12kV Hava yalıtımlı halka anahtarlama birimindeki yalıtım boşluğunun parlama olasılığını azaltmak için optimizasyon tasarım şeması

Güç endüstrisinin hızlı gelişmesiyle, düşük karbonlu, enerji verimli ve çevresel koruma kavramı güç dağıtım ve besleme elektrik ürünlerinin tasarım ve üretimi içine derin bir şekilde entegre edilmiştir. Halka Ana Birimi (HAB) dağıtım ağlarında kilit bir elektrik cihazıdır. Güvenlik, çevre dostluğu, operasyonel güvenirlik, enerji verimliliği ve ekonomiklik, gelişiminde kaçınılmaz trendlerdir. Geleneksel HAB'ler, çoğunlukla SF6 gaz yalıtımlı HAB'leri temsil etmektedir. SF6'nın mükemmel yayma söndürme yeteneği ve yüksek yalıtım performansı nedeniyle yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak, SF6 sera etkisi yaratmaktadır. Sera gazları üzerindeki düzenleyici baskının artmasıyla, SF6'nın yerine çevre dostu gaz yalıtım HAB'lerini geliştirmek zorunlu bir trend haline gelmiştir.

Şu anda, çevre dostu gaz yalıtım HAB'leri arasında azot yalıtımı HAB'leri ve kurutulmuş hava yalıtımı HAB'leri bulunmaktadır. Literatürde bu seçenekler tanıtılmıştır. SF6'nın yalıtım yeteneğine kıyasla, azot ve kurutulmuş havanın yalıtım yeteneği sadece yaklaşık üçte biridir. Bu nedenle, ortamın yalıtım performansının düşmesine rağmen HAB'nin ve dahili anahtarlarının genel yalıtım performansının bozulmaması, mevcut kabın alanını koruyarak özellikle önemlidir. Bu, dahili elektriksel yapı ve yalıtım yapısının tasarımı ile yansıtmaktadır. Mantıklı elektriksel ve yalıtım yapısı tasarımı, ortamın performans eksikliğini telafi edebilmektedir.

Bu makale, belirli bir 12kV hava yalıtım HAB'sindeki izolasyon boşluğunun üzerine odaklanmaktadır. Yakındaki elektrik alan dağılımını ve onun düzgünlüğünü analiz eder, bu noktadaki yalıtım performansını değerlendirir ve boşlukta descarman olasılığını azaltmak ve yalıtım performansını artırmak için yapısal optimizasyon gerçekleştirir. Çalışma, benzer ürünlerin yalıtım tasarımına referans sağlamayı amaçlamaktadır.

​1 Hava Yalıtım HAB Yapısı​

Bu makalede incelenen hava yalıtım HAB'nin 3D yapı modeli Şekil 1'de gösterilmiştir. HAB'nin ana devre yapısı, vakum anahtarı ve üç konumlu anahtarı birleştirerek oluşturulmuştur. Düzen, üç konumlu anahtarı busbar tarafında, yani HAB'nin üst tarafında, vakum anahtarını ise katı yalıtım direği aracılığıyla alt tarafta yerleştirerek gerçekleştirilmiştir.

Vakum anahtarı direk içinde kapsüllenmiş olduğundan, dış yüzeyi epoksi reçine ile yalıtılmıştır. Epoksi reçinenin yalıtım yeteneği havadan çok daha üstün olduğu için, yalıtım gerekliliklerini karşılar. Ayrıca, katı yalıtım direğinin kapalı ucundaki bağlantı busbarı, yuvarlak köşeler, eğri tasarımlar ve silikon lastik mühürle donatılmıştır, bu da bu noktada kısmi descarman sorunlarını çözer. Busbarlar arasındaki ve toprağa olan yalıtım açıklığı, ilgili yalıtım gerekliliklerine göre tasarlanmıştır ve düzenlemelere uygun hale getirilmiştir.

