Esquema de deseño optimizado para a lacuna de aislamento da unidade principal de anel con aislamento a aire de 12kV para reducir a probabilidade de descarga por ruptura

Coa rápida desenvolvemento da industria eléctrica, o concepto ecolóxico de baixo carbono, enerxía eficiente e protección do medio ambiente integráronse profundamente no deseño e fabricación de produtos eléctricos de alimentación e distribución. A Unidade Principal de Anel (RMU) é un dispositivo eléctrico clave nas redes de distribución. A seguridade, a protección do medio ambiente, a fiabilidade operativa, a eficiencia enerxética e a economía son tendencias inevitables no seu desenvolvemento. As RMUs tradicionais están principalmente representadas por RMUs aisladas con gas SF6. Debido á excelente capacidade de extinción de arcos e ao alto desempeño de aislamento do SF6, foron ampliamente utilizados. No entanto, o SF6 causa o efecto invernadeiro. Con unha presión reguladora crecente sobre os gases de efecto invernadeiro, desenvolver RMUs aisladas con gases respetuosos co medio ambiente como alternativas ao SF6 converteuse nunha tendencia imperativa.

Actualmente, as RMUs aisladas con gases respetuosos co medio ambiente inclúen RMUs aisladas con nitróxeno e RMUs aisladas con aire seco. A literatura introduciu estas opcións. En comparación coa capacidade de aislamento do SF6, a do nitróxeno e do aire seco é só aproximadamente un terzo. Polo tanto, asegurar que o desempeño global de aislamento da RMU e as súas interiores interruptores non se comprometan debido ao reducido desempeño de aislamento do medio, mantendo o espazo existente do armario, é particularmente crucial. Isto reflicte principalmente no deseño da estrutura eléctrica interna e da estrutura de aislamento. Un deseño razonable da estrutura eléctrica e de aislamento pode compensar a deficiencia do desempeño do medio de aislamento.

Este artigo centra-se nunha brecha de aislamento dentro dunha certa RMU aislada con aire de 12kV. Analiza a distribución do campo eléctrico próximo e a súa uniformidade, avalía o desempeño de aislamento neste lugar e realiza unha optimización estructural para reducir a probabilidade de descarga e mellorar o desempeño de aislamento. O estudo ten como obxectivo proporcionar unha referencia para o deseño de aislamento de produtos similares.

​1 Estructura da RMU aislada con aire​

O modelo estructural 3D da RMU aislada con aire estudada neste artigo amósase na Figura 1. A estrutura do circuito principal da RMU adopta un esquema que combina un interruptor de vacío e un interruptor de tres posicións. A disposición emprega un esquema onde o interruptor de tres posicións está situado no lado da barra de barramento, isto é, o interruptor de tres posicións está disposto no lado superior da RMU, mentres que o interruptor de vacío está disposto no lado inferior a través dun polo de aislamento sólido.

Como o interruptor de vacío está encapsulado dentro do polo, a súa exterior está aislada por resina epoxi. A capacidade de aislamento da resina epoxi é moito mellor que a do aire, cumpriendo así os requisitos de aislamento. Ademais, a barra de conexión no extremo selado do polo de aislamento sólido incorpora cantos redondeados, diseños curvos e sellado de caucho de silicón, resolvendo problemas de descarga parcial neste punto. Os claros de aislamento entre as barras de barramento e ao chao están deseñados segundo os requisitos de aislamento pertinentes e cumprindo as normas.

A lâmina de aislamento do interruptor de tres posicións depende completamente do medio de aire para o aislamento. Como un componente de conexión móvel, o seu deseño estructural incorpora pezas metálicas como pinos, molas, discos de mola e aneis de retención para aumentar a presión de contacto entre os contactos de aislamento. No entanto, debido ás formas especiais destas pezas metálicas, poden causar unha distribución altamente non uniforme do campo eléctrico, provocando descargas parciais. Isto supón un risco de descarga de ruptura, afectando adversamente o desempeño de aislamento neste lugar. Polo tanto, o deseño da estrutura eléctrica aquí é particularmente importante.

Segundo os requisitos de deseño do produto, a brecha de aislamento debe resistir unha tensión nominal de frecuencia de potencia de curtaduración de 50kV. O claro eléctrico mínimo para a brecha de aislamento está deseñado en 100mm. Considerando a complexidade da estrutura da lâmina de aislamento, foron engadidos escudos de gradación en ambos os lados da lâmina de aislamento para mellorar a uniformidade do campo eléctrico e reducir a ocorrencia de descargas parciais. O modelo 3D do interruptor de tres posicións amósase na Figura 2. En consecuencia, este artigo realiza unha análise de simulación de campo eléctrico na brecha de aislamento.

