Schema di ottimizzazione per l'isolamento aereato dell'unità principale ad anello a 12kV per ridurre la probabilità di scarica elettrica

Con lo sviluppo rapido dell'industria elettrica, il concetto ecologico di basso consumo di carbonio, risparmio energetico e protezione ambientale si è profondamente integrato nella progettazione e fabbricazione dei prodotti elettrici per la distribuzione e fornitura di energia. L'Unità di Anello (RMU) è un dispositivo elettrico chiave nelle reti di distribuzione. Sicurezza, protezione ambientale, affidabilità operativa, efficienza energetica ed economicità sono tendenze inevitabili nel suo sviluppo. Le RMU tradizionali sono principalmente rappresentate dalle RMU isolate con gas SF6. A causa della sua eccellente capacità di estinzione degli archi e delle elevate prestazioni isolanti, sono state ampiamente utilizzate. Tuttavia, l'SF6 causa l'effetto serra. Con l'aumento della pressione regolamentare sui gas serra, lo sviluppo di RMU isolate con gas ecologici come alternative all'SF6 è diventata una tendenza imperativa.

Attualmente, le RMU isolate con gas ecologici includono le RMU isolate con azoto e le RMU isolate con aria secca. La letteratura ha introdotto queste opzioni. In confronto alle prestazioni isolate dell'SF6, quelle dell'azoto e dell'aria secca sono solo circa un terzo. Pertanto, assicurare che le prestazioni isolate complessive della RMU e dei suoi interruttori interni non siano compromesse a causa della ridotta prestazione del mezzo isolante, mantenendo lo spazio del pannello esistente, è particolarmente cruciale. Questo si riflette principalmente nella progettazione della struttura elettrica e isolante interna. Una progettazione ragionevole della struttura elettrica e isolante può compensare la carenza delle prestazioni del mezzo isolante.

Questo articolo si concentra su uno spazio isolante all'interno di una certa RMU isolata con aria a 12kV. Analizza la distribuzione del campo elettrico vicino e la sua uniformità, valuta le prestazioni isolate in questo punto e conduce un'ottimizzazione strutturale per ridurre la probabilità di scarica e migliorare le prestazioni isolate. Lo studio mira a fornire un riferimento per la progettazione isolante di prodotti simili.

​1 Struttura della RMU isolata con aria​

Il modello strutturale 3D della RMU isolata con aria studiata in questo articolo è mostrato nella Figura 1. La struttura del circuito principale della RMU adotta uno schema che combina un interruttore a vuoto e un interruttore a tre posizioni. La disposizione utilizza uno schema in cui l'interruttore a tre posizioni si trova sul lato barra, ovvero l'interruttore a tre posizioni è disposto sul lato superiore della RMU, mentre l'interruttore a vuoto è disposto sul lato inferiore tramite un polo isolato solidamente.

Poiché l'interruttore a vuoto è racchiuso all'interno del polo, la sua esterna è isolata da resina epoxidica. Le prestazioni isolate della resina epoxidica sono molto superiori a quelle dell'aria, soddisfacendo così i requisiti di isolamento. Inoltre, la barra di connessione alla fine sigillata del polo isolato solidamente incorpora angoli arrotondati, design curvi e sigillaggio in silicone, risolvendo problemi di scariche parziali in questo punto. I margini di isolamento tra le barre e verso terra sono progettati secondo i requisiti di isolamento pertinenti e conformi alle normative.

La lama isolante dell'interruttore a tre posizioni si basa completamente sul mezzo isolante dell'aria. Come componente di connessione mobile, la sua progettazione strutturale incorpora parti metalliche come perni, molle, dischi e anelli di trattenuta per aumentare la pressione di contatto tra i contatti isolanti. Tuttavia, a causa delle forme speciali di queste parti metalliche, possono causare una distribuzione del campo elettrico altamente non uniforme, scatenando scariche parziali. Ciò comporta un rischio di scarica di rottura, influenzando negativamente le prestazioni isolate in questo punto. Pertanto, la progettazione della struttura elettrica qui è particolarmente importante.

Secondo i requisiti di progettazione del prodotto, lo spazio isolante deve resistere a una tensione di resistenza a breve termine di frequenza industriale nominale di 50kV. Il minimo spazio elettrico per lo spazio isolante è progettato a 100mm. Considerando la complessità della struttura della lama isolante, sono stati aggiunti schermi di gradazione su entrambi i lati della lama isolante per migliorare l'uniformità del campo elettrico e ridurre l'occorrenza di scariche parziali. Il modello 3D dell'interruttore a tre posizioni è mostrato nella Figura 2. Di conseguenza, questo articolo conduce un'analisi di simulazione del campo elettrico dello spazio isolante.

