez da, eta bere kolapsatzeko tensioa U_50%(d)-rekin zehazten da. Kolapsatzeko tensioa zenbat hobetu dezakeen ulterior test-en bidez zehaztu behar da.

​5 Kontklusioa​

12kV aire-insulated RMUn biribilatze-banaren elektrikoko eremu analisiaren bidez, lan honek ondorio hauek irten ditu:

1. Aire isolagailu-indarra SF6-ren artean txikiagoa denez, RMUn barruan dagoen hiru posizio dituzten iturrien aire isolagailua erabiltzeko, elektrikoko eremuaren banaketa hobetu behar da isolagailu-indarra hobetzeko.
2. Aire-insulated RMUn barruan dagoen hiru posizio dituzten iturrien mugitu osagaien (biribilatze-lamina) egitura konplexutasuna dela eta, elektrikoko eremu indarraren banaketa zonal lekutan uniforme ez da. Uniformitatea murrizteko, biribilatze-laminaren bi aldetan gradiente shield gehitu ditzakegu, biribilatze-laminaren konektoreen amaian dagoen elektrikoko eremu indarra isurtzeko, maximoko lokal elektrikoko eremu indarra gradiente shield-en amaietara eraman. Lan honek gradiente shield-en biribilatze-radiusa 0.75mm-tik 4mm-ra igotu du. Honek maximoko lokal elektrikoko eremu indarra eta uniformitateko koefizentea erdi batetik txikiagoak egin ditu, emaitza lortu da.
3. Elektrikoko eremu uniformitate-maila, uniformitateko koefiziente, biribilaldi partzial eta biribilaldi kolapsatzeko oso eragin handia du. Uniforme oso ez diren elektrikoko eremuak biribilaldi partzial estabilak (korona biribilaldiak) erraz sortzen dituzte. Elektrikoko eremu uniforme askoz eta uniforme oso ez diren elektrikoko eremuetan, uniformitateko koefiziente handiagoa elektrodo bi artean kolapsatzeko tensio txikiagoa da.