Utilízase software de elementos finitos para simular o campo eléctrico da RMU, analizando a distribución de intensidade de campo eléctrico a través da brecha de aislamento baixo a dada tensión nominal de frecuencia de potencia de curtaduración de 50kV. Defínense dous escenarios para a simulación de campo electrostático:

• ​Escenario 1:​​ Lado da barra de barramento (lado co asento de contacto estático de aislamento) conectado a baixa potencial (0V), lado da liña (lado coa cabeza da lâmina de aislamento) conectado a alta potencial (50kV).
• ​Escenario 2:​​ Lado da barra de barramento (lado co asento de contacto estático de aislamento) conectado a alta potencial (50kV), lado da liña (lado coa cabeza da lâmina de aislamento) conectado a baixa potencial (0V).

Obtéñense as distribucións de campo eléctrico no lugar de máxima intensidade de campo eléctrico dentro da brecha de aislamento para ambos os escenarios a partir da simulación. A distribución de intensidade de campo eléctrico na cabeza da lâmina de aislamento para o Escenario 1 amósase na Figura 3, e a do asento de contacto estático de aislamento para o Escenario 2 amósase na Figura 4. A máxima intensidade de campo eléctrico no Escenario 1 ocorre no final do escudo de gradación, midindo 7.07 kV/mm. A máxima no Escenario 2 está no chanfro do asento de contacto estático de aislamento, midindo 4.90 kV/mm.

A intensidade crítica de campo eléctrico de ruptura do aire en condicións estándar xeralmente é de 3 kV/mm. As Figuras 3 e 4 amosan que, aínda que áreas localizadas dentro da brecha de aislamento superan 3 kV/mm, a intensidade de campo en outras áreas permanece por debaixo deste umbral, facendo pouco probable a descarga de ruptura. No entanto, ocorrerán descargas parciais nas posicións localizadas onde a intensidade de campo supere 3 kV/mm.

Cando o aire cambia de seco a húmido, a súa capacidade de aislamento diminúe. A intensidade crítica de campo eléctrico de ruptura baixo condicións de campo uniforme cae por debaixo de 3 kV/mm. Ademais, a distribución altamente non uniforme do campo eléctrico tamén reduce a intensidade crítica de campo de ruptura do aire. Ambos os factores aumentan a posibilidade e o risco de ruptura. Para mitigar o impacto das condicións ambientais externas no medio de aislamento de aire e mellorar o coeficiente de uniformidade do campo eléctrico, este artigo ten como obxectivo determinar o grao de uniformidade do campo eléctrico a través da brecha de aislamento e o valor de tensión de resistencia da brecha. Isto serve como base para mellorar a capacidade de aislamento da brecha de aislamento.

​3 Características de aislamento de aire​

​3.1 Determinación do coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico​

Os campos eléctricos perfectamente uniformes non existen na práctica; todos os campos eléctricos son non uniformes. Basándose no coeficiente de non uniformidade f, os campos eléctricos clasifícanse en dous tipos: campos eléctricos levemente non uniformes cando f ≤ 4; e campos eléctricos extremadamente non uniformes cando f > 4. O coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico f determinase por f = E_max / E_avg, onde E_max é a intensidade máxima local de campo eléctrico, obtible a partir dos resultados da simulación, e E_avg é a intensidade media de campo eléctrico, calculada como a tensión aplicada dividida polo claro eléctrico mínimo.

A partir da Figura 3, E_max = 7.07 kV/mm e E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Polo tanto, o coeficiente de non uniformidade para a brecha de aislamento f = 14.14 > 4, clasificándoo como un campo extremadamente non uniforme. Os fenómenos de descarga parcial estable pódense formar preto de campos extremadamente non uniformes. Cuanto maior é o grao de non uniformidade, máis pronunciada é a descarga parcial, e maior é a magnitude da descarga. Para unha RMU de 12kV, o requisito é que a descarga parcial total do armario completo sexa menor que 20pC. Reducir o coeficiente de non uniformidade f é beneficioso para diminuír a magnitude da descarga parcial.

​3.2 Determinación da tensión de resistencia do aire​

O coeficiente de non uniformidade afecta a tensión de resistencia do aire seco. Cando o campo é levemente non uniforme, a tensión de resistencia é:
​Fórmula (1)​​

Onde:

• U é a tensión de resistencia.
• d é o claro eléctrico mínimo entre electrodos.
• k é un factor de fiabilidade, xeralmente entre 1.2 e 1.5 baseado na experiencia.
• E₀ é a intensidade de campo de ruptura do gas. Na práctica, este valor relacionase coa estrutura do electrodo. A intensidade de campo de ruptura do aire varía baixo diferentes estruturas de electrodo e claros. Para a análise comparativa neste artigo, E₀ = 3 kV/mm está tentativamente fixado.

