12 kV levegőizolált gyűrű alakú főválasztó szigetelő résszel kapcsolatos optimalizálási tervezés, amely csökkenti a végzetes hajlán való átmeneti kitörés valószínűségét
A villamos energiaszolgáltatás gyors fejlődésével a környezetbarát, energiahatékony és környezetvédelmi ökológiai elvek mélyen integrálódtak a villamos energiaszállítási és elosztási termékek tervezésébe és gyártásába. A gyűrűalakú hálózati egység (RMU) egy kulcsfontosságú villamos eszköz az elosztó hálózatokban. A biztonság, a környezetvédelem, a működési megbízhatóság, az energiahatékonyság és a gazdaságosság a fejlesztés kötelező trendjei. A hagyományos RMU-k főleg SF6 gázizolálású RMU-k. Az SF6 kiváló ívkioltó képessége és magas izolációs teljesítménye miatt széles körben használták őket. Azonban az SF6 káros hatással van a háteffektusra. A szén-dioxid-szerű gázokra vonatkozó szabályozási nyomás növekedésével a környezetbarát gázizolálású RMU-k fejlesztése alternatívául az SF6-hez vált kötelező trendre.
Jelenleg a környezetbarát gázizolálású RMU-k között szerepelnek a nitrogénez izolált RMU-k és a száraz levegővel izolált RMU-k. Az irodalom már bevezette ezeket a lehetőségeket. Az SF6 izolációs képességehez képest a nitrogén és a száraz levegő izolációs képessége csak kb. harmadannyi. Ezért nagyon fontos, hogy az RMU és a belső kapcsolók teljes izolációs teljesítményét ne sértsék a közeg csökkent izolációs képessége, miközben megtartják a jelenlegi szekrénytérletet. Ez elsősorban a belső villamos szerkezet és izolációs szerkezet tervezésében mutatkozik. Egy megfelelő villamos és izolációs szerkezet tervezése kiegyensúlyozhatja a közeg izolációs teljesítményének hiányát.
Ez a tanulmány egy adott 12 kV levegőizolált RMU-ban lévő elszakító rést vizsgálja. Elemezzi a közeli elektromos mező eloszlását és egyenletességét, értékeli e helyen az izolációs teljesítményt, és szerkezeti optimalizálást végez, hogy csökkentse a lehullási valószínűséget, és javítsa az izolációs teljesítményt. A tanulmány célja, hogy referenciát adjon hasonló termékek izolációs tervezéséhez.
1 A levegőizolált RMU szerkezete
Ebben a tanulmányban vizsgált levegőizolált RMU 3D szerkezeti modellje látható az 1. ábrán. Az RMU fő áramkör szerkezete vakuumkapcsoló és hárompozíciós kapcsoló kombinációját alkalmazza. A kialakítás olyan módszert alkalmaz, amelyben a hárompozíciós kapcsoló a buszbár oldalán helyezkedik el, azaz a hárompozíciós kapcsoló az RMU felső részén helyezkedik el, míg a vakuumkapcsoló a szekrény alsó részén helyezkedik el szilárd izolációs oszlop segítségével.
Mivel a vakuumkapcsoló az oszlopban van behúzva, külső része epoxidreszinnel van izolálva. Az epoxidrezsin izolációs képessége messze túlszárnyalja a levegőét, így kielégíti az izolációs követelményeket. Továbbá a szilárd izolációs oszlop bezáró végén található csatlakozó buszbár kerek szárnyakkal, görbült formával és silikon gumisüllyedéssel rendelkezik, ami enyhíti a részleges lehullást ezen a ponton. A buszbár és a föld közötti izolációs távolságokat a releváns izolációs követelmények és előírások szerint tervezték.
A hárompozíciós kapcsoló elszakító levelének izolációja teljesen a levegő közegen alapul. Mivel mozgó összekötő elem, a szerkezeti tervezése tartalmaz fémrészleteket, mint például rögzítők, rugók, lemezes rugók és tartókarok, hogy megnövelje az elszakító kapcsolók közötti kapcsolódási nyomást. Azonban ezeknek a speciális alakú fémrészleteknek a jelentős elektromos mező-egyenletesség romlása, részleges lehullás, és a lehullás kockázata. Emiatt a villamos szerkezet tervezése itt különösen fontos.
A terméktervezési követelmények szerint az elszakító rést 50 kV-os rövid idejű híres toleráltnapi izolációs feszültségnek kell kifogynie. Az elszakító rés minimális elektrikus távolsága 100 mm-re van tervezve. Az elszakító lever komplex szerkezete miatt a lever mindkét oldalán gradációs pajzsokat adtak hozzá, hogy javítsák az elektromos mező egyenletességét, és csökkentsék a részleges lehullás kockázatát. A hárompozíciós kapcsoló 3D modellje látható a 2. ábrán. Ennek megfelelően ebben a tanulmányban elektromos mező-szimulációs elemzést végeztek az elszakító résen.
