Optimizatio Design Schematum pro Unitate Circulorum Principalium Aere Insulata 12kV ad Minuendam Probabilitatem Disruptionis Emissionis

Cum celeri progressus industriae electricitatis, conceptus ecologicus de carbonis minore, energiae servanda, et conservatione ambientis profundissime integratus est in designum et fabricam productorum electricorum pro distributione et generatione electricitatis. Unitas Distributiva Circuli (RMU) est dispositivum electricum clavem in retibus distributionis. Securitas, conservatio ambientis, fides operativa, efficacia energetica, et oeconomia sunt tendentiae inevitabiles in eius progressu. RMUs traditionales praecipue repraesentantur ab RMUs insulatis gas SF6. Propter excellentem capacitate arcus extinguendi et altam insulativam performance SF6, haec usitata sunt. Tamen, SF6 causat effectum hibernacii. Cum crescente pressione regulativa super gases hibernacii, discentia RMUs insulati gas amici ambientis ut alternativa ad SF6 facta est necessaria.

Nunc, RMUs insulati gas amici ambientis includunt RMUs insulatos nitro et RMUs insulatos aere sicco. Haec optiones litteratura introduxerunt. Comparate ad capacitatem insulativam SF6, ea nitri et aere sicci tantum circa unam tertiam est. Itaque, certificare ne performance insulativa tota RMU et commutationum internarum non deterioratur propter minorem performance insulativa medium, dum spatium thecarum existens manet, est maxime crucialis. Hoc praeclare reflectitur in designo structurae electricae et insulativa. Designum electricum et insulativum rationabile potest compensare defectum performance medium insulativi.

Hoc opus focus ponit in interstitio separante intra quoddam RMU 12kV insulatum aere. Analytice distribuit campum electricum proximum et eius uniformitatem, aestimat performance insulativam in loco, et facit optimisationem structurae ut probabilitas effluxus et performance insulativa meliorentur. Studium intendit dare referentiam pro designo insulativo productorum similibus.

​1 Structura RMU Insulati Aere​

Modello structuralis tridimensionalis RMU insulati aere studii huius ostenditur in Figura 1. Structura circuiti principalis RMU adoptat schematam combinans switch vacuum et switch trilocalis. Dispositio utitur schemate ubi switch trilocalis sit in parte busbar, id est, switch trilocalis disponitur in parte superior RMU, dum switch vacuum disponitur in parte inferior per polem insulatum solidum.

Quia switch vacuum inclusus est in polo, exterior eius insulatus est resina epoxy. Capacitas insulativa resinae epoxy multum superiore est quam aere, ita satisfacit requirementis insulativae. Praeterea, busbar connectivus in extremo sigillato poli insulati solidi incorporat angulos rotundos, curvaturas, et sigillationem rubber silicis, solvens problemata effluxus partialis in loco. Spatia insulativa inter busbars et ad terram designantur secundum relevantes requirementes insulativas et conformantur regulationibus.

Lamina separans switch trilocalis totaliter insulatur medio aere. Ut component mobile coniunctivus, designum structurae eius incorporat partes metallicas sicut pinnulas, springos, discos springorum, et annulos retentivos ad augmentandam pressionem contactus inter contactus separantes. Tamen, propter formas speciales harum partium metallicarum, posse creare distributionem valde non-uniformem campi electrici, excitando effluxum partialis. Hoc periculum effluxus breakdown, adversative afficiens performance insulativam in loco. Itaque, designum structurae electricae hic est maxime importantis.

Secundum requirementes designi producti, interstitium separans debet sustinere tensionem brevis temporis frequens nominalem 50kV. Spatium electricum minimum pro interstitio separante designatum est 100mm. Considerante complexitatem structurae laminae separantis, additi sunt scuta gradationis utrimque laminae separantis ad meliorandam uniformitatem campi electrici et reducendum occurrentiam effluxus partialis. Modello tridimensionali switch trilocalis ostenditur in Figura 2. Iuxta hoc, opus analytice simulat campum electricum interstitii separantis.

