طرح بهینه‌سازی برای گپ جداساز واحد اصلی حلقه عایق هوایی ۱۲kV به منظور کاهش احتمال خروج از کار و تخلیه

با توجه به توسعه سریع صنعت برق، مفهوم اکولوژیکی کم‌کربن، صرفه‌جویی در انرژی و حفاظت از محیط زیست به طور عمیق در طراحی و تولید محصولات الکتریکی توزیع و تأمین برق گنجانده شده است. واحد حلقه مرکزی (RMU) یک دستگاه الکتریکی کلیدی در شبکه‌های توزیع است. امنیت، حفاظت از محیط زیست، قابلیت اطمینان عملیاتی، کارایی انرژی و اقتصادی روندهای اجتناب ناپذیر در توسعه آن هستند. RMU‌های سنتی عمدتاً با RMU‌های عایق‌بندی شده با گاز SF6 نمایانده می‌شوند. به دلیل قابلیت خاموش‌سازی قوس و عملکرد عایق‌بندی بالای SF6، این نوع از RMU‌ها به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، SF6 باعث اثر گلخانه‌ای می‌شود. با افزایش فشار قانونی بر گازهای گلخانه‌ای، توسعه RMU‌های عایق‌بندی شده با گازهای دوستانه به محیط زیست به عنوان جایگزین SF6 یک روند ضروری شده است.

در حال حاضر، RMU‌های عایق‌بندی شده با گازهای دوستانه شامل RMU‌های عایق‌بندی شده با گاز نیتروژن و هوای خشک می‌شوند. این گزینه‌ها در ادبیات معرفی شده‌اند. در مقایسه با قابلیت عایق‌بندی SF6، قابلیت عایق‌بندی نیتروژن و هوای خشک فقط حدود یک سوم آن است. بنابراین، تضمین عدم کاهش عملکرد عایق‌بندی کلی RMU و کلیدهای داخلی آن به دلیل کاهش قابلیت عایق‌بندی مedium، در حالی که فضای موجود کابینت حفظ می‌شود، بسیار مهم است. این موضوع عمدتاً در طراحی ساختار الکتریکی داخلی و ساختار عایق‌بندی منعکس می‌شود. طراحی معقول ساختار الکتریکی و عایق‌بندی می‌تواند کمبود قابلیت عایق‌بندی مedium را جبران کند.

این مقاله بر روی یک فاصله جداکننده در یک RMU عایق‌بندی شده با هوا با ولتاژ ۱۲kV تمرکز دارد. این مقاله توزیع میدان الکتریکی نزدیک و یکنواختی آن را تحلیل می‌کند، عملکرد عایق‌بندی در این محل را ارزیابی می‌کند و بهینه‌سازی ساختاری برای کاهش احتمال پخش و بهبود عملکرد عایق‌بندی انجام می‌دهد. هدف این مطالعه ارائه یک مرجع برای طراحی عایق‌بندی محصولات مشابه است.

​۱ ساختار RMU عایق‌بندی شده با هوا​

مدل ساختاری سه‌بعدی RMU عایق‌بندی شده با هوا که در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفته است در شکل ۱ نشان داده شده است. ساختار مدار اصلی RMU از طرح ترکیبی کلید خلاء و کلید سه‌موقعیتی استفاده می‌کند. ترتیب بندی از طریق طرحی است که کلید سه‌موقعیتی در سمت بار اصلی قرار دارد، یعنی کلید سه‌موقعیتی در سمت بالای RMU تنظیم شده است، در حالی که کلید خلاء از طریق میله عایق‌بندی جامد در سمت پایین تنظیم شده است.

چون کلید خلاء در میله جامد پوشیده شده است، بیرون آن با رزین اپوکسی عایق‌بندی شده است. قابلیت عایق‌بندی رزین اپوکسی بسیار بیشتر از هوا است، بنابراین نیازهای عایق‌بندی را برآورده می‌کند. علاوه بر این، اتصال بار اصلی در سمت بسته شده میله عایق‌بندی جامد شامل گوشه‌های گرد، طراحی‌های منحنی و مهر و موم سیلیکونی است که مشکلات پخش جزئی در این نقطه را حل می‌کند. فواصل عایق‌بندی بین بارهای اصلی و زمین طبق الزامات عایق‌بندی مرتبط طراحی شده و با مقررات سازگار هستند.

