12kV वायु-अवरोधी रिंग मेन यूनिट के अलगाव अंतर के लिए ऑप्टिमाइज़ेशन डिजाइन स्कीम टू ब्रेकडाउन डिस्चार्ज प्रोबेबिलिटी को कम करने के लिए

विद्युत उद्योग के तेजी से विकास के साथ, कार्बन-कम, ऊर्जा-संरक्षण, और पर्यावरण संरक्षण की पारिस्थितिकी अवधारणा गहराई से विद्युत आपूर्ति और वितरण उत्पादों के डिजाइन और निर्माण में एकीकृत हो गई है। रिंग मेन यूनिट (RMU) वितरण नेटवर्क में एक महत्वपूर्ण विद्युत उपकरण है। सुरक्षा, पर्यावरण संरक्षण, संचालन विश्वसनीयता, ऊर्जा की दक्षता, और आर्थिकता इसके विकास की अनिवार्य प्रवृत्तियाँ हैं। पारंपरिक RMU मुख्य रूप से SF6 गैस-आइसोलेटेड RMU द्वारा प्रतिनिधित्व किया जाता है। SF6 की उत्कृष्ट आर्क-निर्मोचन क्षमता और उच्च आइसोलेशन प्रदर्शन के कारण, ये व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। हालांकि, SF6 ग्रीनहाउस प्रभाव का कारण बनता है। ग्रीनहाउस गैसों पर नियामक दबाव बढ़ने के साथ, पर्यावरण-अनुकूल गैस-आइसोलेटेड RMU को SF6 के विकल्प के रूप में विकसित करना एक आवश्यक प्रवृत्ति बन गई है।

वर्तमान में, पर्यावरण-अनुकूल गैस-आइसोलेटेड RMU में नाइट्रोजन-आइसोलेटेड RMU और शुष्क हवा-आइसोलेटेड RMU शामिल हैं। साहित्य ने इन विकल्पों का परिचय दिया है। SF6 की आइसोलेशन क्षमता की तुलना में, नाइट्रोजन और शुष्क हवा की केवल लगभग एक-तिहाई है। इसलिए, माध्यम की आइसोलेशन प्रदर्शन की कमी के कारण RMU और इसके आंतरिक स्विचों की समग्र आइसोलेशन प्रदर्शन को नुकसान न होने का प्रावधान करना, और अब तक की कैबिनेट स्थानिकता को बनाए रखना, विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। यह मुख्य रूप से आंतरिक विद्युत संरचना और आइसोलेशन संरचना के डिजाइन में प्रतिबिंबित होता है। तर्कसंगत विद्युत और आइसोलेशन संरचना डिजाइन माध्यम की प्रदर्शन की कमी को पूरा कर सकता है।

यह शोधपत्र 12kV हवा-आइसोलेटेड RMU में एक निर्वाह फासले पर केंद्रित है। यह निकटवर्ती विद्युत क्षेत्र वितरण और इसकी समानता का विश्लेषण करता है, इस स्थान पर आइसोलेशन प्रदर्शन का मूल्यांकन करता है, और डिस्चार्ज की संभावना को कम करने और आइसोलेशन प्रदर्शन को सुधारने के लिए संरचनात्मक विकास करता है। यह अध्ययन समान उत्पादों के आइसोलेशन डिजाइन के लिए एक संदर्भ प्रदान करने का उद्देश्य रखता है।

​1 हवा-आइसोलेटेड RMU की संरचना​

इस शोधपत्र में अध्ययन किए गए हवा-आइसोलेटेड RMU का 3D संरचनात्मक मॉडल चित्र 1 में दिखाया गया है। RMU की मुख्य परिपथ संरचना एक वैक्यूम स्विच और तीन-स्थिति स्विच के संयोजन का एक योजना अपनाती है। लेआउट में तीन-स्थिति स्विच को बसबार तरफ रखने का एक योजना अपनाया गया है, अर्थात् तीन-स्थिति स्विच को RMU के ऊपरी भाग में और वैक्यूम स्विच को ठोस-आइसोलेटेड पोल के माध्यम से निचले भाग में व्यवस्थित किया गया है।

चूंकि वैक्यूम स्विच पोल के अंदर सील किया गया है, इसका बाहरी भाग एपोक्सी रेजिन द्वारा आइसोलेटेड है। एपोक्सी रेजिन की आइसोलेशन क्षमता हवा से बहुत अधिक है, जिससे आइसोलेशन की आवश्यकताएं पूरी होती हैं। इसके अलावा, ठोस-आइसोलेटेड पोल के सील किए गए छोर पर बसबार को जोड़ने वाले बसबार में गोलाकार कोने, घुमावदार डिजाइन, और सिलिकॉन रबर सीलिंग शामिल हैं, जो इस बिंदु पर आंशिक डिस्चार्ज की समस्याओं को हल करते हैं। बसबारों के बीच और भूमि तक की आइसोलेशन फासले को संबंधित आइसोलेशन आवश्यकताओं के अनुसार डिजाइन किया गया है और नियमों का पालन किया गया है।

