Optimizācijas izstrādājums 12kV gaisa dielektriskajai apakšstacijai ar iekļaujošu izolējošo atstarpi lai samazinātu bojājuma izraisīto slodzes varbūtību
Lai ar elektroenerģijas rūpniecības straujo attīstību, zema oglekļa emisiju, energoefektivitātes un vides aizsardzības ekoloģiskie koncepti ir gājuši dziļi iekšā elektrosniedzēju un elektroapgādes produktu dizainam un ražošanai. Elektroapgādes tīklā Ring Main Unit (RMU) ir nozīmīgs elektriskais ierīce. Drošums, vides aizsardzība, darbības uzticamība, energoefektivitāte un ekonomiskums ir neizbēgami RMU attīstības tendences. Parastajiem RMU galvenokārt raksturo SF6 gaissilumināti RMU. Tā kā SF6 izrāda lieliskas loku izslēgšanas spējas un augstu izolācijas veiktspēju, to plaši izmanto. Tomēr, SF6 izraisa siltumnīcefekta gāzes problēmas. Ar pieaugošo regulējošo spiedienu uz siltumnīcefekta gāzēm, vides draudzīgu gaissilumināto RMU izstrāde kā alternatīva SF6 ir kļuvusi par steidzamu tendenci.
Pašlaik vides draudzīgie gaissiluminātie RMU ietver slāpekļa gaissiluminātos RMU un sausā gaisa gaissiluminātos RMU. Literatūrā šīs iespējas ir aprakstītas. Salīdzinājumā ar SF6 izolācijas spēju, slāpekļa un sausā gaisa izolācijas spēja ir tikai aptuveni trešdaļa. Tādēļ, nodrošinot, ka RMU kopējā izolācijas veiktspēja un tā iekšējie pārslēži netiek samazināti, saglabājot esošo skapiņu telpu, ir īpaši svarīgi. Tas galvenokārt atspoguļojas iekšējās elektriskās struktūras un izolācijas struktūras dizainā. Piemērotas elektriskās un izolācijas struktūras dizaina var kompensēt izolācijas viduma veiktspējas trūkumu.
Šajā rakstā tiek apskatīts atdalīšanas gabals noteiktā 12kV sausā gaisa gaissiluminātajā RMU. Tiek analizēta tuvākā elektriskā lauka sadalījuma un tā vienmērība, novērtēta izolācijas veiktspēja šajā vietā, un tiek veikta strukturālā optimizācija, lai samazinātu izlaides iespējamību un uzlabotu izolācijas veiktspēju. Mērķis ir sniegt atsauce līdzīgu produktu izolācijas dizainam.
1 Sausā gaisa gaissiluminātā RMU struktūra
Šajā rakstā pētītā sausā gaisa gaissiluminātā RMU 3D struktūras modelis redzams Attēlā 1. RMU galvenais šķērsmu shēma izmanto kombināciju vakuumslēdzi un trim pozīcijām slēdzi. Izvietojums izmanto shēmu, kurā trim pozīcijām slēdzis atrodas mājas virzienā, t.i., trim pozīcijām slēdzis ir izvietots RMU augšpusē, savukārt vakuumslēdzis ir izvietots apakšpusē caur cietām izolācijas stabiņiem.
Kā vakuumslēdzis ir ieapkaltīts stabiņos, tā ārējā daļa ir izolēta epoksidresinā. Epoksidresinas izolācijas spēja ir daudz labāka nekā gaisa, tādējādi apmierinoši izpildot izolācijas prasības. Turklāt savienojuma mājas beigās cietajos izolācijas stabiņos ir ieviesti zaļie stari, lēkaini dizains un silikona gumijas apkārtne, risinot šajā vietā daļējo izlaides problēmas. Māju starpība un uz zemes starpība ir izstrādāta atbilstoši attiecīgajām izolācijas prasībām un regulējumiem.
