Optimizacija dizajna sheme za 12kV zračno izolirani glavni kružni uređaj s razmakom za smanjenje vjerojatnosti propadanja iskriva

S obzirom na brz razvoj elektroenergetske industrije, ekološki koncept niskougljičnosti, uštede energije i zaštite okoliša duboko je integriran u dizajn i proizvodnju opreme za snabdevanje i distribuciju struje. Oklopni distribucijski uređaj (RMU) je ključna električna oprema u distribucijskim mrežama. Sigurnost, zaštita okoliša, pouzdanost rada, energetski učinkovitost i ekonomija su neizbježne tendencije u njegovom razvoju. Tradicionalni RMU-ovi uglavnom su predstavljeni SF6 plin-insuliranim RMU-ovima. Zbog odlične sposobnosti gasa SF6 da ugasi luk i visokih izolacijskih svojstava, široko su korišteni. Međutim, SF6 uzrokuje staklenični efekt. S porastom regulativnog pritiska na staklenične plinove, razvoj ekološki prihvatljivih plin-insuliranih RMU-ova kao alternativa SF6 postao je nužan trend.

Trenutno, ekološki prihvatljivi plin-insulirani RMU-ovi uključuju azot-insulirane RMU-ove i suho zračne RMU-ove. Ove opcije su opisane u literaturi. U usporedbi s izolacijskom sposobnošću SF6, izolacijska sposobnost azota i suhe zrake iznosi samo oko trećine. Stoga je posebno važno osigurati da ukupna izolacijska sposobnost RMU-a i unutarnjih prekidača ne bude kompromitirana zbog smanjene izolacijske sposobnosti medija, dok se održi postojeći prostor za kabinet. To se glavno odražava u dizajnu unutarnje električne strukture i izolacijske strukture. Rasudljiv dizajn električne i izolacijske strukture može nadoknaditi nedostatak izolacijskih svojstava medija.

Ovaj rad fokusira se na izolacijski razmak unutar određenog 12kV zračno insuliranog RMU-a. Analizira se blizu polje raspodjele električnog polja i njegova uniformnost, procjenjuje se izolacijska sposobnost na tom mjestu te se provodi optimizacija strukture kako bi se smanjila vjerojatnost iscrpljenja i poboljšala izolacijska sposobnost. Cilj istraživanja je pružiti referentnu točku za izolacijski dizajn sličnih proizvoda.

​1 Struktura zračno insuliranog RMU-a​

Trodimenzionalni strukturni model zračno insuliranog RMU-a koji se proučava u ovom radu prikazan je na slici 1. Glavna kolačna struktura RMU-a koristi shemu kombinacije vakuumskog prekidača i trostruka prekidača. Izgled koristi shemu u kojoj se trostruki prekidač nalazi na strani busa, tj. trostruki prekidač je smješten na gornjoj strani RMU-a, dok je vakuumski prekidač smješten na donjoj strani preko čvrsto insulirane štapa.

Budući da je vakuumski prekidač kapsuliran unutar štapa, vanjska strana je izolirana epoksidnim smolama. Izolacijska sposobnost epoksidnih smola je daleko superiornija u odnosu na zrak, što ispunjava izolacijske zahtjeve. Nadalje, spojna busa na zapečaćenoj strani čvrsto insuliranog štapa uključuje zaobljene kutove, zakrivljene dizajne i silikonsko gumeno zapečaćenje, rješavajući problem parcijalnog iscrpljenja na tom mjestu. Izolacijski razmaci između busa i do tla dizajnirani su prema relevantnim izolacijskim zahtjevima i u skladu s propisima.

Izolacijski ležaj trostrukog prekidača potpuno se oslanja na zrak kao medij izolacije. Kao pokretni spoj, njegov strukturni dizajn uključuje metalne dijelove poput pinova, opruga, diskovitih opruga i zadrživača kako bi se povećalo kontaktirajuće tlak između izolacijskih kontakata. Međutim, zbog specifičnih oblika tih metalnih dijelova, mogu uzrokovati vrlo neuniformnu raspodjelu električnog polja, što dovodi do parcijalnog iscrpljenja. To predstavlja rizik od iscrpljenja, negativno utječeći na izolacijsku sposobnost na tom mjestu. Stoga je dizajn električne strukture ovdje posebno važan.

Prema zahtjevima dizajna proizvoda, izolacijski razmak mora podnijeti nominalnu kratkotrajnu naponsku izdržljivost na frekvenci od 50kV. Minimalni električni razmak za izolacijski razmak dizajniran je na 100mm. Uzimajući u obzir složenost strukture izolacijskog ležaja, dodani su gradijenti štitnici na obje strane izolacijskog ležaja kako bi se poboljšala uniformnost električnog polja i smanjilo pojavljivanje parcijalnog iscrpljenja. Trodimenzionalni model trostrukog prekidača prikazan je na slici 2. Prema tome, ovaj rad provodi simulacijsku analizu električnog polja na izolacijskom razmaku.

