طرح بهینه‌سازی برای گپ جداکننده واحد حلقه اصلی عایق هوایی ۱۲kV به منظور کاهش احتمال شکست ترکیبی

با توجه به پیشرفت سریع صنعت برق، مفهوم اکولوژیکی کم‌کربن، صرفه‌جویی در انرژی و حفاظت از محیط زیست به طور عمیق در طراحی و ساخت محصولات الکتریکی توزیع و تأمین برق یکپارچه شده است. واحد حلقه‌ای مرکزی (RMU) یک دستگاه الکتریکی کلیدی در شبکه‌های توزیع است. ایمنی، حفاظت از محیط زیست، قابلیت اطمینان عملکردی، کارایی انرژی و اقتصادی جریان‌های اجتناب‌ناپذیر در توسعه آن هستند. RMUهای سنتی عمدتاً با RMUهای عایق‌شده با SF6 نمایان شده‌اند. به دلیل قابلیت خاموش‌سازی قوس بسیار خوب و عملکرد عایق‌سازی بالا SF6، این دستگاه‌ها به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، SF6 باعث اثر گلخانه‌ای می‌شود. با افزایش فشار قانونی بر گازهای گلخانه‌ای، توسعه RMUهای عایق‌شده دوستانه‌محیطی به عنوان جایگزین SF6 به یک روند ضروری تبدیل شده است.

در حال حاضر، RMUهای عایق‌شده دوستانه‌محیطی شامل RMUهای عایق‌شده با نیتروژن و RMUهای عایق‌شده با هوا خشک هستند. این گزینه‌ها در ادبیات معرفی شده‌اند. در مقایسه با قابلیت عایق‌سازی SF6، قابلیت عایق‌سازی نیتروژن و هوا خشک فقط حدود یک سوم آن است. بنابراین، تضمین اینکه عملکرد کلی عایق‌سازی RMU و قطعات داخلی آن به دلیل کاهش قابلیت عایق‌سازی مEDIUM کاهش نیابد، در حالی که فضای کابین موجود حفظ می‌شود، بسیار مهم است. این موضوع به طور اصلی در طراحی ساختار الکتریکی داخلی و ساختار عایق‌سازی منعکس می‌شود. طراحی مناسب ساختار الکتریکی و عایق‌سازی می‌تواند کمبود عملکرد مEDIUM عایق‌سازی را جبران کند.

این مقاله بر روی یک فاصله جداکننده در یک RMU عایق‌شده با هوا با ولتاژ 12kV تمرکز دارد. توزیع میدان الکتریکی نزدیک و یکنواختی آن را تحلیل کرده و عملکرد عایق‌سازی در این مکان را ارزیابی می‌کند و به بهینه‌سازی ساختاری برای کاهش احتمال تخلیه و بهبود عملکرد عایق‌سازی می‌پردازد. هدف این مطالعه ارائه یک مرجع برای طراحی عایق‌سازی محصولات مشابه است.

​1 ساختار RMU عایق‌شده با هوا​

مدل ساختاری سه‌بعدی RMU عایق‌شده با هوا که در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفته، در شکل 1 نشان داده شده است. ساختار مدار اصلی RMU از یک طرح ترکیبی میان قطعه خلاء و سوئیچ سه‌موقعیتی استفاده می‌کند. طرح چیدمان از یک طرحی استفاده می‌کند که در آن سوئیچ سه‌موقعیتی در سمت بار مشترک قرار دارد، یعنی سوئیچ سه‌موقعیتی در سمت بالای RMU قرار داده شده است، در حالی که قطعه خلاء از طریق یک ستون عایق‌سازی جامد در سمت پایین قرار داده شده است.

از آنجا که قطعه خلاء در داخل ستون جامد قرار دارد، ظاهر آن با رزین اپوکسی عایق‌سازی شده است. قابلیت عایق‌سازی رزین اپوکسی بسیار بیشتر از هوا است، بنابراین نیازهای عایق‌سازی را برآورده می‌کند. علاوه بر این، بار مشترک متصل شده در سمت بسته ستون عایق‌سازی جامد با گوشه‌های مسترد، طراحی‌های منحنی و پوشش سیلیکونی، مشکلات تخلیه جزئی در این نقطه را حل می‌کند. فواصل عایق‌سازی بین بارهای مشترک و با زمین طبق نیازهای عایق‌سازی مرتبط طراحی شده و با مقررات سازگار است.

لبه جداکننده سوئیچ سه‌موقعیتی کاملاً از مEDIUM هوا برای عایق‌سازی تکیه می‌کند. به عنوان یک مؤلفه اتصال متحرک، طراحی ساختاری آن شامل قطعات فلزی مانند پین‌ها، فنرهای مارپیچ، فنرهای دیسکی و حلقه‌های ثابت‌کننده برای افزایش فشار تماس بین تماس‌های جداکننده است. با این حال، به دلیل اشکال خاص این قطعات فلزی، می‌توانند توزیع میدان الکتریکی بسیار غیریکنواخت ایجاد کنند و تخلیه جزئی را به وجود آورند. این مسئله خطر تخلیه شکست را افزایش می‌دهد و عملکرد عایق‌سازی در این مکان را به طور منفی تحت تأثیر قرار می‌دهد. بنابراین، طراحی ساختار الکتریکی در اینجا بسیار مهم است.