Üç konumlu anahtardaki izolasyon bıçağı tamamen hava ortamına bağlı olarak yalıtılmıştır. Hareketli bir bağlantı parçası olarak, yapı tasarımı, izolasyon temas noktaları arasındaki temas basıncını artırmak için iğne, yay, disk yay ve tutucu halka gibi metal parçaları içerir. Ancak, bu metal parçaların özel şekilleri, oldukça düzensiz elektrik alan dağılımı oluşturabilir, bu da kısmi descarman tetikleyebilir. Bu, bu noktadaki yalıtım performansını olumsuz etkileyebilecek bir patlama descarmanı riski oluşturur. Bu nedenle, buradaki elektriksel yapı tasarımı özellikle önemlidir.

Ürün tasarım gerekliliklerine göre, izolasyon boşluğu 50kV adi zamanlı güç frekans dayanıklılık gerilimini dayanmalıdır. Izolasyon boşluğunun minimum elektrik açıklığı 100mm olarak tasarlanmıştır. İZOLASYON bıçağı yapısının karmaşıklığını göz önünde bulundurarak, izolasyon bıçağının her iki tarafına izolasyon gradyan kalkanları eklenmiştir, bu da elektrik alanın düzgünlüğünü artırır ve kısmi descarmanın oluşmasını azaltır. Üç konumlu anahtarın 3D modeli Şekil 2'de gösterilmiştir. Bu nedenle, bu makale izolasyon boşluğu üzerinde elektrik alan simülasyon analizi gerçekleştirir.

Sonlu eleman yazılımı, RMU'nun elektrik alanını simüle ederek, verilen 50kV adi zamanlı güç frekans dayanıklılık gerilimi altında izolasyon boşluğu boyunca elektrik alan yoğunluğu dağılımını analiz etmektedir. İki elektrostatik alan simülasyon senaryosu tanımlanmıştır:

• ​Senaryo 1:​​ Busbar tarafı (izolasyon statik temas noktasıyla) düşük potansiyele (0V) bağlanırken, hat tarafı (izolasyon bıçağı başı ile) yüksek potansiyele (50kV) bağlanır.
• ​Senaryo 2:​​ Busbar tarafı (izolasyon statik temas noktasıyla) yüksek potansiyele (50kV) bağlanırken, hat tarafı (izolasyon bıçağı başı ile) düşük potansiyele (0V) bağlanır.

Her iki senaryo için de simülasyondan elde edilen izolasyon boşluğu içinde maksimum elektrik alan yoğunluğu dağılımı, Senaryo 1 için izolasyon bıçağı başındaki dağılım Şekil 3'te, Senaryo 2 için izolasyon statik temas noktasındaki dağılım Şekil 4'te gösterilmiştir. Senaryo 1'deki maksimum elektrik alan yoğunluğu, gradyan kalkanının ucunda 7.07 kV/mm ölçülürken, Senaryo 2'deki maksimum değeri izolasyon statik temas noktasının köşesinde 4.90 kV/mm olarak ölçülmüştür.

Standart koşullarda hava için kritik bozulma elektrik alanı genellikle 3 kV/mm'dir. Şekil 3 ve 4, izolasyon boşluğunun yerel bölgelerinde 3 kV/mm'yi aşan alanların olduğunu, ancak diğer bölgelerde bu eşiğin altında kalmasını gösterir, bu da patlama descarmanın olası olmadığını gösterir. Ancak, alan gücü 3 kV/mm'yi aşan yerel bölgelerde kısmi descarman oluşacaktır.

Hava, kuru halden nemli hale geçtiğinde yalıtım yeteneği azalır. Düzgün alan koşullarında kritik bozulma elektrik alanı 3 kV/mm'nin altına düşer. Ayrıca, son derece düzensiz elektrik alan dağılımı da havanın kritik bozulma alan gücünü azaltır. Her iki faktör de bozulma olasılığını ve riskini artırır. Dış çevresel koşulların hava yalıtım ortamına etkisini azaltmak ve elektrik alanın düzgünlük katsayısını artırmak için, bu makale izolasyon boşluğu boyunca elektrik alanın düzgünlük derecesini ve boşluğun dayanıklılık değerini belirlemeyi amaçlamaktadır. Bu, izolasyon boşluğunun yalıtım yeteneğini artırmak için temel teşkil etmektedir.

