Pagsasamantalang disenyo para sa 12kV Air-Insulated Ring Main Unit Isolating Gap upang bawasan ang probabilidad ng pagkasira at paglabas ng kuryente

Sa mabilis na pag-unlad ng industriya ng kuryente, ang konsepto ng ekolohikal na mababang carbon, energy-saving, at pangkapaligiran ay lubusang naging bahagi ng disenyo at paggawa ng mga produktong kuryente para sa distribusyon at suplay. Ang Ring Main Unit (RMU) ay isang mahalagang kuryenteng aparato sa mga network ng distribusyon. Ang kaligtasan, pangkapaligiran, operational na kapani-paniwalan, enerhiyang epektibo, at ekonomiya ay hindi maiiwasang mga trend sa kanyang pag-unlad. Ang mga tradisyonal na RMUs ay pangunahing kinakatawan ng mga SF6 gas-insulated RMUs. Dahil sa kanyang kamangha-manghang kakayahang maputol ng apoy at mataas na insulasyon, sila ay malawakang ginamit. Gayunpaman, ang SF6 ay nagdudulot ng greenhouse effect. Sa patuloy na pagsipri ng regulasyon sa mga greenhouse gases, ang pagbuo ng mga eco-friendly na gas-insulated RMUs bilang alternatibo sa SF6 ay naging isang mahalagang trend.

Ngayon, ang mga eco-friendly na gas-insulated RMUs ay kasama ang nitrogen-insulated RMUs at dry air-insulated RMUs. Ang literatura ay ipinakilala ang mga opsyon na ito. Kumpara sa kakayahang insulate ng SF6, ang nitroheno at dry air ay humigit-kumulang sa isang tercio lamang. Kaya, upang matiyak na ang kabuuang kakayahang insulate ng RMU at ng kanyang mga switch sa loob ay hindi nasira dahil sa nabawasan na kakayahang insulate ng medium, habang pinapanatili ang umiiral na cabinet space, ay partikular na mahalaga. Ito ay pangunahing nakikita sa disenyo ng panloob na electrical structure at insulating structure. Ang maaring electrical at insulating structure design ay maaaring bumawi sa kakulangan ng kakayahang insulate ng medium.

Ang papel na ito ay nakatuon sa isang isolating gap sa loob ng tiyak na 12kV air-insulated RMU. Ito ay analisa ang nearby electric field distribution at kanyang uniformity, asesura ang kakayahang insulate sa lugar na ito, at gumawa ng structural optimization upang bawasan ang probabilidad ng discharge at mapabuti ang kakayahang insulate. Ang pag-aaral ay may layuning magbigay ng sanggunian para sa insulation design ng mga katulad na produkto.

​1 Structure of the Air-Insulated RMU​

Ang 3D structural model ng air-insulated RMU na sinuri sa papel na ito ay ipinapakita sa Figure 1. Ang main circuit structure ng RMU ay sumusunod sa isang plano na naglalabas ng vacuum switch at three-position switch. Ang layout ay gumagamit ng isang plano kung saan ang three-position switch ay nasa busbar side, i.e., ang three-position switch ay inilagay sa itaas na bahagi ng RMU, samantalang ang vacuum switch ay inilagay sa ibaba sa pamamagitan ng solid-insulated pole.

Dahil ang vacuum switch ay naka-encapsulate sa loob ng pole, ang kanyang exterior ay insulate ng epoxy resin. Ang kakayahang insulate ng epoxy resin ay lubos na mas mahusay kaysa sa hangin, kaya't tumutugon sa mga requirement ng insulasyon. Bukod dito, ang connecting busbar sa sealed end ng solid-insulated pole ay may rounded corners, curved designs, at silicone rubber sealing, na nagreresolba ng mga issue ng partial discharge sa lugar na ito. Ang insulating clearances sa pagitan ng busbars at ground ay disenyo ayon sa mga relevant na insulating requirements at sumusunod sa regulasyon.

Ang isolating blade ng three-position switch ay buong depende sa hangin bilang medium ng insulasyon. Bilang isang movable connecting component, ang kanyang structural design ay may metal parts tulad ng pins, springs, disc springs, at retaining rings upang mapalakas ang contact pressure sa pagitan ng isolating contacts. Ngunit, dahil sa espesyal na hugis ng mga metal parts, maaari silang maging sanhi ng labis na hindi uniform na electric field distribution, na nagtrigger ng partial discharge. Ito ay nagdudulot ng panganib ng breakdown discharge, na negatibong apektado ang kakayahang insulate sa lugar na ito. Kaya, ang electrical structure design dito ay partikular na mahalaga.

Ayon sa product design requirements, ang isolating gap ay kailangang tustusan ang rated short-time power-frequency withstand voltage na 50kV. Ang minimum electrical clearance para sa isolating gap ay disenyo bilang 100mm. Tinitingnan ang komplikadong estruktura ng isolating blade, grading shields ang idinagdag sa parehong gilid ng isolating blade upang mapabuti ang uniformity ng electric field at bawasan ang pag-occur ng partial discharge. Ang 3D model ng three-position switch ay ipinapakita sa Figure 2. Ayon dito, ang papel na ito ay gumagawa ng electric field simulation analysis sa isolating gap.