بر اساس نیازهای طراحی محصول، فاصله جداکننده باید به ولتاژ تحمل کوتاه‌مدت توان متناوب 50kV مقاوم باشد. فاصله الکتریکی حداقل برای فاصله جداکننده به 100mm طراحی شده است. با توجه به پیچیدگی ساختار لبه جداکننده، سپرهای تقسیم‌بندی روی دو طرف لبه جداکننده اضافه شده‌اند تا یکنواختی میدان الکتریکی را افزایش داده و تخلیه جزئی را کاهش دهند. مدل سه‌بعدی سوئیچ سه‌موقعیتی در شکل 2 نشان داده شده است. به تبع آن، این مقاله تحلیل شبیه‌سازی میدان الکتریکی بر روی فاصله جداکننده انجام می‌دهد.

نرم‌افزار المان محدود برای شبیه‌سازی میدان الکتریکی RMU استفاده شده است و توزیع شدت میدان الکتریکی در فاصله جداکننده تحت ولتاژ تحمل کوتاه‌مدت توان متناوب 50kV تحلیل شده است. دو سناریو برای شبیه‌سازی میدان الکتریکی تعریف شده‌اند:

• ​سناریو ۱:​​ سمت بار مشترک (سمتی که صندلی تماس جداکننده ثابت قرار دارد) به پتانسیل پایین (0V) متصل شده است، سمت خط (سمتی که سر لبه جداکننده قرار دارد) به پتانسیل بالا (50kV) متصل شده است.
• ​سناریو ۲:​​ سمت بار مشترک (سمتی که صندلی تماس جداکننده ثابت قرار دارد) به پتانسیل بالا (50kV) متصل شده است، سمت خط (سمتی که سر لبه جداکننده قرار دارد) به پتانسیل پایین (0V) متصل شده است.

توزیع شدت میدان الکتریکی در محل شدت میدان الکتریکی حداکثری در فاصله جداکننده برای هر دو سناریو از شبیه‌سازی به دست آمده است. توزیع شدت میدان الکتریکی در سر لبه جداکننده برای سناریو ۱ در شکل ۳ و در صندلی تماس جداکننده ثابت برای سناریو ۲ در شکل ۴ نشان داده شده است. شدت میدان الکتریکی حداکثری در سناریو ۱ در انتهای سپر تقسیم‌بندی 7.07 kV/mm است. حداکثر در سناریو ۲ در گوشه‌های مسترد صندلی تماس جداکننده ثابت 4.90 kV/mm است.

شکل‌های ۳ و ۴ نشان می‌دهند که در حالی که در برخی مناطق محلی در فاصله جداکننده شدت میدان الکتریکی بیش از 3 kV/mm است، شدت میدان در سایر مناطق زیر این آستانه باقی می‌ماند، بنابراین تخلیه شکست احتمالی نیست. با این حال، تخلیه جزئی در موقعیت‌های محلی که شدت میدان بیش از 3 kV/mm است رخ خواهد داد.

وقتی هوا از خشک به مرطوب تغییر می‌کند، قابلیت عایق‌سازی آن کاهش می‌یابد. شدت میدان الکتریکی شکست حیاتی در شرایط میدان یکنواخت به زیر 3 kV/mm می‌رسد. علاوه بر این، توزیع بسیار غیریکنواخت میدان الکتریکی نیز شدت میدان الکتریکی شکست حیاتی هوا را کاهش می‌دهد. هر دو عامل احتمال و خطر شکست را افزایش می‌دهند. برای کاهش تأثیر شرایط محیطی خارجی بر مEDIUM عایق‌سازی 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 مبنایی برای افزایش قابلیت عایق‌سازی فاصله جداکننده است.

​3 ویژگی‌های عایق‌سازی هوا​

​3.1 تعیین ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی​

میدان‌های الکتریکی کاملاً یکنواخت در عمل وجود ندارند؛ تمام میدان‌های الکتریکی غیریکنواخت هستند. بر اساس ضریب غیریکنواختی f، میدان‌های الکتریکی به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: میدان‌های غیریکنواخت کم (f ≤ 4) و میدان‌های غیریکنواخت بسیار (f > 4). ضریب غیریکنواختی میدان الکتریکی f با f = E_max / E_avg تعیین می‌شود، که در آن E_max شدت میدان الکتریکی حداکثر محلی است که از نتایج شبیه‌سازی قابل دسترسی است و E_avg شدت میدان الکتریکی میانگین است که از تقسیم ولتاژ اعمالی بر فاصله الکتریکی حداقل محاسبه می‌شود.

از شکل ۳، E_max = 7.07 kV/mm و E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). بنابراین، ضریب غیریکنواختی برای فاصله جداکننده f = 14.14 > 4 است که آن را به یک میدان بسیار غیریکنواخت طبقه‌بندی می‌کند. پدیده‌های تخلیه جزئی پایدار می‌توانند در نزدیکی میدان‌های بسیار غیریکنواخت شکل بگیرند. هرچه درجه غیریکنواختی بیشتر باشد، تخلیه جزئی بیشتر و مقدار تخلیه بزرگتر خواهد بود. برای یک RMU 12kV، الزام است که تخلیه کلی جزئی کل کابین کمتر از 20pC باشد. کاهش ضریب غیریکنواختی f مفید برای کاهش مقدار تخلیه جزئی است.

​3.2 تعیین ولتاژ تحمل هوا​

ضریب غیریکنواختی بر ولتاژ تحمل هوا خشک تأثیر می‌گذارد. وقتی میدان غیریکنواخت کم است، ولتاژ تحمل از رابطه زیر به دست می‌آید:
​فرمول (۱)​​

که در آن:

• U ولتاژ تحمل است.
• d فاصله الکتریکی حداقل بین الکترودها است.
• k یک عامل قابلیت اطمینان است که معمولاً بر اساس تجربه بین 1.2 تا 1.5 متغیر است.
• 08/16/2025