لبه جداکننده کلید سه‌موقعیتی کاملاً از مedium هوا برای عایق‌بندی استفاده می‌کند. به عنوان یک مولفه اتصال قابل حرکت، طراحی ساختاری آن شامل قطعات فلزی مانند پین‌ها، فنرهای مارپیچ، دیسک‌های فنری و حلقه‌های نگهدارنده برای افزایش فشار تماس بین لبه‌های جداکننده است. با این حال، به دلیل شکل‌های خاص این قطعات فلزی، می‌تواند منجر به توزیع بسیار ناهموار میدان الکتریکی شود و پخش جزئی را ایجاد کند. این مسئله خطر پخش خرابی و تأثیر منفی بر عملکرد عایق‌بندی در این محل را افزایش می‌دهد. بنابراین، طراحی ساختار الکتریکی در اینجا بسیار مهم است.

بر اساس الزامات طراحی محصول، فاصله جداکننده باید به ولتاژ تحمل موقتی توان متناوب ۵۰kV مقاوم باشد. حداقل فاصله الکتریکی برای فاصله جداکننده به عنوان ۱۰۰mm طراحی شده است. با توجه به پیچیدگی ساختار لبه جداکننده، سپرهای تقسیم‌بندی در دو طرف لبه جداکننده اضافه شده‌اند تا یکنواختی میدان الکتریکی را بهبود بخشند و ایجاد پخش جزئی را کاهش دهند. مدل سه‌بعدی کلید سه‌موقعیتی در شکل ۲ نشان داده شده است. بنابراین، این مقاله تحلیل شبیه‌سازی میدان الکتریکی فاصله جداکننده را انجام می‌دهد.

نرم‌افزار المان محدود برای شبیه‌سازی میدان الکتریکی RMU استفاده شد، توزیع شدت میدان الکتریکی در فاصله جداکننده تحت ولتاژ تحمل موقتی توان متناوب ۵۰kV تعیین شد. دو سناریو برای شبیه‌سازی میدان الکتریکی تعریف شد:

• ​سناریو ۱:​​ سمت بار اصلی (سمت دارای صندلی تماس ثابت جداکننده) به پتانسیل پایین (۰V) متصل شده است، سمت خط (سمت دارای سر لبه جداکننده) به پتانسیل بالا (۵۰kV) متصل شده است.
• ​سناریو ۲:​​ سمت بار اصلی (سمت دارای صندلی تماس ثابت جداکننده) به پتانسیل بالا (۵۰kV) متصل شده است، سمت خط (سمت دارای سر لبه جداکننده) به پتانسیل پایین (۰V) متصل شده است.

توزیع شدت میدان الکتریکی در محل شدت میدان الکتریکی ماکزیمم در فاصله جداکننده برای هر دو سناریو از شبیه‌سازی به دست آمد. توزیع شدت میدان الکتریکی در سر لبه جداکننده برای سناریو ۱ در شکل ۳ و در صندلی تماس ثابت جداکننده برای سناریو ۲ در شکل ۴ نشان داده شده است. شدت میدان الکتریکی ماکزیمم در سناریو ۱ در انتهای سپر تقسیم‌بندی ۷.۰۷ kV/mm است. شدت میدان الکتریکی ماکزیمم در سناریو ۲ در گوشه صندلی تماس ثابت جداکننده ۴.۹۰ kV/mm است.

شدت میدان الکتریکی بحرانی هوا در شرایط استاندارد معمولاً ۳ kV/mm است. شکل‌های ۳ و ۴ نشان می‌دهند که در حالی که مناطق محلی در فاصله جداکننده از ۳ kV/mm بیشتر می‌شوند، شدت میدان در سایر مناطق زیر این آستانه باقی می‌ماند و پخش خرابی احتمالی نیست. با این حال، پخش جزئی در موقعیت‌های محلی که شدت میدان بیش از ۳ kV/mm است رخ می‌دهد.

وقتی هوا از خشک به مرطوب تغییر می‌کند، قابلیت عایق‌بندی آن کاهش می‌یابد. شدت میدان الکتریکی بحرانی در شرایط میدان یکنواخت زیر ۳ kV/mm می‌افتد. علاوه بر این، توزیع بسیار ناهموار میدان الکتریکی نیز شدت میدان بحرانی هوا را کاهش می‌دهد. هر دو عامل احتمال و خطر پخش خرابی را افزایش می‌دهند. برای کاهش تأثیر شرایط محیطی خارجی بر مedium عایق‌بندی هوا و بهبود ضریب یکنواختی میدان الکتریکی، این مقاله قصد دارد درجه یکنواختی میدان الکتریکی در فاصله جداکننده و مقدار ولتاژ تحمل فاصله را تعیین کند. این موضوع به عنوان پایه‌ای برای بهبود قابلیت عایق‌بندی فاصله جداکننده است.