Véges elemű szoftvert használtak az RMU elektromos mezőjének szimulálására, és elemzették az elszakító résen belüli elektromos mező intenzitásának eloszlását a megadott 50 kV-os rövid idejű híres toleráltnapi izolációs feszültség mellett. Két statikus mező-szimulációs forgatókönyvet definiáltak:
- Forgatókönyv 1: Buszbár oldal (az elszakító statikus kapcsoló ülővel) alacsony potenciálhoz (0 V) csatlakoztatva, vezeték oldal (az elszakító lever fejjel) magas potenciálhoz (50 kV) csatlakoztatva.
- Forgatókönyv 2: Buszbár oldal (az elszakító statikus kapcsoló ülővel) magas potenciálhoz (50 kV) csatlakoztatva, vezeték oldal (az elszakító lever fejjel) alacsony potenciálhoz (0 V) csatlakoztatva.
A szimulációból származó eredmények szerint mindkét forgatókönyvben az elszakító résen belül a legnagyobb elektromos mező intenzitásának eloszlását meghatározták. A Forgatókönyv 1 esetében az elszakító lever fejének elektromos mező intenzitásának eloszlása a 3. ábrán, a Forgatókönyv 2 esetében az elszakító statikus kapcsoló ülőjének elektromos mező intenzitásának eloszlása a 4. ábrán látható. A Forgatókönyv 1 esetében a maximális elektromos mező intenzitás a gradációs pajzs végén mérhető, 7,07 kV/mm. A Forgatókönyv 2 esetében a maximális elektromos mező intenzitás az elszakító statikus kapcsoló ülőjének ferde végén mérhető, 4,90 kV/mm.
A levegő kritikus lehullási elektromos mező ereje szabványos körülmények között általában 3 kV/mm. A 3. és 4. ábra azt mutatja, hogy bár az elszakító rés néhány helyi területén a 3 kV/mm értéket meghaladják, más területeken az elektromos mező intenzitása alá esik, így a lehullás valószínűsége alacsony. Ugyanakkor a helyi területeken, ahol az elektromos mező intenzitása 3 kV/mm-nél nagyobb, részleges lehullás történik.
Amikor a levegő szárazból nedvesre változik, az izolációs képessége csökken. A szabványos elektromos mező feltételek mellett a kritikus lehullási elektromos mező ereje alá esik 3 kV/mm. Továbbá, a nagyon nem egyenletes elektromos mező eloszlás is csökkenti a levegő kritikus lehullási elektromos mező erejét. Ezek a tényezők növelik a lehullás valószínűségét és kockázatát. A külső környezeti feltételek hatásának csökkentése, valamint az elektromos mező egyenletesség együtthatójának javítása érdekében ebben a tanulmányban meghatározzák az elszakító rés elektromos mező egyenletességét, és a rés ellenállófeszültségét. Ez a referencia alapja lesz az elszakító rés izolációs képességének javításához.
3 A levegő izolációs jellemzői
3.1 Az elektromos mező nem egyenletesség együtthatójának meghatározása
Teljesen egyenletes elektromos mezők gyakorlatban nem léteznek; minden elektromos mező nem egyenletes. Az elektromos mezőket a nem egyenletesség együtthatója f alapján két típusra osztják: alacsony nem egyenletességű elektromos mező, ha f ≤ 4; és nagyon nem egyenletességű elektromos mező, ha f > 4. Az elektromos mező nem egyenletesség együtthatója f a következőképpen határozható meg: f = E_max / E_avg, ahol E_max a helyi maximális elektromos mező ereje, a szimulációs eredményekből megszerzhető, és E_avg az átlagos elektromos mező ereje, amely a felteendő feszültség és a minimális elektrikus távolság hányadosa.
A 3. ábra alapján E_max = 7,07 kV/mm, E_avg = 0,5 kV/mm (50 kV / 100 mm). Így az elszakító rés nem egyenletesség együtthatója f = 14,14 > 4, tehát nagyon nem egyenletességű mező. Stabil részleges lehullás jelenség formálható nagyon nem egyenletességű mezők közelében. A nem egyenletesség mértékének növekedésével a részleges lehullás is jelentősebb, és a lehullás nagyobb. Egy 12 kV-os RMU esetében a követelmény, hogy a teljes szekrény részleges lehullása kevesebb legyen, mint 20 pC. A nem egyenletesség együtthatója f csökkentése kedvez a részleges lehullás mértékének csökkentéséhez.
3.2 A levegő ellenállófeszültségének meghatározása
A nem egyenletesség együtthatója befolyásolja a száraz levegő ellenállófeszültségét. Amikor a mező alacsony nem egyenletességű, az ellenállófeszültség:
Formula (1)
Ahol:
- U az ellenállófeszültség.
- d a minimális elektrikus távolság az elektrodák között.
- k a megbízhatósági tényező, általában 1,2 és 1,5 közötti érték tapasztalati alapon.