Trīs pozīcijām slēdzis pilnībā paļaujas uz gaisa mediju izolācijai. Kā kustīga savienojuma komponente, tā struktūras dizains ietver metāla daļas, piemēram, čepurus, sprīdžus, disku sprīdžus un fiksējošos čepurus, lai palielinātu atdalīšanas kontaktpunktu kontaktspiedienu. Tomēr, tā kā šīs metāla daļas ir īpašas formas, tās var izraisīt ļoti neregulāru elektriskā lauka sadalījumu, izraisot daļēju izlaidi. Tas rada izlaides risku, negatīvi ietekmējot šīs vietas izolācijas veiktspēju. Tādēļ, šeit elektriskās struktūras dizains ir īpaši svarīgs.
Saskaņā ar produktu dizaina prasībām, atdalīšanas gabals jāiztur 50kV nomērētā īslaika dažādu frekvenciju izturēšanas sprieguma. Atdalīšanas gabala minimālā elektriskā atstarpe ir izstrādāta 100mm. Ņemot vērā atdalīšanas gabala struktūras sarežģītību, abās atdalīšanas gabala pusēs tika pievienotas gradācijas aizsargkrājas, lai uzlabotu elektriskā lauka vienmērību un samazinātu daļēju izlaides iespējamību. Trīs pozīcijām slēdza 3D modelis redzams Attēlā 2. Tādējādi šajā rakstā tiek veikta elektriskā lauka simulācijas analīze atdalīšanas gabalā.
Tika izmantota galvenā elementa programmatūra, lai simulētu RMU elektriskā lauka, analizējot elektriskā lauka intensitātes sadalījumu atdalīšanas gabalā pie dotā 50kV nomērētā īslaika dažādu frekvenciju izturēšanas sprieguma. Tika definētas divas elektrostātiskā lauka simulācijas situācijas:
- Situācija 1: Mājas puse (puse ar atdalīšanas statiskā kontaktpunkta sēdekli) savienota ar zemu potenciālu (0V), līnijas puse (puse ar atdalīšanas gabala galu) savienota ar augstu potenciālu (50kV).
- Situācija 2: Mājas puse (puse ar atdalīšanas statiskā kontaktpunkta sēdekli) savienota ar augstu potenciālu (50kV), līnijas puse (puse ar atdalīšanas gabala galu) savienota ar zemu potenciālu (0V).
No simulācijas tika iegūts elektriskā lauka intensitātes sadalījums abās situācijās maksimālajā elektriskā lauka intensitātes vietā atdalīšanas gabalā. Situācijas 1 elektriskā lauka intensitātes sadalījums atdalīšanas gabala galā redzams Attēlā 3, un situācijas 2 elektriskā lauka intensitātes sadalījums atdalīšanas statiskā kontaktpunkta sēdekli redzams Attēlā 4. Situācijā 1 maksimālā elektriskā lauka intensitāte notiek gradācijas aizsargkrājas beigās, mērāms 7.07 kV/mm. Situācijā 2 maksimums ir atdalīšanas statiskā kontaktpunkta sēdekļa zaļā stara, mērāms 4.90 kV/mm.
Standarta apstākļos gaisa kritiskā izlaides elektriskā lauka stiprums parasti ir 3 kV/mm. Attēli 3 un 4 rāda, ka, neskatoties uz to, ka atdalīšanas gabala dažas lokālas vietas pārsniedz 3 kV/mm, citu vietu lauka intensitāte paliek zem šī slieksnes, padarot izlaides iespējamību neveiksmīgu. Tomēr, daļēja izlaide notiks lokālās vietās, kur lauka stiprums pārsniedz 3 kV/mm.
