12kV空気絶縁リングメインユニットの分離ギャップの最適化設計案によるブレイクダウン放電確率の低減

電力産業の急速な発展に伴い、低炭素、節電、環境保護の生態概念が供給配電電気製品の設計と製造に深く組み込まれています。リングメインユニット（RMU）は配電ネットワークにおける重要な電気機器です。安全性、環境保護、運転信頼性、エネルギー効率、経済性はその発展の不可避的なトレンドです。従来のRMUは主にSF6ガス絶縁RMUを代表しています。SF6の優れた消弧能力と高い絶縁性能により、広く使用されてきました。しかし、SF6は温室効果を引き起こします。温室ガスに対する規制圧力が高まるにつれ、SF6の代替となる環境に優しいガス絶縁RMUを開発することは必須のトレンドとなっています。

現在、環境に優しいガス絶縁RMUには窒素絶縁RMUと乾燥空気絶縁RMUがあります。文献ではこれらの選択肢が紹介されています。SF6の絶縁能力と比較して、窒素と乾燥空気の絶縁能力は約3分の1です。そのため、絶縁媒体の絶縁性能が低下してもRMU全体と内部スイッチの絶縁性能が損なわれないようにし、既存のキャビネットスペースを維持することは特に重要です。これは主に内部電気構造と絶縁構造の設計に反映されます。合理的な電気および絶縁構造設計によって、絶縁媒体の性能不足を補うことができます。

本論文は特定の12kV空気絶縁RMU内の絶縁ギャップに焦点を当て、近傍の電界分布とその均一性を分析し、この位置での絶縁性能を評価し、放電の確率を減らし絶縁性能を向上させるための構造最適化を行います。この研究は同様の製品の絶縁設計に参考となることを目指しています。

​1 空気絶縁RMUの構造​

本論文で研究された空気絶縁RMUの3D構造モデルは図1に示されています。RMUの主回路構造は真空スイッチと三位置スイッチを組み合わせた方式を採用しています。レイアウトは三位置スイッチが母線側にある方式を採用しており、つまり三位置スイッチはRMUの上部に配置され、真空スイッチは固体絶縁ポールを介して下部に配置されています。

真空スイッチはポール内に封入されているため、その外側はエポキシ樹脂で絶縁されています。エポキシ樹脂の絶縁能力は空気よりも遥かに優れており、絶縁要件を満たしています。さらに、固体絶縁ポールの密封端の接続母線には丸みのあるコーナー、曲線デザイン、シリコーンゴムシールが施され、この点での部分放電問題が解決されています。母線間および接地までの絶縁クリアランスは関連する絶縁要件に基づいて設計され、規制に準拠しています。

三位置スイッチの絶縁ブレードは完全に空気媒体による絶縁に依存しています。可動接続部品として、その構造設計にはピン、ばね、ディスクバネ、リテーナリングなどの金属部品が含まれており、絶縁接触部間の接触圧力を強化しています。しかし、これらの金属部品の特殊な形状により、非常に不均一な電界分布が引き起こされ、部分放電が発生することがあります。これにより、この位置での絶縁性能が悪化するリスクがあります。したがって、ここでの電気構造設計は特に重要です。

製品設計要件によれば、絶縁ギャップは50kVの定格短時間交流耐電圧を耐えられる必要があります。絶縁ギャップの最小電気クリアランスは100mmに設計されています。絶縁ブレード構造の複雑さを考慮し、絶縁ブレードの両側にグレーディングシールドを追加することで、電界の均一性を改善し、部分放電の発生を減らします。三位置スイッチの3Dモデルは図2に示されています。それに応じて、本論文では絶縁ギャップの電界シミュレーション解析を行います。

有限要素ソフトウェアを使用してRMUの電界をシミュレーションし、与えられた50kV定格短時間交流耐電圧下での絶縁ギャップの電界強度分布を分析しました。静電場シミュレーションの2つのシナリオが定義されました：

• ​シナリオ1:​​ 母線側（絶縁固定接触座がある側）を低電位（0V）に接続し、線路側（絶縁ブレード頭がある側）を高電位（50kV）に接続する。
• ​シナリオ2:​​ 母線側（絶縁固定接触座がある側）を高電位（50kV）に接続し、線路側（絶縁ブレード頭がある側）を低電位（0V）に接続する。

シミュレーションから、両シナリオにおける絶縁ギャップ内の最大電界強度位置での電界分布を得ました。シナリオ1における絶縁ブレード頭の電界強度分布は図3に、シナリオ2における絶縁固定接触座の電界強度分布は図4に示されています。シナリオ1の最大電界強度はグレーディングシールドの端で7.07 kV/mmであり、シナリオ2の最大は絶縁固定接触座の面取り部で4.90 kV/mmです。

標準条件下での空気の臨界破壊電界強度は一般的に3 kV/mmです。図3と図4は、絶縁ギャップ内の局所領域で3 kV/mmを超える場所がある一方で、他の領域の電界強度はこの閾値以下であり、破壊放電が起こりにくいことを示しています。ただし、電界強度が3 kV/mmを超える局所位置では部分放電が発生します。