Software elementorum finitorum usitatum est ad simulandum campum electricum RMU, analysans distributionem intensitatis campi electrici trans interstitium separans sub data tensione 50kV nominale brevis temporis frequens. Definitae sunt duae conditiones simulationis electrostaticae:

• ​Condicio 1:​​ Pars busbar (pars cum sede contactus statici separantis) connecta ad potentialis minus (0V), pars linea (pars cum capite laminae separantis) connecta ad potentialis plus (50kV).
• ​Condicio 2:​​ Pars busbar (pars cum sede contactus statici separantis) connecta ad potentialis plus (50kV), pars linea (pars cum capite laminae separantis) connecta ad potentialis minus (0V).

Distributiones campi electrici in loco maximae intensitatis campi electrici trans interstitium separans utraque condicione obtinuerunt ex simulatione. Distributio intensitatis campi electrici in capite laminae separantis pro Condictione 1 ostenditur in Figura 3, et in sede contactus statici separantis pro Condictione 2 ostenditur in Figura 4. Maxima intensitas campi electrici in Condictione 1 occurrit in extremitate scuti gradationis, mensurans 7.07 kV/mm. Maximum in Condictione 2 est in angulo sedis contactus statici separantis, mensurans 4.90 kV/mm.

Intensitas critica campi electrici ad breakdown aeris sub conditionibus standard generaliter est 3 kV/mm. Figurae 3 et 4 ostendunt quod dum loca localia intra interstitium separans excedunt 3 kV/mm, intensitas in aliis locis remanet infra hanc limen, faciendo improbabilem effluxum breakdown. Tamen, effluxus partialis occurret in locis localibus ubi intensitas excedit 3 kV/mm.

Cum aer mutat a sicco ad humidum, capacitas insulativa eius diminuitur. Intensitas critica campi electrici ad breakdown sub conditionibus uniformibus cadit infra 3 kV/mm. Praeterea, distributionem valde non-uniformem campi electrici quoque diminuit intensitatem critica ad breakdown aeris. Ambae res augmentant possibilitatem et periculum breakdown. Ad mitigandum impactum conditionum externarum super medium insulativum aere et meliorandam coefficientem uniformitatis campi electrici, opus intendit determinare gradum uniformitatis campi electrici trans interstitium separans et valorem tensionis sustinabilis interstitii. Hoc servit ut basis ad augmentandam capacitas insulativam interstitii separantis.

​3 Caracteristica Insulationis Aere​

​3.1 Determinatio Coefficientis Non-Uniformitatis Campi Electrici​

Campi electrici perfecte uniformes non existunt in practica; omnes campi electrici sunt non-uniformes. Basato in coefficiente non-uniformitatis f, campi electrici classificantur in duo genera: campi electrici leviter non-uniformes quando f ≤ 4; et campi electrici valde non-uniformes quando f > 4. Coefficientem non-uniformitatis campi electrici f determinatur per f = E_max / E_avg, ubi E_max est localis maxima intensitas campi electrici, obtinibile ex resultatis simulationis, et E_avg est media intensitas campi electrici, calculata ut tensio applicata divisa per spatium electricum minimum.

Ex Figura 3, E_max = 7.07 kV/mm et E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Itaque, coefficientem non-uniformitatis pro interstitio separante f = 14.14 > 4, classificans eum ut campum valde non-uniformem. Phaenomena partialis effluxus stabiles possunt formari prope campos valde non-uniformes. Maior gradu non-uniformitatis, maior effluxus partialis, et maior magnitudo effluxus. Pro RMU 12kV, requiritur ut effluxus partialis totius thecae sit minor quam 20pC. Reducendo coefficientem non-uniformitatis f est beneficium ad diminuendum magnitudinem effluxus partialis.

​3.2 Determinatio Tensionis Sustinabilis Aere​

Coefficientem non-uniformitatis affectat tensionem sustinabilem aere sicco. Quando campi electrici leviter non-uniformes, tensio sustinabilis est:
​Formula (1)​​

Ubi:

• U est tensio sustinabilis.
• d est spatium electricum minimum inter electrodos.
• k est factor fidei, generaliter varians ab 1.2 ad 1.5 basato in experientia.
• E₀ est intensitas campi electrici ad breakdown gase. In practica, hoc valor relatum est ad structuram electrodorum. Intensitas breakdown aeris variet sub differentibus structuris electrodorum et spatiis. Pro analysi comparativa in hoc opere, E₀ = 3 kV/mm tentativiter statuitur.