तीन-स्थिति स्विच की निर्वाह फासले पूरी तरह से हवा माध्यम पर आधारित है। एक गतिशील जोड़ने वाले घटक के रूप में, इसकी संरचना डिजाइन में पिन, स्प्रिंग, डिस्क स्प्रिंग, और रिटेनिंग रिंग जैसे धातु भाग शामिल हैं, जो निर्वाह संपर्कों के बीच के संपर्क दबाव को बढ़ाते हैं। हालांकि, इन धातु भागों के विशेष आकार के कारण, विद्युत क्षेत्र वितरण अत्यधिक असमान हो सकता है, जिससे आंशिक डिस्चार्ज हो सकता है। यह विस्फोट डिस्चार्ज के खतरे को बढ़ाता है, जो इस स्थान पर आइसोलेशन प्रदर्शन को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है। इसलिए, यहाँ की विद्युत संरचना डिजाइन विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

उत्पाद डिजाइन आवश्यकताओं के अनुसार, निर्वाह फासले को 50kV रेटेड छोटे समय की शक्ति-आवृत्ति विद्युत विद्युत व्यतिरेक वोल्टेज का सामना करना होगा। निर्वाह फासले के लिए न्यूनतम विद्युत फासला 100mm डिजाइन किया गया है। निर्वाह फासले की संरचना की जटिलता को ध्यान में रखते हुए, निर्वाह फासले के दोनों ओर ग्रेडिंग शील्ड जोड़े गए हैं, जिससे विद्युत क्षेत्र की समानता में सुधार होता है और आंशिक डिस्चार्ज की घटनाओं को कम किया जा सकता है। तीन-स्थिति स्विच का 3D मॉडल चित्र 2 में दिखाया गया है। इसके अनुसार, यह शोधपत्र निर्वाह फासले पर विद्युत क्षेत्र सिमुलेशन विश्लेषण करता है।

सीमित तत्व सॉफ्टवेयर का उपयोग करके RMU के विद्युत क्षेत्र का सिमुलेशन किया गया, जिसमें निर्दिष्ट 50kV रेटेड छोटे समय की शक्ति-आवृत्ति विद्युत विद्युत व्यतिरेक वोल्टेज के तहत निर्वाह फासले के भीतर विद्युत क्षेत्र तीव्रता वितरण का विश्लेषण किया गया। विद्युत क्षेत्र सिमुलेशन के लिए दो परिस्थितियाँ परिभाषित की गईं:

• ​परिस्थिति 1:​​ बसबार तरफ (निर्वाह स्थैतिक संपर्क सीट वाली तरफ) को कम स्तरीय (0V) से जोड़ा गया, लाइन तरफ (निर्वाह फासले के शीर्ष वाली तरफ) को उच्च स्तरीय (50kV) से जोड़ा गया।
• ​परिस्थिति 2:​​ बसबार तरफ (निर्वाह स्थैतिक संपर्क सीट वाली तरफ) को उच्च स्तरीय (50kV) से जोड़ा गया, लाइन तरफ (निर्वाह फासले के शीर्ष वाली तरफ) को कम स्तरीय (0V) से जोड़ा गया।

सिमुलेशन से दोनों परिस्थितियों के लिए निर्वाह फासले के भीतर अधिकतम विद्युत क्षेत्र तीव्रता की स्थिति पर विद्युत क्षेत्र तीव्रता वितरण प्राप्त किया गया। परिस्थिति 1 के लिए निर्वाह फासले के शीर्ष पर विद्युत क्षेत्र तीव्रता वितरण चित्र 3 में दिखाया गया है, और परिस्थिति 2 के लिए निर्वाह स्थैतिक संपर्क सीट पर विद्युत क्षेत्र तीव्रता वितरण चित्र 4 में दिखाया गया है। परिस्थिति 1 में अधिकतम विद्युत क्षेत्र तीव्रता ग्रेडिंग शील्ड के अंत में 7.07 kV/mm है। परिस्थिति 2 में अधिकतम विद्युत क्षेत्र तीव्रता निर्वाह स्थैतिक संपर्क सीट के चामर पर 4.90 kV/mm है।