空気が乾燥状態から湿潤状態に変化すると、その絶縁能力は低下します。均一な電界条件下的な臨界破壊電界強度は3 kV/mm未満になります。また、極めて不均一な電界分布も空気の臨界破壊電界強度を低下させます。これら両方の要因は、破壊の可能性とリスクを高めます。外部環境条件の影響を空気絶縁媒体に及ぼすことを軽減し、電界の均一係数を改善するために、本論文では絶縁ギャップの電界の均一度と耐電圧値を決定することを目的としています。これが絶縁ギャップの絶縁能力を向上させる基盤となります。

​3 空気絶縁特性​

​3.1 電界非均一係数の決定​

実際には完全に均一な電界は存在せず、すべての電界は非均一です。非均一係数fに基づいて、電界は以下の2種類に分類されます：f ≤ 4の場合、少し非均一な電界；f > 4の場合、極めて非均一な電界。電界非均一係数fはf = E_max / E_avgで決定され、E_maxはシミュレーション結果から得られる局所最大電界強度、E_avgは適用電圧を最小電気クリアランスで割った平均電界強度です。

図3から、E_max = 7.07 kV/mm、E_avg = 0.5 kV/mm（50kV / 100mm）であるため、絶縁ギャップの非均一係数f = 14.14 > 4となり、極めて非均一な電界に分類されます。極めて非均一な電界近くでは安定した部分放電現象が形成されます。非均一度が大きいほど部分放電は顕著になり、放電量も大きくなります。12kV RMUの場合、全キャビネットの総部分放電は20pC未満であることが要求されます。非均一係数fを減らすことは部分放電量を減らすのに有益です。

​3.2 空気耐電圧の決定​

非均一係数は乾燥空気の耐電圧に影響を与えます。電界が少し非均一な場合、耐電圧は次の式で表されます：
​式 (1)​​

ここで：

• Uは耐電圧。
• dは電極間の最小電気クリアランス。
• kは信頼性係数で、通常は経験的に1.2から1.5の範囲です。
• E₀はガスの破壊電界強度で、実際には電極構造に関係します。異なる電極構造とクリアランス下での空気の破壊電界強度は異なります。本論文での比較分析のために、E₀ = 3 kV/mmと仮定します。

式 (1) から、最小電気クリアランス d を増加させたり、非均一係数 f を減少させることで、空気の耐電圧を改善することができます。電界が極めて非均一な場合、最小クリアランス d が約100mmの電極の場合、耐電圧は次の式で決定されます：
​式 (2)​​

ここで、U_50%(d)は電極間の電気クリアランス d における雷衝撃50%破壊電圧です。極めて非均一な電界では、破壊電圧は大きな分散と長い放電遅延時間を示し、非常に不安定です。

エンジニアリング実践では、U_50%(d)は多次元雷衝撃試験を通じて決定されます：50%の確率で破壊が発生する適用電圧をU_50%(d)と定義します。この値は製品構造と電界の均一度に依存します。非均一係数が低いほど、破壊電圧の分散が小さくなり、破壊電圧が高くなり、結果として耐電圧が高まります。したがって、非均一係数fを減らすことで、絶縁ギャップの耐電圧を改善することができます。

​4 構造最適化​

絶縁ブレード頭周辺の電界の均一性を改善し、非均一係数を減らすために、グレーディングシールド構造を最適化しました。

元の設計と比較して、最適化されたグレーディングシールドは端部が厚くなり、丸みのあるコーナー設計になっています。コーナー半径は0.75mmから4mmに増加し、この領域の曲率半径が向上し、より均一な電界分布を達成するのに役立ちます。最適化された絶縁ブレード頭の電界強度分布は図7に示されています。図から、この位置での最大電界強度は3.66 kV/mmであり、最適化前の値の約半分となり、大幅な改善が見られます。

式 f = E_max / E_avg に基づき、最適化後の電界非均一係数は7.32です。最適化前の状態と比較して、この値は約半分に減少しています。絶縁ブレード頭周辺の電界の均一性も大幅に改善され、構造最適化の妥当性が示されています。

最適化されたグレーディングシールド構造は、絶縁ギャップ間での破壊放電のリスクを実際に減らします。しかし、ギャップ間の電界は依然として極めて非均一であり、その耐電圧はまだU_50%(d)によって決定されます。耐電圧がどれだけ増加できるかは、後続のフィールドテストによって決定する必要があります。

​5 結論​

12kV空気絶縁RMUの絶縁ギャップの電界解析を通じて、本論文は以下の結論に達しました：

1. 空気の絶縁能力はSF6よりも劣るため、RMU内の三位置スイッチで空気を使用する場合は、電界分布を改善して絶縁能力を向上させる必要があります。
2. 空気絶縁RMUの三位置スイッチ内の可動部品（絶縁ブレード）の構造が複雑なため、局所的な位置での電界強度分布が非常に不均一になることがあります。非均一性を減らすために、絶縁ブレードの両側にグレーディングシールドを追加し、ブレードコネクタの端部付近の電界強度をシールドし、最大の局所電界強度をグレーディングシールドの端部に移動させることができます。本論文では、グレーディングシールドの端部の曲率半径を0.75mmから4mmに増加させました。これにより、最大の局所電界強度と非均一係数が約半分に減少し、期待される効果が得られました。
3. 電界の均一度、または非均一係数は、部分放電と破壊放電に大きく影響します。極めて非均一な電界は安定した部分放電（コロナ放電）を引き起こしやすいです。どちらかの電界が少し非均一であったり、極めて非均一であっても、非均一係数が高いほど、2つの電極間の耐電圧は低くなります。