​3 Hava Yalıtım Özellikleri​

​3.1 Elektrik Alan Düzgünlük Katsayısının Belirlenmesi​

Pratikte mükemmel düzgün elektrik alanları mevcut değildir; tüm elektrik alanları düzensizdir. Düzgünlük katsayısı f’e dayanarak, elektrik alanları f ≤ 4 olduğunda hafifçe düzensiz, f > 4 olduğunda son derece düzensiz olarak sınıflandırılır. Elektrik alan düzgünlük katsayısı f, f = E_max / E_avg formülü ile belirlenir, burada E_max yerel maksimum elektrik alan gücüdür, simülasyon sonuçlarından elde edilebilir, E_avg ise ortalama elektrik alan gücüdür, uygulanan gerilimin minimum elektrik açıklığına bölünmesiyle hesaplanır.

Şekil 3’ten, E_max = 7.07 kV/mm ve E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Bu nedenle, izolasyon boşluğu için düzgünlük katsayısı f = 14.14 > 4, bu da son derece düzensiz bir alana işaret eder. Son derece düzensiz alanlarda istikrarlı kısmi descarman olayları oluşabilir. Düzgünlük derecesi ne kadar düşükse, kısmi descarman o kadar belirgin olur ve descarman büyüklüğü de artar. 12kV HAB için, tüm kabinin toplam kısmi descarmanın 20pC'den küçük olması gerekmektedir. Düzgünlük katsayısı f'nin azaltılması, kısmi descarman büyüklüğünü azaltmaya yardımcı olur.

​3.2 Havada Dayanıklılık Geriliminin Belirlenmesi​

Düzgünlük katsayısı, kuru hava için dayanıklılık gerilimini etkiler. Alan hafifçe düzensiz olduğunda, dayanıklılık gerilimi şöyledir:
​Formül (1)​​

Burada:

• U, dayanıklılık gerilimidir.
• d, elektrotlar arasındaki minimum elektrik açıklığıdır.
• k, güvenilirlik faktörüdür, genellikle deneyime dayanarak 1.2 ile 1.5 arasındadır.
• E₀, gaz bozulma elektrik alanı gücündür. Pratikte, bu değer elektrot yapısına bağlıdır. Farklı elektrot yapıları ve açıklıklar altında hava bozulma alanı değişir. Bu makalede karşılaştırmalı analiz için E₀ = 3 kV/mm olarak tentatif olarak ayarlanmıştır.

Formül (1)'den, minimum elektrik açıklığını d artırmak veya düzgünlük katsayısını f azaltmak, havanın dayanıklılık gerilimini iyileştirebilir. Alan son derece düzensiz olduğunda, minimum açıklığı d yaklaşık 100mm olan elektrotlar için dayanıklılık gerilimi şöyledir:
​Formül (2)​​

Burada U_50%(d), d elektrik açıklığı olan elektrot için yıldırım darbesi 50% bozulma gerilimidir. Son derece düzensiz alanlarda, bozulma gerilimi önemli bir dağılım gösterir ve uzun bir descarman gecikmesi vardır, bu da büyük oranda kararsız hale getirir.

Mühendislik uygulamalarında, U_50%(d) birçok yıldırım darbesi testi aracılığıyla belirlenir: 50% olasılıkla bozulma gerçekleştiği uygulanan gerilim U_50%(d) olarak tanımlanır. Bu değer, ürün yapısına ve alanın düzgünlük derecesine bağlıdır. Düşük düzgünlük katsayısı, daha düşük bozulma gerilimi dağılımına, daha yüksek bozulma gerilimine ve dolayısıyla daha yüksek dayanıklılık gerilimine sahip olur. Bu nedenle, düzgünlük katsayısını f azaltmak, izolasyon boşluğunun dayanıklılık gerilimini iyileştirir.