È stato utilizzato un software a elementi finiti per simulare il campo elettrico della RMU, analizzando la distribuzione dell'intensità del campo elettrico nello spazio isolante sotto la data tensione di resistenza a breve termine di frequenza industriale nominale di 50kV. Sono stati definiti due scenari per la simulazione del campo elettrostatico:

• ​Scenario 1:​​ Lato barra (lato con il sedile del contatto statico isolante) collegato a basso potenziale (0V), lato linea (lato con la testa della lama isolante) collegato a alto potenziale (50kV).
• ​Scenario 2:​​ Lato barra (lato con il sedile del contatto statico isolante) collegato a alto potenziale (50kV), lato linea (lato con la testa della lama isolante) collegato a basso potenziale (0V).

Le distribuzioni del campo elettrico nel punto di massima intensità del campo elettrico nello spazio isolante per entrambi gli scenari sono state ottenute dalla simulazione. La distribuzione dell'intensità del campo elettrico alla testa della lama isolante per lo Scenario 1 è mostrata nella Figura 3, e quella al sedile del contatto statico isolante per lo Scenario 2 è mostrata nella Figura 4. L'intensità massima del campo elettrico nello Scenario 1 si verifica alla fine dello schermo di gradazione, misurando 7,07 kV/mm. Il massimo nello Scenario 2 si trova all'angolo smussato del sedile del contatto statico isolante, misurando 4,90 kV/mm.

L'intensità critica di rottura del campo elettrico per l'aria in condizioni standard è generalmente di 3 kV/mm. Le Figure 3 e 4 mostrano che, sebbene aree localizzate nello spazio isolante superino i 3 kV/mm, l'intensità del campo in altre aree rimane al di sotto di questa soglia, rendendo improbabile la scarica di rottura. Tuttavia, si verificheranno scariche parziali nelle posizioni localizzate in cui l'intensità del campo supera i 3 kV/mm.

Quando l'aria passa da asciutta a umida, le sue prestazioni isolate diminuiscono. L'intensità critica di rottura del campo elettrico in condizioni di campo uniforme scende al di sotto dei 3 kV/mm. Inoltre, una distribuzione estremamente non uniforme del campo elettrico riduce anche l'intensità critica di rottura del campo elettrico dell'aria. Entrambi i fattori aumentano la possibilità e il rischio di rottura. Per mitigare l'impatto delle condizioni ambientali esterne sul mezzo isolante d'aria e migliorare il coefficiente di uniformità del campo elettrico, questo articolo mira a determinare il grado di uniformità del campo elettrico nello spazio isolante e il valore di resistenza al voltaggio dello spazio. Questo serve come base per migliorare le prestazioni isolate dello spazio isolante.

​3 Caratteristiche dell'isolamento aerea​

​3.1 Determinazione del coefficiente di non uniformità del campo elettrico​

I campi elettrici perfettamente uniformi non esistono nella pratica; tutti i campi elettrici sono non uniformi. In base al coefficiente di non uniformità f, i campi elettrici sono classificati in due tipi: campi elettrici leggermente non uniformi quando f ≤ 4; e campi elettrici estremamente non uniformi quando f > 4. Il coefficiente di non uniformità del campo elettrico f è determinato da f = E_max / E_avg, dove E_max è l'intensità massima locale del campo elettrico, ottenibile dai risultati della simulazione, e E_avg è l'intensità media del campo elettrico, calcolata come la tensione applicata divisa dal minimo spazio elettrico.

Dalla Figura 3, E_max = 7,07 kV/mm e E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Pertanto, il coefficiente di non uniformità per lo spazio isolante f = 14,14 > 4, classificandolo come un campo estremamente non uniforme. Fenomeni di scarica parziale stabili possono formarsi vicino ai campi estremamente non uniformi. Maggiore è il grado di non uniformità, più pronunciata è la scarica parziale e maggiore è l'entità della scarica. Per una RMU a 12kV, il requisito è che la scarica parziale totale dell'intero pannello sia inferiore a 20pC. Ridurre il coefficiente di non uniformità f è vantaggioso per ridurre l'entità della scarica parziale.

​3.2 Determinazione della tensione di resistenza dell'aria​

Il coefficiente di non uniformità influenza la tensione di resistenza dell'aria secca. Quando il campo è leggermente non uniforme, la tensione di resistenza è:
​Formula (1)​​

Dove:

• U è la tensione di resistenza.
• d è il minimo spazio elettrico tra gli elettrodi.
• k è un fattore di affidabilità, solitamente compreso tra 1,2 e 1,5 sulla base dell'esperienza.
• E₀ è l'intensità del campo elettrico di rottura del gas. Nella pratica, questo valore dipende dalla struttura degli elettrodi. L'intensità del campo di rottura dell'aria varia in base a diverse strutture e spazi degli elettrodi. Per l'analisi comparativa in questo articolo, E₀ = 3 kV/mm è impostato provvisoriamente.