सामान्य स्थितियों में हवा का महत्वपूर्ण विस्फोट विद्युत क्षेत्र तीव्रता आम तौर पर 3 kV/mm होता है। चित्र 3 और 4 से पता चलता है कि जबकि निर्वाह फासले के भीतर कुछ स्थानीय क्षेत्र 3 kV/mm से अधिक हैं, अन्य क्षेत्रों में विद्युत क्षेत्र तीव्रता इस सीमा से कम है, जिससे विस्फोट डिस्चार्ज की संभावना कम होती है। हालांकि, जहाँ विद्युत क्षेत्र तीव्रता 3 kV/mm से अधिक होती है, वहाँ आंशिक डिस्चार्ज हो सकता है।

जब हवा सूखी से गीली हो जाती है, तो इसकी आइसोलेशन क्षमता कम हो जाती है। समान विद्युत क्षेत्र स्थितियों में महत्वपूर्ण विस्फोट विद्युत क्षेत्र तीव्रता 3 kV/mm से कम हो जाती है। इसके अलावा, अत्यधिक असमान विद्युत क्षेत्र वितरण भी हवा की महत्वपूर्ण विस्फोट विद्युत क्षेत्र तीव्रता को कम करता है। दोनों कारक विस्फोट की संभावना और खतरे को बढ़ाते हैं। बाहरी पर्यावरणीय स्थितियों के प्रभाव को हवा आइसोलेशन माध्यम पर कम करने और विद्युत क्षेत्र की समानता गुणांक को सुधारने के लिए, यह शोधपत्र निर्वाह फासले के भीतर विद्युत क्षेत्र की समानता की डिग्री और फासले की व्यतिरेक वोल्टेज मूल्य का निर्धारण करने का उद्देश्य रखता है। यह निर्वाह फासले की आइसोलेशन क्षमता को सुधारने का आधार बनता है।

​3 हवा आइसोलेशन विशेषताएं​

​3.1 विद्युत क्षेत्र असमानता गुणांक का निर्धारण​

प्रायोगिक रूप से पूरी तरह से समान विद्युत क्षेत्र नहीं मिलते; सभी विद्युत क्षेत्र असमान होते हैं। असमानता गुणांक f के आधार पर, विद्युत क्षेत्र दो प्रकार के होते हैं: जब f ≤ 4, तो थोड़ा असमान विद्युत क्षेत्र; और जब f > 4, तो अत्यधिक असमान विद्युत क्षेत्र। विद्युत क्षेत्र असमानता गुणांक f को f = E_max / E_avg से निर्धारित किया जाता है, जहाँ E_max स्थानीय अधिकतम विद्युत क्षेत्र तीव्रता है, जिसे सिमुलेशन परिणामों से प्राप्त किया जा सकता है, और E_avg औसत विद्युत क्षेत्र तीव्रता है, जो लगाई गई वोल्टेज को न्यूनतम विद्युत फासले से विभाजित करके प्राप्त की जाती है।

चित्र 3 से, E_max = 7.07 kV/mm और E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm)। इसलिए, निर्वाह फासले का असमानता गुणांक f = 14.14 > 4, जिसे अत्यधिक असमान क्षेत्र में वर्गीकृत किया जाता है। अत्यधिक असमान क्षेत्रों के निकट स्थिर आंशिक डिस्चार्ज घटनाएं बन सकती हैं। असमानता की डिग्री जितनी अधिक होती है, आंशिक डिस्चार्ज उतना ही अधिक प्रतिष्ठित होता है, और डिस्चार्ज की मात्रा उतनी ही अधिक होती है। 12kV RMU के लिए, आवश्यकता है कि पूरे कैबिनेट का कुल आंशिक डिस्चार्ज 20pC से कम हो। असमानता गुणांक f को कम करना आंशिक डिस्चार्ज की मात्रा को कम करने में लाभदायक है।

​3.2 हवा की व्यतिरेक वोल्टेज का निर्धारण​

असमानता गुणांक सूखी हवा की व्यतिरेक वोल्टेज पर प्रभाव डालता है। जब क्षेत्र थोड़ा असमान होता है, तो व्यतिरेक वोल्टेज होता है:
​सूत्र (1)​​

जहाँ:

• U व्यतिरेक वोल्टेज है।
• d इलेक्ट्रोडों के बीच का न्यूनतम विद्युत फासला है।
• k एक विश्वसनीयता गुणांक है, जो अनुभव के आधार पर आम तौर पर 1.2 से 1.5 के बीच होता है।
• E₀ गैस विस्फोट विद्युत क्षेत्र तीव्रता है। व्यावहारिक रूप से, यह मूल्य इलेक्ट्रोड संरचना से संबंधित होता है। विभिन्न इलेक्ट्रोड संरचनाओं और