תוכנית אופטימיזציה לעיצוב הפער המבודד של יחידת הטבעת הראשית מבודדת אוויר ב-12kV להפחתת הסבירות להתפרקות והצטברות חשמל

עם התפתחותה המהירה של תעשיית החשמל, הרעיון האקולוגי של נמוך-פחמן, חסכון באנרגיה והגנה על הסביבה הוטמע עמוק לתוך העיצוב והייצור של מוצרים חשמליים לספק ולפזר אנרגיה. יחידת הטבעת הראשית (RMU) היא מכשיר חשמלי מרכזי ברשת הפצה. בטיחות, הגנה על הסביבה, אמינות פעולה, יעילות אנרגטית וכלכלה הם מגמות בלתי נמנעות בהתפתחות שלה. RMUs מסורתיים מיוצגים בעיקר על ידי RMUs מבודדים בגז SF6. בשל יכולת כיבוי הקשתcellent והבידוד הגבוה של גז ה-SF6, הם נמצאים בשימוש רחב. עם זאת, גז ה-SF6 גורם לאפקט חממה. בהצטברות הלחצים הרגולטוריים על גזי חממה, הפיתוח של RMUs מבודדים בנוזלים ידידותיים לסביבה כתחליף ל-SF6 הפך למגמה הכרחית.

כיום, RMUs מבודדים בנוזלים ידידותיים לסביבה כוללים RMUs מבודדים בניטרוגן ו-RMUs מבודדים באוויר יבש. הספרות הציגה את האפשרויות הללו. בהשוואה ליכולת הבידוד של גז ה-SF6, זו של הניטרוגן והאוויר היבש היא רק בערך שליש. לכן, להבטיח שהביצועים הבידודיים הכלליים של ה-RMU והמתגים הפנימיים שלו לא ייפגעו עקב הפחתת הביצועים של המדיום, תוך שמירה על החלל הקיים של המגירה, הוא חשוב במיוחד. זה מתבטא בעיקר בתכנון המבנה החשמלי והמבני הבידודי הפנימי. תכנון חשמלי ובידודי סביר יכול להתגבר על החסרונות בביצועים של המדיום הבידודי.

מאמר זה מתמקד במרווח מבודד בתוך RMU מבודד באוויר מסוים ברמת 12kV. הוא מנתח את התפלגות השדה החשמלי בסביבתו והאחידות שלו, מעריך את הביצועים הבידודיים במקום הזה וממשך אופטימיזציה מבנית כדי להפחית את הסיכוי לפירוק ולהגביר את הביצועים הבידודיים. המחקר מטרתו לספק מדריך לעיצוב הבידוד של מוצרים דומים.

​1 מבנה ה-RMU המבודד באוויר​

המודל המבני התלת-ממדי של ה-RMU המבודד באוויר שנחקר במאמר זה מוצג בתרשים 1. המבנה העיקרי של המעגל של ה-RMU מציג תוכנית שמשלבת מתג ריק ומשולש מצבים. ההצבה משתמשת בתוכנית שבה המשולש מצבים נמצא בצד המוט המשולש, כלומר, המשולש מצבים ממוקם בצד העליון של ה-RMU, בעוד המתג הריק ממוקם בצד התחתון באמצעות עמוד מבודד מוצק.

מאחר והמתג הריק מוקף בעמוד, החיצוני שלו מבודד בעזרת смола эпоксидная. способность к изоляции эпоксидной смолы намного превосходит воздух, что обеспечивает выполнение требований к изоляции. Кроме того, соединительный шинопровод на герметичном конце твердого изолированного полюса включает закругленные углы, изогнутые формы и силиконовое уплотнение, решая проблемы частичного разряда в этой точке. Изоляционные зазоры между шинами и до земли спроектированы в соответствии с соответствующими требованиями к изоляции и соответствуют нормативам.

להבדיל בין להביית המתג המשולש מצבים מושתת לחלוטין על מדיום אוויר. כרכיב חיבור נייד, תכנון המבנה שלו כולל חלקים מתכות כגון פינים, קפיצים, קפיצים דיסק וטבעות אחיזה כדי להגביר את לחץ הקשר בין נקודות ההבדלה. עם זאת, בשל צורות מיוחדות של חלקים אלה, הם יכולים לגרום לתפלגות חשמלית מאוד לא אחידה, מה שיכולה לגרום לפירוק חלקי. זה מעמיד בסיכון פירוק, השפעה שלילית על הביצועים הבידודיים במקום הזה. לכן, תכנון המבנה החשמלי כאן חשוב במיוחד.

לפי דרישות תכנון המוצר, המרווח ההבדלה חייב לעמוד במתח עמידות קצר-תקופה של 50kV. המרווח החשמלי המינימלי עבור המרווח ההבדלה תוכנן להיות 100mm. בהתחשב ב מורכבות מבנה להביית ההבדלה, נוספו מגנים מיוחדים משני הצדדים של להביית ההבדלה כדי לשפר את האחידות של השדה החשמלי ולהפחית את הופעת הפירוק החלקי. המודל התלת-ממדי של המשולש מצבים מוצג בתרשים 2. בהתאם, מאמר זה מבצע ניתוח סימולציה של השדה החשמלי על המרווח ההבדלה.