Dalla Formula (1), aumentare il minimo spazio elettrico d o ridurre il coefficiente di non uniformità f può migliorare la tensione di resistenza dell'aria. Quando il campo è estremamente non uniforme, per elettrodi con un minimo spazio d intorno a 100mm, la tensione di resistenza è determinata da:
​Formula (2)​​

Dove U₅₀%(d) è la tensione di rottura a impulso di fulmine al 50% per l'elettrodo con uno spazio elettrico d. Nei campi estremamente non uniformi, la tensione di rottura mostra una dispersione significativa e un lungo ritardo di scarica, rendendola altamente instabile.

Nella pratica ingegneristica, U₅₀%(d) è determinato attraverso numerosi test a impulso di fulmine: la tensione applicata alla quale si verifica la rottura con una probabilità del 50% è definita come U₅₀%(d). Questo valore dipende dalla struttura del prodotto e dal grado di uniformità del campo. Si stabilisce che un coefficiente di non uniformità inferiore porta a una minore dispersione della tensione di rottura, a una tensione di rottura più alta e, di conseguenza, a una tensione di resistenza più elevata. Pertanto, ridurre il coefficiente di non uniformità f migliora la tensione di resistenza dello spazio isolante.

​4 Ottimizzazione strutturale​

Per migliorare l'uniformità del campo elettrico intorno alla testa della lama isolante e ridurre il coefficiente di non uniformità, la struttura dello schermo di gradazione è stata ottimizzata.

In confronto al design originale, lo schermo di gradazione ottimizzato presenta un'estremità addensata con un design a bordo arrotondato. Il raggio di arrotondamento è stato aumentato da 0,75mm a 4mm, migliorando il raggio di curvatura in questa area, il che beneficia la realizzazione di una distribuzione del campo più uniforme. La distribuzione dell'intensità del campo elettrico alla testa della lama isolante ottimizzata è mostrata nella Figura 7. La figura mostra che l'intensità massima del campo elettrico in questo punto è ora di 3,66 kV/mm, circa la metà del valore prima dell'ottimizzazione, indicando un miglioramento significativo.

Basandosi sulla formula f = E_max / E_avg, il coefficiente di non uniformità del campo elettrico dopo l'ottimizzazione è 7,32. In confronto allo stato pre-ottimizzazione, questo valore è ridotto a circa la metà. L'uniformità del campo elettrico vicino alla testa della lama isolante è anche notevolmente migliorata, dimostrando la ragionevolezza dell'ottimizzazione strutturale.

La struttura dello schermo di gradazione ottimizzata riduce effettivamente il rischio di scarica di rottura nello spazio isolante. Tuttavia, il campo elettrico nello spazio rimane estremamente non uniforme, e la sua tensione di resistenza è ancora determinata da U₅₀%(d). L'entità con cui la tensione di resistenza può essere aumentata deve essere determinata attraverso successivi test sul campo.

​5 Conclusione​

Attraverso l'analisi del campo elettrico dello spazio isolante in una RMU isolata con aria a 12kV, questo articolo ha raggiunto le seguenti conclusioni:

1. A causa delle inferiori prestazioni isolate dell'aria rispetto all'SF6, l'uso dell'aria come mezzo isolante nell'interruttore a tre posizioni all'interno delle RMU richiede di migliorare la distribuzione del campo elettrico per migliorare le prestazioni isolate.
2. A causa della complessità strutturale delle parti mobili (la lama isolante) nell'interruttore a tre posizioni delle RMU isolate con aria, la distribuzione dell'intensità del campo elettrico in posizioni localizzate può diventare altamente non uniforme. Per ridurre la non uniformità, possono essere aggiunti schermi di gradazione su entrambi i lati della lama isolante per schermare l'intensità del campo elettrico vicino alle estremità dei connettori della lama, spostando l'intensità massima locale del campo elettrico alle estremità degli schermi di gradazione. Questo articolo ha aumentato il raggio di curvatura dell'estremità dello schermo di gradazione da 0,75mm a 4mm. Questo ha ridotto sia l'intensità massima locale del campo elettrico che il coefficiente di non uniformità a circa la metà dei loro valori originali, raggiungendo l'effetto desiderato.
3. Il grado di uniformità del campo elettrico, o il coefficiente di non uniformità, influenza significativamente le scariche parziali e le scariche di rottura. I campi estremamente non uniformi portano facilmente a scariche parziali stabili (scariche corona). Per entrambi i campi leggermente e estremamente non uniformi, un coefficiente di non uniformità più alto corrisponde a una tensione di resistenza inferiore tra i due elettrodi.