Ex Formula (1), incrementum spatii electrici minimi d vel decrementum coefficientis non-uniformitatis f potest meliorare tensionem sustinabilem aere. Quando campi electrici valde non-uniformes, pro electrodos cum spatio minimo d circa 100mm, tensio sustinabilis determinatur per:
​Formula (2)​​

Ubi est tensio 50% ad breakdown impulsus fulminis pro electrodos cum spatio electrico d. In campis valde non-uniformibus, tensio ad breakdown exhibet dispersionem significativam et longum tempus delay effluxus, faciendo valde instabilem.

In practica ingeniosa, U_50%(d) determinatur per plures testes impulsus fulminis: tensio applicata qua breakdown occurrit cum probabilitate 50% definitur ut U_50%(d). Hoc valor dependet a structura producti et gradu uniformitatis campi. Est constatatum quod minor coefficientem non-uniformitatis resultat in minori dispersione tensionis ad breakdown, maiori tensio ad breakdown, et consequenter, maiori tensio sustinabilis. Itaque, reducendo coefficientem non-uniformitatis f melioratur tensio sustinabilis interstitii separantis.

​4 Optimalis Structurae​

Ad meliorandam uniformitatem campi electrici circa caput laminae separantis et reducendum coefficientem non-uniformitatis, structura scuti gradationis optimizata est.

Comparate ad designum originale, scutum gradationis optimizatum habet extremitatem crassatum cum designo anguli rotundi. Radius fillet augmentatus est ab 0.75mm ad 4mm, augmentans radius curvaturae in hac area, quod beneficium ad obtinendum distributionem campi electrici magis uniformem. Distributio intensitatis campi electrici in capite laminae separantis optimizato ostenditur in Figura 7. Figura ostendit maximam intensitatem campi electrici in loco nunc 3.66 kV/mm, circa dimidium valoris ante optimisationem, indicans meliorationem significativam.

Basato in formula f = E_max / E_avg, coefficientem non-uniformitatis post optimisationem est 7.32. Comparate ad status ante optimisationem, hic valor reductus est ad circa dimidium. Uniformitas campi electrici circa caput laminae separantis etiam significative meliorata est, demonstrans rationabilitatem optimalisationis structurae.

Structura scuti gradationis optimizata re vera reducit periculum effluxus breakdown trans interstitium separans. Tamen, campi electrici trans interstitium remanet valde non-uniformes, et tensio sustinabilis ipsius adhuc determinatur per U_50%(d). Gradus quo tensio sustinabilis potest incrementari debet determinari per subsequentes testes campi.

​5 Conclusio​

Per analyse campi electrici interstitii separantis in RMU 12kV insulato aere, opus pervenit ad sequentes conclusiones:

1. Propter inferiorem capacitate insulativa aere comparate ad SF6, usus aere ad insulationem in switch trilocalis intra RMUs requirit meliorationem distributionis campi electrici ad augmentandam capacitate insulativam.
2. Propter complexitatem structurae partium mobilium (lamina separans) intra switch trilocalis RMUs insulati aere, distributio intensitatis campi electrici in locis localibus potest fieri valde non-uniformis. Ad reducendum non-uniformitatem, scuta gradationis possunt addi utrimque laminae separantis ad shieldandam intensitatem campi electrici prope terminos connectorum laminae, transferendo maximam localem intensitatem campi electrici ad terminos scutorum gradationis. Opus hoc incrementavit radius curvaturae termini scuti gradationis ab 0.75mm ad 4mm. Hoc reductum est tam maximum localem intensitatem campi electrici quam coefficientem non-uniformitatis ad circa dimidium valoris originalis, attingendo effectum desideratum.
3. Gradus uniformitatis campi electrici, sive coefficientem non-uniformitatis, significative impactat effluxus partialis et breakdown. Campos valde non-uniformes facile ducunt ad effluxus partialis stabilis (effluxus corona). Pro campis leviter et valde non-uniformibus, major coefficientem non-uniformitatis correspondet minori tensio sustinabilis inter duos electrodos.