Konačni elementi softvera korišteni su za simulaciju električnog polja RMU-a, analizirajući raspodjelu intenziteta električnog polja na izolacijskom razmaku pod datom nominalnom kratkotrajnom naponskom izdržljivošću od 50kV. Definirano je dvije situacije za simulaciju elektrostatičkog polja:

• ​Situacija 1:​​ Bus strana (strana sa statičkim izolacijskim kontaktom) povezana na niski potencijal (0V), linija strana (strana sa glavom izolacijskog ležaja) povezana na visoki potencijal (50kV).
• ​Situacija 2:​​ Bus strana (strana sa statičkim izolacijskim kontaktom) povezana na visoki potencijal (50kV), linija strana (strana sa glavom izolacijskog ležaja) povezana na niski potencijal (0V).

Simulacijom dobivena su raspodjele električnog polja na lokaciji maksimalne intenziteta električnog polja unutar izolacijskog razmaka za obje situacije. Raspodjela intenziteta električnog polja na glavi izolacijskog ležaja za situaciju 1 prikazana je na slici 3, a na statičkom izolacijskom kontaktu za situaciju 2 prikazana je na slici 4. Maksimalni intenzitet električnog polja u situaciji 1 javlja se na kraju gradijenta štitnika, iznosi 7,07 kV/mm. Maksimalni u situaciji 2 javlja se na zaobljenju statičkog izolacijskog kontakta, iznosi 4,90 kV/mm.

Kritična naponska izdržljivost zraka pod standardnim uvjetima obično iznosi 3 kV/mm. Slike 3 i 4 pokazuju da iako lokalne područja unutar izolacijskog razmaka prelaze 3 kV/mm, intenzitet polja u ostalim područjima ostaje ispod tog praga, što čini iscrpljenje malo vjerojatnim. Međutim, parcijalno iscrpljenje će se dogoditi u lokalnim pozicijama gdje jačina polja prelazi 3 kV/mm.

Kada zrak mijenja svoju stanju od suhog u vlažan, njegova izolacijska sposobnost pada. Kritična naponska izdržljivost pod uniformnim poljima pada ispod 3 kV/mm. Također, vrlo neuniformna raspodjela električnog polja također smanjuje kritičnu naponsku izdržljivost zraka. Oba faktora povećavaju mogućnost i rizik od iscrpljenja. Da bi se umanjio utjecaj vanjskih okolišnih uvjeta na zračni izolacijski medij i poboljšao koeficijent uniformnosti električnog polja, ovaj rad ima za cilj odrediti stupanj uniformnosti električnog polja unutar izolacijskog razmaka i vrijednost izdržljive napona razmaka. To služi kao temelj za poboljšanje izolacijske sposobnosti izolacijskog razmaka.

​3 Karakteristike zračne izolacije​

​3.1 Određivanje koeficijenta neuniformnosti električnog polja​

Savršeno uniformna električna polja u praksi ne postoje; sva električna polja su neuniformna. Na temelju koeficijenta neuniformnosti f, električna polja klasificirana su u dvije kategorije: blago neuniformna električna polja kada je f ≤ 4; i vrlo neuniformna električna polja kada je f > 4. Koeficijent neuniformnosti električnog polja f određen je formulom f = E_max / E_avg, gdje je E_max lokalni maksimalni intenzitet električnog polja, dostupan iz rezultata simulacije, a E_avg je prosječni intenzitet električnog polja, izračunat kao primijenjeni napon podijeljen minimalnim električnim razmakom.

Iz slike 3, E_max = 7,07 kV/mm i E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Stoga je koeficijent neuniformnosti za izolacijski razmak f = 14,14 > 4, klasificirajući ga kao vrlo neuniformno polje. Stabilni parcijalni iscrpljenja mogu nastati blizu vrlo neuniformnih polja. Veći stupanj neuniformnosti, veći je parcijalni iscrpljenje, i veća je magnituda iscrpljenja. Za 12kV RMU, zahtjev je da ukupno parcijalno iscrpljenje cijelog kabinetа bude manje od 20pC. Smanjenje koeficijenta neuniformnosti f korisno je za smanjenje magnitude parcijalnog iscrpljenja.

​3.2 Određivanje izdržljive napona zraka​

Koeficijent neuniformnosti utječe na izdržljivost suhog zraka. Kada je polje blago neuniformno, izdržljivost je:
​Formula (1)​​

Gdje:

• U je izdržljiva napon.
• d je minimalni električni razmak između elektroda.
• k je faktor pouzdanosti, obično u rasponu od 1,2 do 1,5 na temelju iskustva.
• E₀ je jakost polja koja dovodi do iscrpljenja plina. U praksi, ova vrijednost vezana je za strukturu elektroda. Jakost polja koja dovodi do iscrpljenja zraka varira ovisno o strukturi elektroda i razmaka. Za usporedbu u ovom radu, privremeno je postavljena vrijednost E₀ = 3 kV/mm.