​4 Yapısal Optimizasyon​

İzolasyon bıçağı başındaki elektrik alanın düzgünlüğünü artırmak ve düzgünlük katsayısını azaltmak için, gradyan kalkan yapısı optimize edildi.

Orijinal tasarım ile karşılaştırıldığında, optimize edilmiş gradyan kalkanı, yuvarlak köşe tasarımı ile kalınlaşmış bir uç özelliktedir. Yuvarlatma yarıçapı 0.75mm'den 4mm'ye çıkarıldı, bu da bu bölgedeki eğrilik yarıçapını artırdı, bu da daha düzgün alan dağılımına katkıda bulunur. Optimize edilmiş izolasyon bıçağı başındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımı Şekil 7'de gösterilmiştir. Şekilde, bu konumdaki maksimum elektrik alan yoğunluğunun artık 3.66 kV/mm olduğu görülmekte, bu, optimize öncesi değerden yaklaşık yarısıdır, bu da önemli bir iyileşme gösterir.

Formül f = E_max / E_avg'a dayanarak, optimize edildikten sonra elektrik alan düzgünlük katsayısı 7.32'dir. Optimize öncesi duruma kıyasla, bu değer yaklaşık yarısına indirgenmiştir. İzolasyon bıçağı başındaki elektrik alanın düzgünlüğü de önemli ölçüde iyileşmiştir, bu da yapısal optimizasyonun mantıklı olduğunu gösterir.

Optimize edilmiş gradyan kalkan yapısı, izolasyon boşluğu boyunca bozulma descarman riskini gerçekten azaltmıştır. Ancak, boşluk boyunca elektrik alan hala son derece düzensizdir ve dayanıklılık gerilimi hala U_50%(d) ile belirlenir. Dayanıklılık geriliminin ne kadar artırılabileceği, sonraki alan testleri aracılığıyla belirlenmelidir.

​5 Sonuç​

12kV hava yalıtım HAB'sindeki izolasyon boşluğu üzerindeki elektrik alan analizi sonucunda, bu makale aşağıdaki sonuçlara ulaşmıştır:

1. Havanın SF6'ya kıyasla daha düşük yalıtım yeteneğine sahip olması nedeniyle, HAB'lerin içindeki üç konumlu anahtarlar için hava kullanmak, elektrik alan dağılımını iyileştirmeye ihtiyaç duyar.
2. Hava yalıtım HAB'lerindeki üç konumlu anahtardaki hareketli parçaların (izolasyon bıçağı) yapısal karmaşıklığı nedeniyle, yerel pozisyonlardaki elektrik alan yoğunluğu dağılımı son derece düzensiz olabilir. Düzgünlüğü azaltmak için, izolasyon bıçağının her iki tarafına gradyan kalkanları ekleyerek, bıçağın bağlantı noktalarının yanındaki elektrik alan yoğunluğunu kalkanlayabilir, bu da maksimum yerel alan yoğunluğunu gradyan kalkanlarının uçlarına kaydırır. Bu makale, gradyan kalkan uçlarının eğrilik yarıçapını 0.75mm'den 4mm'ye çıkardı. Bu, hem maksimum yerel elektrik alan yoğunluğunu hem de düzgünlük katsayısını yaklaşık yarısına indirdi, arzu edilen etkiyi sağladı.
3. Elektrik alanın düzgünlük derecesi, yani düzgünlük katsayısı, kısmi descarman ve bozulma descarman üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Son derece düzensiz alanlar, istikrarlı kısmi descarman (korona descarman) oluşmasına kolaylık sağlar. Hem hafifçe düzensiz hem de son derece düzensiz alanlar için, daha yüksek düzgünlük katsayısı, iki elektrot arasındaki dayanıklılık geriliminin daha düşük olmasını sağlar.