Ang finite element software ay ginamit upang simula ang electric field ng RMU, analisa ang electric field intensity distribution sa buong isolating gap sa ibinigay na 50kV rated short-time power-frequency withstand voltage. Dalawang scenario para sa electrostatic field simulation ang inilarawan:

• ​Scenario 1:​​ Busbar side (side na may isolating static contact seat) na konektado sa mababang potential (0V), line side (side na may isolating blade head) na konektado sa mataas na potential (50kV).
• ​Scenario 2:​​ Busbar side (side na may isolating static contact seat) na konektado sa mataas na potential (50kV), line side (side na may isolating blade head) na konektado sa mababang potential (0V).

Ang electric field distributions sa lugar ng maximum electric field intensity sa loob ng isolating gap para sa parehong scenario ay nakuha mula sa simulation. Ang electric field intensity distribution sa isolating blade head para sa Scenario 1 ay ipinapakita sa Figure 3, at iyon sa isolating static contact seat para sa Scenario 2 ay ipinapakita sa Figure 4. Ang maximum electric field intensity sa Scenario 1 ay nangyari sa dulo ng grading shield, na may sukat na 7.07 kV/mm. Ang maximum sa Scenario 2 ay nasa chamfer ng isolating static contact seat, na may sukat na 4.90 kV/mm.

Ang critical breakdown electric field strength para sa hangin sa standard conditions ay karaniwang 3 kV/mm. Ang Figures 3 at 4 ay nagpapakita na habang ang ilang lokal na lugar sa loob ng isolating gap ay lumampas sa 3 kV/mm, ang field intensity sa iba pang lugar ay nananatiling sa ilalim ng threshold na ito, kaya't hindi maaaring mangyari ang breakdown discharge. Gayunpaman, ang partial discharge ay mangyayari sa mga lokal na posisyon kung saan ang field strength ay lumampas sa 3 kV/mm.

Kapag ang hangin ay nagbago mula dry to humid, ang kanyang kakayahang insulate ay bumababa. Ang critical breakdown electric field strength sa uniform field conditions ay bumababa sa ilalim ng 3 kV/mm. Bukod dito, ang labis na hindi uniform na electric field distribution ay din bumababa sa critical breakdown field strength ng hangin. Ang parehong factor ay nagdudulot ng mas mataas na posibilidad at panganib ng breakdown. Upang bawasan ang impact ng external environmental conditions sa air insulation medium at mapabuti ang uniformity coefficient ng electric field, ang papel na ito ay nagnanais na matukoy ang degree ng uniformity ng electric field sa buong isolating gap at ang withstand voltage value ng gap. Ito ay siyang basehan para sa pagpapatibay ng kakayahang insulate ng isolating gap.

​3 Air Insulation Characteristics​

​3.1 Determination of Electric Field Non-Uniformity Coefficient​

Walang perpekto na uniform na electric fields sa praktikal; lahat ng electric fields ay hindi uniform. Batay sa non-uniformity coefficient f, ang electric fields ay binubuo ng dalawang uri: slightly non-uniform electric fields kapag f ≤ 4; at extremely non-uniform electric fields kapag f > 4. Ang electric field non-uniformity coefficient f ay matutukoy sa pamamagitan ng f = E_max / E_avg, kung saan ang E_max ay ang lokal na maximum electric field strength, makukuha mula sa simulation results, at ang E_avg ay ang average electric field strength, na kalkulahin bilang applied voltage divided by the minimum electrical clearance.

Mula sa Figure 3, E_max = 7.07 kV/mm at E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Kaya, ang non-uniformity coefficient para sa isolating gap f = 14.14 > 4, na nagkaklasipika bilang extremely non-uniform field. Ang stable partial discharge phenomena ay maaaring lumikha malapit sa extremely non-uniform fields. Ang mas mataas ang degree ng non-uniformity, ang mas pronounced ang partial discharge, at ang mas malaki ang discharge magnitude. Para sa 12kV RMU, ang requirement ay na ang total partial discharge ng buong cabinet ay dapat na mas mababa sa 20pC. Ang pagbabawas ng non-uniformity coefficient f ay makakabuti sa pagbawas ng partial discharge magnitude.

​3.2 Determination of Air Withstand Voltage​

Ang non-uniformity coefficient ay nakakaapekto sa withstand voltage ng dry air. Kapag ang field ay slightly non-uniform, ang withstand voltage ay:
​Formula (1)​​

Kung saan:

• U ay ang withstand voltage.
• d ay ang minimum electrical clearance sa pagitan ng electrodes.
• k ay isang reliability factor, karaniwang nasa 1.2 hanggang 1.5 batay sa experience.
• E₀ ay ang gas breakdown electric field strength. Sa praktikal, ang halagang ito ay may kaugnayan sa electrode structure. Ang air breakdown field strength ay iba-iba depende sa iba't ibang electrode structures at clearances. Para sa comparative analysis sa papel na ito, E₀ = 3 kV/mm ay tentatively itinalaga.