Iz formule (1), povećavanjem minimalnog električnog razmaka d ili smanjenjem koeficijenta neuniformnosti f može se poboljšati izdržljivost zraka. Kada je polje vrlo neuniformno, za elektrode s minimalnim razmakom d oko 100mm, izdržljivost određena je formulom:
​Formula (2)​​

Gdje je U_50%(d) naponska izdržljivost za elektrode s električnim razmakom d. U vrlo neuniformnim poljima, naponska izdržljivost pokazuje značajnu disperziju i dug trajanje iscrpljenja, što je vrlo nestabilno.

U inženjerskoj praksi, U_50%(d) određena je putem više testova gremlinskim udarcima: primijenjeni napon kod kojeg se iscrpljenje događa s vjerojatnošću od 50% definira se kao U_50%(d). Ova vrijednost ovisi o strukturi proizvoda i stupnju uniformnosti polja. Utvrđeno je da niži koeficijent neuniformnosti rezultira manjom disperzijom naponske izdržljivosti, višom naponskom izdržljivošću i stoga višom izdržljivošću. Stoga, smanjenje koeficijenta neuniformnosti f poboljšava izdržljivost izolacijskog razmaka.

​4 Strukturna optimizacija​

Da bi se poboljšala uniformnost električnog polja oko glave izolacijskog ležaja i smanjio koeficijent neuniformnosti, struktura gradijenta štitnika optimizirana je.

U usporedbi s originalnim dizajnom, optimizirani gradijent štitnika ima debljanje kraja s zaobljenim dizajnom. Radijus filiranja povećan je s 0,75mm na 4mm, povećavajući radijus zakrivljenosti u tom području, što doprinosi postizanju više uniformne raspodjele polja. Raspodjela intenziteta električnog polja na optimiziranoj glavi izolacijskog ležaja prikazana je na slici 7. Slika pokazuje da je maksimalni intenzitet električnog polja na tom mjestu sada 3,66 kV/mm, otprilike polovica vrijednosti prije optimizacije, što pokazuje značajan napredak.

Na temelju formule f = E_max / E_avg, koeficijent neuniformnosti električnog polja nakon optimizacije iznosi 7,32. U usporedbi s preoptimalnim stanjem, ova vrijednost smanjena je na otprilike polovicu. Uniformnost električnog polja oko glave izolacijskog ležaja također je značajno poboljšana, što pokazuje rasudljivost strukturne optimizacije.

Optimizirana struktura gradijenta štitnika zaista smanjuje rizik od iscrpljenja unutar izolacijskog razmaka. Međutim, električno polje unutar razmaka i dalje je vrlo neuniformno, a njegova izdržljivost još uvijek je određena U_50%(d). Do koje mjere se izdržljivost može povećati treba utvrditi putem kasnijih poljoprivrede testova.

​5 Zaključak​

Putem analize električnog polja izolacijskog razmaka u 12kV zračno insuliranom RMU-u, ovaj rad došao je do sljedećih zaključaka:

1. Zbog lošije izolacijske sposobnosti zraka u usporedbi s SF6, korištenje zraka za izolaciju unutar trostrukog prekidača u RMU-ovima zahtijeva poboljšanje raspodjele električnog polja kako bi se poboljšala izolacijska sposobnost.
2. Zbog složenosti pokretnih dijelova (izolacijskog ležaja) unutar trostrukog prekidača zračno insuliranih RMU-ova, raspodjela intenziteta električnog polja na lokalnim pozicijama može postati vrlo neuniformna. Da bi se smanjila neuniformnost, gradijenti štitnici mogu biti dodani na obje strane izolacijskog ležaja kako bi se štitili intenziteti električnog polja blizu krajeva spojnica ležaja, premještajući maksimalni lokalni intenzitet polja na krajeve gradijenta štitnika. U ovom radu povećan je radijus zakrivljenosti kraja gradijenta štitnika s 0,75mm na 4mm. To je smanjilo i maksimalni lokalni intenzitet električnog polja i koeficijent neuniformnosti na otprilike polovicu njihovih izvornih vrijednosti, dosežući željeni učinak.
3. Stupanj uniformnosti električnog polja, ili koeficijent neuniformnosti, značajno utječe na parcijalno iscrpljenje i iscrpljenje. Vrlo neuniformna polja lako dovode do stabilnog parcijalnog iscrpljenja (koronskog iscrpljenja). Za oba blago i vrlo neuniformna polja, veći koeficijent neuniformnosti odgovara nižoj izdržljivoj napona između dva elektroda.