- E₀ a gáz lehullási elektromos mező ereje. Gyakorlatban ez az érték az elektrodasztruktúrához kapcsolódik. A levegő lehullási elektromos mező ereje különböző elektrodasztruktúrák és távolságok mellett változik. Ez a tanulmányban összehasonlító elemzéshez E₀ = 3 kV/mm értéket állított be.
A Formula (1) alapján a minimális elektrikus távolság d növelése vagy a nem egyenletesség együtthatója f csökkentése javíthatja a levegő ellenállófeszültségét. Amikor a mező nagyon nem egyenletességű, a minimális távolság d körülbelül 100 mm-es elektrodák esetén az ellenállófeszültség a következőképpen határozható meg:
Formula (2)
Ahol U<sub>50%(d)</sub> a d elektrikus távolságú elektrodák 50%-os lehullási villámimpulzus feszültsége. Nagyon nem egyenletességű mezők esetén a lehullási feszültség jelentős szórású és hosszú lehullási időtartammal jár, ami nagyon instabil.
Az építőipari gyakorlatban U<sub>50%(d)</sub> több villámimpulzus-próba során határozható meg: a 50%-os lehullási valószínűség mellett alkalmazott feszültség U<sub>50%(d)</sub> értéke. Ez az érték a terméksztruktúrától és a mező egyenletességétől függ. Alacsonyabb nem egyenletesség együtthatóval a lehullási feszültség szórása kisebb, a lehullási feszültség magasabb, és így az ellenállófeszültség is magasabb. Tehát a nem egyenletesség együtthatója f csökkentése javítja az elszakító rés ellenállófeszültségét.
4 Szerkezeti optimalizálás
Az elszakító lever fejének körül levő elektromos mező egyenletességének javítása, valamint a nem egyenletesség együtthatója csökkentése érdekében a gradációs pajzs szerkezetét optimalizálták.
Az eredeti tervezéshez képest az optimalizált gradációs pajzs végét vastagították, és kerek szárnyakkal látották el. A kerek szárnyak sugara 0,75 mm-ről 4 mm-re nőtt, ami a terület görbületi sugarát javította, ami segít a mező eloszlásának egyenletesebbé tételében. Az optimalizált elszakító lever fejének elektromos mező intenzitásának eloszlása a 7. ábrán látható. A ábra azt mutatja, hogy ezen a helyen a maximális elektromos mező intenzitása most 3,66 kV/mm, ami az optimalizálás előtti értéknél körülbelül a felére csökkent, ami jelentős javulást jelent.
A formula f = E_max / E_avg alapján az optimalizált elektromos mező nem egyenletesség együtthatója 7,32. Az optimalizálás előtti állapothoz képest ez az érték körülbelül a felére csökkent. Az elszakító lever fejének körül levő elektromos mező egyenletessége is jelentősen javult, ami alátámasztja a szerkezeti optimalizálás ésszerűségét.
Az optimalizált gradációs pajzs szerkezet valóban csökkenti a lehullási kockázatot az elszakító résen. Azonban a rezsi elektromos mező továbbra is nagyon nem egyenletességű, és az ellenállófeszültsége U<sub>50%(d)</sub> értékkel határozható meg. Az ellenállófeszültség növelésének mértékét a következő mezőpróbákon kell meghatározni.
5 Következtetés
Egy 12 kV-os levegőizolált RMU elszakító résének elektromos mezőjének elemzésével ebben a tanulmányban a következő következtetésekre jutottak:
- A levegő alacsonyabb izolációs képessége miatt, amikor levegőt használnak izolációként a hárompozíciós kapcsolóban az RMU-ban, a villamos mező eloszlásának javítása szükséges az izolációs képesség növeléséhez.
- A levegőizolált RMU hárompozíciós kapcsolóján belüli mozgó részek (az elszakító lever) összetett szerkezete miatt a helyi elektromos mező intenzitás eloszlása nagyon nem egyenletessé válhat. A nem egyenletesség csökkentéséhez gradációs pajzsokat adhatnak hozzá az elszakító lever mindkét oldalára, hogy a lever végéhez közeli elektromos mező intenzitását védjék, és a maximális helyi elektromos mező intenzitást a gradációs pajzs végére tolják. Ez a tanulmány a gradációs pajzs végének görbületi sugarát 0,75 mm-ről 4 mm-re növelte. Ez a helyi maximális elektromos mező intenzitást és a nem egyenletesség együtthatóját körülbelül a felére csökkentette, elérve a kívánt hatást.
- Az elektromos mező egyenletességének, vagy a nem egyenletesség együtthatójának foka jelentősen befolyásolja a részleges és a teljes lehullást. A nagyon nem egyenletességű mezők könnyen stabil részleges lehullást (korona lehullást) okozhatnak. Mind az alacsony, mind a nagyon nem egyenletességű mezők esetén a magasabb nem egyenletesség együtthatója a két elektroda közötti alacsonyabb ellenállófeszültséget eredményezi.