Mula sa Formula (1), ang pagtaas ng minimum electrical clearance d o ang pagbawas ng non-uniformity coefficient f ay maaaring mapabuti ang withstand voltage ng hangin. Kapag ang field ay extremely non-uniform, para sa mga electrode na may minimum clearance d na halos 100mm, ang withstand voltage ay matutukoy sa pamamagitan ng:
​Formula (2)​​

Kung saan U_50%(d) ay ang lightning impulse 50% breakdown voltage para sa electrode na may electrical clearance na d. Sa extremely non-uniform fields, ang breakdown voltage ay nagpapakita ng significant dispersion at mahabang discharge time delay, kaya't lubhang unstable.

Sa engineering practice, U_50%(d) ay matutukoy sa pamamagitan ng maramihang lightning impulse tests: ang applied voltage kung saan ang breakdown ay nangyari sa 50% probability ay itinalaga bilang U_50%(d). Ang halagang ito ay depende sa product structure at degree ng field uniformity. Itinatag na ang mas mababang non-uniformity coefficient ay nagresulta sa mas maliit na breakdown voltage dispersion, mas mataas na breakdown voltage, at kaya't mas mataas na withstand voltage. Kaya, ang pagbabawas ng non-uniformity coefficient f ay mapapabuti ang withstand voltage ng isolating gap.

​4 Structural Optimization​

Upang mapabuti ang uniformity ng electric field sa paligid ng isolating blade head at bawasan ang non-uniformity coefficient, ang grading shield structure ay in-optimize.

Kumpara sa orihinal na disenyo, ang optimized grading shield ay may thickened end na may rounded corner design. Ang fillet radius ay itinaas mula 0.75mm hanggang 4mm, na nagpapataas ng curvature radius sa lugar na ito, na benepisyo sa pagkamit ng mas uniform na field distribution. Ang electric field intensity distribution sa optimized isolating blade head ay ipinapakita sa Figure 7. Ang figure ay nagpapakita na ang maximum electric field intensity sa lugar na ito ay ngayon 3.66 kV/mm, humigit-kumulang na kalahati ng halaga bago ang optimization, na nagpapakita ng significant improvement.

Batay sa formula f = E_max / E_avg, ang electric field non-uniformity coefficient pagkatapos ng optimization ay 7.32. Kumpara sa pre-optimization state, ang halagang ito ay bawas sa kalahati. Ang uniformity ng electric field malapit sa isolating blade head ay din lubos na naimprove, na nagpapakita ng reasonableness ng structural optimization.

Ang optimized grading shield structure talaga ay nabinabawasan ang panganib ng breakdown discharge sa buong isolating gap. Gayunpaman, ang electric field sa gap ay patuloy na extremely non-uniform, at ang kanyang withstand voltage ay pa rin matutukoy sa pamamagitan ng U_50%(d). Ang extend kung saan ang withstand voltage ay maaaring mapataas ay kailangang matukoy sa pamamagitan ng susunod na field tests.

​5 Conclusion​

Sa pamamagitan ng electric field analysis ng isolating gap sa 12kV air-insulated RMU, ang papel na ito ay nakuha ang mga sumusunod na conclusion:

1. Dahil sa mas mababang kakayahang insulate ng hangin kumpara sa SF6, ang paggamit ng hangin bilang insulator sa three-position switch sa loob ng RMUs ay nangangailangan ng pagpapatibay ng electric field distribution upang mapabuti ang kakayahang insulate.
2. Dahil sa komplikadong estruktura ng mga moving parts (isolating blade) sa loob ng three-position switch ng air-insulated RMUs, ang electric field intensity distribution sa lokal na posisyon ay maaaring maging labis na hindi uniform. Upang bawasan ang non-uniformity, ang grading shields ay maaaring idagdag sa parehong gilid ng isolating blade upang shield ang electric field intensity malapit sa dulo ng blade connectors, na nagsisilbing shift sa maximum local field intensity sa dulo ng grading shields. Ang papel na ito ay itinaas ang curvature radius ng grading shield end mula 0.75mm hanggang 4mm. Ito ay nabinabawasan ang parehong maximum local electric field intensity at non-uniformity coefficient sa kalahati ng kanilang orihinal na halaga, na nagresulta sa desired effect.
3. Ang degree ng electric field uniformity, o ang non-uniformity coefficient, ay malaking nag-apekto sa partial discharge at breakdown discharge. Ang extremely non-uniform fields ay madaling nagiging sanhi ng stable partial discharge (corona discharge). Para sa parehong slightly at extremely non-uniform fields, ang mas mataas na non-uniformity coefficient ay tumutugon sa mas mababang withstand voltage sa pagitan ng dalawang electrodes.