השתמשו בתוכנת אלמנטים סופיים כדי לシミュレートするには、有限元软件被用来模拟RMU的电场，在给定的50kV额定短时工频耐压下分析隔离开关间隙处的电场强度分布。定义了两种静电场模拟情况：

• ​シナリオ1:​​ 母线侧（带有隔离静触头座的一侧）连接到低电位（0V），线路侧（带有隔离刀片头的一侧）连接到高电位（50kV）。
• ​シナリオ2:​​ 母线侧（带有隔离静触头座的一侧）连接到高电位（50kV），线路侧（带有隔离刀片头的一侧）连接到低电位（0V）。

仿真得到了两种情况下隔离开关间隙中最大电场强度位置的电场分布。图3显示了情景1中隔离刀片头的电场强度分布，图4显示了情景2中隔离静触头座的电场强度分布。情景1中的最大电场强度出现在分级屏蔽端部，为7.07 kV/mm。情景2中的最大值在隔离静触头座的倒角处，为4.90 kV/mm。

标准条件下空气的关键击穿电场强度通常为3 kV/mm。图3和图4显示，虽然隔离开关间隙内的局部区域超过3 kV/mm，但其他区域的场强仍低于此阈值，因此不太可能发生击穿放电。然而，在场强超过3 kV/mm的局部位置会发生局部放电。

当空气从干燥变为潮湿时，其绝缘能力会降低。均匀电场条件下的关键击穿电场强度会降至3 kV/mm以下。此外，极不均匀的电场分布也会降低空气的关键击穿电场强度。这两个因素都增加了击穿的可能性和风险。为了减轻外部环境条件对空气绝缘介质的影响并提高电场的均匀性系数，本文旨在确定隔离开关间隙处电场的均匀程度及其耐压值。这作为增强隔离开关间隙绝缘能力的基础。

​3 空气绝缘特性​

​3.1 电场非均匀系数的确定​

实际上，完全均匀的电场是不存在的；所有电场都是非均匀的。根据非均匀系数f，电场可以分为两类：当f ≤ 4时为稍不均匀电场；当f > 4时为极不均匀电场。电场非均匀系数f由f = E_max / E_avg确定，其中E_max是局部最大电场强度，可从仿真结果中获得，E_avg是平均电场强度，计算方法为施加电压除以最小电气间隙。

从图3可以看出，E_max = 7.07 kV/mm，E_avg = 0.5 kV/mm（50kV / 100mm）。因此，隔离开关间隙的非均匀系数f = 14.14 > 4，归类为极不均匀场。极不均匀场附近可以形成稳定的局部放电现象。非均匀程度越大，局部放电越明显，放电量也越大。对于12kV的RMU，要求整个柜体的总局部放电量应小于20pC。减少非均匀系数f有利于减小局部放电量。

​3.2 空气耐压的确定​

非均匀系数影响干燥空气的耐压。当电场稍不均匀时，耐压为：
​公式（1）​​

其中：

• U是耐压。
• d是电极之间的最小电气间隙。
• k是可靠性系数，通常基于经验范围在1.2到1.5之间。
• E₀是气体击穿电场强度。实际中，这个值与电极结构有关。不同电极结构和间隙下的空气击穿电场强度不同。本文为了比较分析，暂设E₀ = 3 kV/mm。

从公式（1）可以看出，增加最小电气间隙d或减小非均匀系数f可以提高空气的耐压。当电场极不均匀时，对于最小间隙d约为100mm的电极，耐压由以下公式确定：
​公式（2）​​

其中是电间隙为d的电极的50%雷电冲击击穿电压。在极不均匀电场中，击穿电压表现出显著的分散性和长时间延迟，非常不稳定。

在工程实践中，U_50%(d)通过多次雷电冲击试验确定：发生50%概率击穿时的施加电压定义为U_50%(d)。该值取决于产品结构和场的均匀程度。已知较低的非均匀系数会导致较小的击穿电压分散，较高的击穿电压，从而更高的耐压。因此，减小非均匀系数f可以提高隔离开关间隙的耐压。

​4 结构优化​

为了改善隔离开关刀片头周围的电场均匀性并减小非均匀系数，对分级屏蔽结构进行了优化。

与原始设计相比，优化后的分级屏蔽端部加厚，并采用了圆角设计。圆角半径从0.75mm增加到4mm，增强了该区域的曲率半径，有助于实现更均匀的电场分布。优化后的隔离开关刀片头的电场强度分布如图7所示。图中显示该位置的最大电场强度现在为3.66 kV/mm，约为优化前的一半，表明有显著改进。

根据公式f = E_max / E_avg，优化后的电场非均匀系数为7.32。与优化前的状态相比，该值减小到约一半。隔离开关刀片头附近的电场均匀性也显著提高，证明了结构优化的合理性。

优化后的分级屏蔽结构确实降低了隔离开关间隙的击穿放电风险。然而，间隙处的电场仍然极不均匀，其耐压仍然由U_50%(d)决定。耐压可以提高的程度需要通过后续现场测试来确定。

​5 结论​

通过对12kV空气绝缘RMU中隔离开关间隙的电场分析，本文得出以下结论：

1. 由于空气的绝缘能力比SF6差，使用空气绝缘RMU中的三位置开关需要改善电场分布以提高绝缘能力。
2. 由于空气绝缘RMU中三位置开关内移动部件（隔离开关刀片）的结构复杂性，局部位置的电场强度分布可能变得非常不均匀。为了减少不均匀性，可以在隔离开关刀片两侧添加分级屏蔽，以屏蔽刀片连接器末端附近的电场强度，将最大局部电场强度转移到分级屏蔽的末端。本文将分级屏蔽端部的曲率半径从0.75mm增加到4mm。这样，既减少了最大局部电场强度，又将非均匀系数减小到大约原来的一半，达到了预期效果。
3. 电场均匀度或非均匀系数对局部放电和击穿放电有显著影响。极不均匀电场容易导致稳定的局部放电（电晕放电）。对于稍不均匀和极不均匀电场，非均匀系数越高，两电极之间的耐压越低。