​۳ ویژگی‌های عایق‌بندی هوا​

​۳.۱ تعیین ضریب ناهمواری میدان الکتریکی​

میدان‌های الکتریکی کاملاً یکنواخت در عمل وجود ندارند؛ تمام میدان‌های الکتریکی ناهموار هستند. بر اساس ضریب ناهمواری f، میدان‌های الکتریکی به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: میدان‌های ناهموار کم (f ≤ ۴) و میدان‌های ناهموار بسیار (f > ۴). ضریب ناهمواری میدان الکتریکی f با f = E_max / E_avg تعیین می‌شود، که E_max شدت میدان الکتریکی ماکزیمم محلی است که از نتایج شبیه‌سازی قابل استخراج است و E_avg شدت میدان الکتریکی متوسط است که با تقسیم ولتاژ اعمال شده بر کمترین فاصله الکتریکی محاسبه می‌شود.

از شکل ۳، E_max = ۷.۰۷ kV/mm و E_avg = ۰.۵ kV/mm (۵۰kV / ۱۰۰mm). بنابراین، ضریب ناهمواری برای فاصله جداکننده f = ۱۴.۱۴ > ۴ است که آن را به میدان بسیار ناهموار طبقه‌بندی می‌کند. پدیده‌های پخش جزئی پایدار می‌توانند در نزدیکی میدان‌های بسیار ناهموار شکل بگیرند. هر چه درجه ناهمواری بیشتر باشد، پخش جزئی بیشتر و مقدار پخش بزرگتر است. برای RMU ۱۲kV، الزام است که پخش جزئی کل کابینت کمتر از ۲۰pC باشد. کاهش ضریب ناهمواری f مفید است برای کاهش مقدار پخش جزئی.

​۳.۲ تعیین ولتاژ تحمل هوا​

ضریب ناهمواری تأثیر می‌گذارد بر ولتاژ تحمل هوا خشک. وقتی میدان ناهموار کم است، ولتاژ تحمل به صورت زیر است:
​فرمول (۱)​​

که در آن:

• U ولتاژ تحمل است.
• d کمترین فاصله الکتریکی بین الکترودها است.
• k یک عامل قابلیت اطمینان است که معمولاً بر اساس تجربه بین ۱.۲ تا ۱.۵ متغیر است.
• E₀ شدت میدان الکتریکی خرابی گاز است. در عمل، این مقدار به ساختار الکترود مرتبط است. شدت میدان خرابی هوا تحت ساختارهای مختلف الکترود و فواصل متفاوت است. برای تحلیل مقایسه‌ای در این مقاله، E₀ = ۳ kV/mm موقتاً تنظیم شده است.

از فرمول (۱)، افزایش کمترین فاصله الکتریکی d یا کاهش ضریب ناهمواری f می‌تواند ولتاژ تحمل هوا را بهبود بخشد. وقتی میدان بسیار ناهموار است، برای الکترودها با کمترین فاصله d حدود ۱۰۰mm، ولتاژ تحمل به صورت زیر تعیین می‌شود:
​فرمول (۲)​​

که در آن U_۵۰%(d) ولتاژ خرابی ۵۰٪ برای الکترود با فاصله الکتریکی d است. در میدان‌های بسیار ناهموار، ولتاژ خرابی نشتی برق آذرین نشان‌دهنده پراکندگی قابل توجه و تأخیر طولانی در زمان پخش است که بسیار ناپایدار است.

در عمل مهندسی، U_۵۰%(d) از طریق چندین آزمایش خرابی نشتی برق آذرین تعیین می‌شود: ولتاژ اعمال شده که با ۵۰٪ احتمال خرابی رخ می‌دهد به عنوان U_۵۰%(d) تعریف می‌شود. این مقدار به ساختار محصول و درجه یکنواختی میدان بستگی دارد. مشخص شده است که ضریب ناهمواری کمتر منجر به کاهش پراکندگی ولتاژ خرابی، افزایش ولتاژ خرابی و در نتیجه افزایش ولتاژ تحمل می‌شود. بنابراین، کاهش ضریب ناهمواری f ولتاژ تحمل فاصله جداکننده را بهبود می‌بخشد.