A partir da Fórmula (1), aumentar o claro eléctrico mínimo d ou diminuír o coeficiente de non uniformidade f pode mellorar a tensión de resistencia do aire. Cando o campo é extremadamente non uniforme, para electrodos con un claro mínimo d de aproximadamente 100mm, a tensión de resistencia determinase por:
​Fórmula (2)​​

Onde U_50%(d) é a tensión de ruptura de impulsos de raio 50% para o electrodo con un claro eléctrico de d. En campos extremadamente non uniformes, a tensión de ruptura presenta unha dispersión significativa e un longo retardo de tempo de descarga, facéndoa altamente inestable.

Na práctica de enxeñaría, U_50%(d) determinase a través de múltiples ensaios de impulsos de raio: a tensión aplicada na que a ruptura ocorre con unha probabilidade do 50% define como U_50%(d). Este valor depende da estrutura do produto e do grao de uniformidade do campo. Establecérase que un coeficiente de non uniformidade menor resulta en unha menor dispersión da tensión de ruptura, unha tensión de ruptura maior, e, en consecuencia, unha tensión de resistencia maior. Polo tanto, reducir o coeficiente de non uniformidade f mellora a tensión de resistencia da brecha de aislamento.

​4 Optimización estructural​

Para mellorar a uniformidade do campo eléctrico arredor da cabeza da lâmina de aislamento e reducir o coeficiente de non uniformidade, optimizouse a estrutura do escudo de gradación.

En comparación co deseño orixinal, o escudo de gradación optimizado presenta un extremo engrosado con un deseño de cantos redondeados. O radio de filo aumentou de 0.75mm a 4mm, aumentando o radio de curvatura nesta área, que beneficia para lograr unha distribución de campo máis uniforme. A distribución de intensidade de campo eléctrico na cabeza da lâmina de aislamento optimizada amósase na Figura 7. A figura amosa que a máxima intensidade de campo eléctrico neste lugar agora é de 3.66 kV/mm, aproximadamente a metade do valor antes da optimización, indicando unha mellora significativa.

Baseándose na fórmula f = E_max / E_avg, o coeficiente de non uniformidade do campo eléctrico despois da optimización é 7.32. En comparación co estado anterior á optimización, este valor reduciuse a aproximadamente a metade. A uniformidade do campo eléctrico preto da cabeza da lâmina de aislamento tamén mellorou significativamente, demostrando a razoabilidade da optimización estructural.

A estrutura do escudo de gradación optimizada, de feito, reduce o risco de descarga de ruptura a través da brecha de aislamento. No entanto, o campo a través da brecha permanece extremadamente non uniforme, e a súa tensión de resistencia aínda determinase por U_50%(d). A extensión na que a tensión de resistencia pode aumentar necesita determinarse a través de ensaios de campo posteriores.

​5 Conclusión​

A través da análise de campo eléctrico da brecha de aislamento nunha RMU aislada con aire de 12kV, este artigo chegou ás seguintes conclusións:

1. Debido á inferior capacidade de aislamento do aire en comparación co SF6, usar aire para o aislamento no interruptor de tres posicións dentro das RMUs require mellorar a distribución de campo eléctrico para aumentar a capacidade de aislamento.
2. Debido á complexidade estrutural das pezas móbeis (a lâmina de aislamento) dentro do interruptor de tres posicións de RMUs aisladas con aire, a distribución de intensidade de campo eléctrico en posicións localizadas pode volverse altamente non uniforme. Para reducir a non uniformidade, poden engadirse escudos de gradación en ambos os lados da lâmina de aislamento para blindar a intensidade de campo eléctrico preto dos extremos dos conectores da lâmina, desprazando a máxima intensidade de campo local aos extremos dos escudos de gradación. Este artigo aumentou o radio de curvatura do extremo do escudo de gradación de 0.75mm a 4mm. Isto reduciu tanto a máxima intensidade de campo local como o coeficiente de non uniformidade a aproximadamente a metade dos seus valores orixinais, logrando o efecto desexado.
3. O grao de uniformidade do campo eléctrico, ou o coeficiente de non uniformidade, afecta significativamente as descargas parciais e as descargas de ruptura. Os campos extremadamente non uniformes facilmente levam a descargas parciais estables (descargas corona). Tanto para campos levemente como extremadamente non uniformes, un coeficiente de non uniformidade maior corresponde a unha menor tensión de resistencia entre os dous electrodos.