Kad gaisa mitruma pakāpe mainās no sausa uz mitru, tā izolācijas spēja samazinās. Uniformā lauka apstākļos kritiskais izlaides elektriskā lauka stiprums pazeminās zem 3 kV/mm. Turklāt ļoti neregulārs elektriskā lauka sadalījums arī samazina gaisa kritisko izlaides lauka stiprumu. Abi faktori palielina izlaides iespējamību un risku. Lai mazinātu ārējo vides apstākļu ietekmi uz gaisa izolācijas vidumu un uzlabotu elektriskā lauka vienmērības koeficientu, šajā rakstā mērķis ir noteikt elektriskā lauka vienmērības koeficientu atdalīšanas gabalā un gabala izturēšanas spriegumu. Tas būs pamats, lai uzlabotu atdalīšanas gabala izolācijas spēju.
3 Gaisa izolācijas īpašības
3.1 Elektriskā lauka neregulārības koeficienta noteikšana
Praktiski perfektu uniformu elektriskā lauka neeksistē; visi elektriskā lauka ir neregulāri. Atkarībā no neregulārības koeficienta f, elektriskā lauka tiek sadalīti divos veidos: viegli neregulāri, ja f ≤ 4; un ļoti neregulāri, ja f > 4. Elektriskā lauka neregulārības koeficients f tiek noteikts pēc f = E_max / E_avg, kur E_max ir lokālais maksimālais elektriskā lauka stiprums, kas iegūsts no simulācijas rezultātiem, un E_avg ir vidējais elektriskā lauka stiprums, kas aprēķināts kā piemērotais spriegums dalīt ar minimālo elektrisko atstarpēm.
No Attēla 3, E_max = 7.07 kV/mm un E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Tādējādi atdalīšanas gabala neregulārības koeficients f = 14.14 > 4, to klasificējot kā ļoti neregulāru lauku. Stabilas daļējas izlaides parādības var formēties blakus ļoti neregulāriem laukiem. Jo lielāka neregulārības pakāpe, jo acīmredzamākas ir daļējās izlaides, un izlaides apmērs ir lielāks. 12kV RMU prasība ir, ka vesela skapja kopējā daļējā izlaide jābūt mazākai par 20pC. Neregulārības koeficienta f samazināšana ir labvēlīga, lai samazinātu daļējās izlaides apmēru.
3.2 Gaisa izturēšanas sprieguma noteikšana
Neregulārības koeficients ietekmē sausa gaisa izturēšanas spriegumu. Ja lauks ir viegli neregulārs, izturēšanas spriegums ir:
Formula (1)
Kur:
- U ir izturēšanas spriegums.
- d ir minimālā elektriskā atstarpē starp elektrodu.
- k ir uzticamības koeficients, parasti robežās no 1.2 līdz 1.5, balstoties uz pieredzi.
- E₀ ir gāzes izlaides elektriskā lauka stiprums. Praksē šī vērtība saistīta ar elektrodu struktūru. Gaisa izlaides lauka stiprums atšķiras atkarībā no dažādām elektrodu struktūrām un atstarpēm. Šajā rakstā salīdzināšanas analīzes nolūkos E₀ = 3 kV/mm tiek laikmetīgi iestatīts.
No Formulas (1) sekme, ka minimālās elektriskās atstarpes d palielināšana vai neregulārības koeficienta f samazināšana var uzlabot gaisa izturēšanas spriegumu. Ja lauks ir ļoti neregulārs, elektrodam ar minimālo atstarpēm d aptuveni 100mm, izturēšanas spriegums tiek noteikts pēc:
Formula (2)
Kur U<sub>50%(d)</sub> ir elektrodu ar elektrisko atstarpēm d 50% izlaides spriegums. Ļoti neregulāros laukos izlaides spriegums parāda lielu dispersiju un ilgu izlaides laiku, padarot to ļoti nestabila.