​۴ بهینه‌سازی ساختار​

برای بهبود یکنواختی میدان الکتریکی در اطراف سر لبه جداکننده و کاهش ضریب ناهمواری، ساختار سپر تقسیم‌بندی بهینه‌سازی شد.

در مقایسه با طراحی اصلی، سپر تقسیم‌بندی بهینه‌سازی شده دارای انتهای ضخیم‌تر با طراحی گوشه‌ای است. شعاع گوشه از ۰.۷۵mm به ۴mm افزایش یافته است، که شعاع خمیدگی در این منطقه را افزایش می‌دهد و به توزیع یکنواخت‌تر میدان الکتریکی کمک می‌کند. توزیع شدت میدان الکتریکی در سر لبه جداکننده بهینه‌سازی شده در شکل ۷ نشان داده شده است. شکل نشان می‌دهد که شدت میدان الکتریکی ماکزیمم در این محل اکنون ۳.۶۶ kV/mm است، حدود نیمی از مقدار قبل از بهینه‌سازی، که نشان‌دهنده بهبود قابل توجه است.

بر اساس فرمول f = E_max / E_avg، ضریب ناهمواری میدان الکتریکی بعد از بهینه‌سازی ۷.۳۲ است. در مقایسه با وضعیت قبل از بهینه‌سازی، این مقدار به حدود نیمی کاهش یافته است. یکنواختی میدان الکتریکی در نزدیکی سر لبه جداکننده نیز به طور قابل توجهی بهبود یافته است که دلیلی بر معقول بودن بهینه‌سازی ساختاری است.

ساختار سپر تقسیم‌بندی بهینه‌سازی شده در واقع خطر پخش خرابی در فاصله جداکننده را کاهش می‌دهد. با این حال، میدان الکتریکی در فاصله همچنان بسیار ناهموار است و ولتاژ تحمل آن همچنان توسط U_۵۰%(d) تعیین می‌شود. میزانی که ولتاژ تحمل می‌تواند افزایش یابد باید از طریق آزمایش‌های میدانی بعدی تعیین شود.

​۵ نتیجه‌گیری​

با تحلیل میدان الکتریکی فاصله جداکننده در RMU عایق‌بندی شده با هوا با ولتاژ ۱۲kV، این مقاله به نتایج زیر رسید:

1. به دلیل قابلیت عایق‌بندی ضعیف‌تر هوا نسبت به SF6، استفاده از هوا برای عایق‌بندی در کلید سه‌موقعیتی درون RMU‌ها نیاز به بهبود توزیع میدان الکتریکی برای بهبود قابلیت عایق‌بندی دارد.
2. به دلیل پیچیدگی ساختاری قطعات متحرک (لبه جداکننده) در کلید سه‌موقعیتی RMU‌های عایق‌بندی شده با هوا، توزیع شدت میدان الکتریکی در موقعیت‌های محلی می‌تواند بسیار ناهموار شود. برای کاهش ناهمواری، سپرهای تقسیم‌بندی می‌توانند در دو طرف لبه جداکننده اضافه شوند تا شدت میدان الکتریکی نزدیک انتهای اتصالات لبه را محافظت کنند و شدت میدان الکتریکی ماکزیمم محلی را به انتهای سپرهای تقسیم‌بندی منتقل کنند. این مقاله شعاع خمیدگی انتهای سپر تقسیم‌بندی را از ۰.۷۵mm به ۴mm افزایش داد. این کار هم شدت میدان الکتریکی ماکزیمم محلی و هم ضریب ناهمواری را به حدود نیمی از مقدار اولیه کاهش داد و به دست آورد نتیجه مورد نظر.
3. درجه یکنواختی میدان الکتریکی یا ضریب ناهمواری تأثیر قابل توجهی بر پخش جزئی و پخش خرابی دارد. میدان‌های بسیار ناهموار به راحتی می‌توانند منجر به پخش جزئی پایدار (پخش کرونا) شوند. برای هر دو میدان ناهموار کم و بسیار ناهموار، ضریب ناهمواری بالاتر متناظر با ولتاژ تحمل کمتر بین دو الکترود است.