Inženierpraksē U<sub>50%(d)</sub> tiek noteikts vairākiem blikšķa impulsu testiem: piemērotais spriegums, pie kura izlaide notiek ar 50% iespējamību, tiek definēts kā U<sub>50%(d)</sub>. Šī vērtība atkarīga no produkta struktūras un lauka vienmērības pakāpes. Izmantojot mazāku neregulārības koeficientu, izlaides sprieguma dispersija ir mazāka, izlaides spriegums ir augstāks, un tādējādi izturēšanas spriegums ir augstāks. Tādējādi neregulārības koeficienta f samazināšana uzlabo atdalīšanas gabala izturēšanas spriegumu.
4 Strukturālā optimizācija
Lai uzlabotu elektriskā lauka vienmērību atdalīšanas gabala galā un samazinātu neregulārības koeficientu, gradācijas aizsargkrājas struktūra tika optimizēta.
Salīdzinājumā ar sākotnējo dizainu, optimizētā gradācijas aizsargkrāja beigu daļa ir pastiprināta ar zaļā stara dizainu. Zaļā stara rādiuss tika palielināts no 0.75mm līdz 4mm, palielinot šīs teritorijas lēkainumu, kas labvēlīgi ietekmē elektriskā lauka vienmērīgas sadalījuma sasniegšanu. Optimizētā atdalīšanas gabala gala elektriskā lauka intensitātes sadalījums redzams Attēlā 7. Attēls rāda, ka šajā vietā maksimālais elektriskā lauka stiprums tagad ir 3.66 kV/mm, aptuveni pusē no optimizācijas pirms vērtības, kas norāda uz būtisku uzlabojumu.
Balstoties uz formulu f = E_max / E_avg, elektriskā lauka neregulārības koeficients pēc optimizācijas ir 7.32. Salīdzinājumā ar pirms optimizācijas stāvokli, šī vērtība ir samazināta aptuveni līdz pusē. Elektriskā lauka vienmērība blakus atdalīšanas gabala galam ir arī būtiski uzlabojusies, demonstrējot strukturālās optimizācijas saprātīgumu.
Optimizētā gradācijas aizsargkrājas struktūra patiešām samazina izlaides risku atdalīšanas gabalā. Tomēr, lauks atdalīšanas gabalā joprojām ir ļoti neregulārs, un tā izturēšanas spriegums joprojām tiek noteikts pēc U<sub>50%(d)</sub>. Cik daudz izturēšanas spriegums var tikt paaugstināts, jānosaka ar turpmākiem lauka testiem.
5 Secinājumi
Pētot 12kV sausā gaisa gaissiluminātā RMU atdalīšanas gabala elektriskā lauka, šajā rakstā tika panākti šādi secinājumi:
- Tā kā gaisa izolācijas spēja ir sliktāka nekā SF6, izmantojot gaisu trim pozīcijām slēdzī RMU, nepieciešams uzlabot elektriskā lauka sadalījumu, lai uzlabotu izolācijas spēju.
- Tā kā trim pozīcijām slēdzī sausā gaisa gaissiluminātā RMU kustīgo daļu (atdalīšanas gabala) struktūra ir sarežģīta, elektriskā lauka intensitātes sadalījums lokālās vietās var kļūt ļoti neregulārs. Lai samazinātu neregulārību, abās atdalīšanas gabala pusēs var pievienot gradācijas aizsargkrājas, lai aizsargātu elektriskā lauka intensitāti tuvās gabala savienojumu beigās, pārvietojot maksimālo lokālo lauka intensitāti uz gradācijas aizsargkrājas beigām. Šajā rakstā tika palielināts gradācijas aizsargkrājas beigu lēkainuma rādiuss no 0.75mm līdz 4mm. Tas samazināja gan maksimālo lokālo elektriskā lauka intensitāti, gan neregulārības koeficientu aptuveni līdz pusē, sasniedzot gaidīto efektu.
- Elektriskā lauka vienmērības pakāpe, vai neregulārības koeficients, būtiski ietekmē daļējo izlaidi un izlaidi. Ļoti neregulāri lauki viegli izraisa stabilas daļējas izlaides (koronas izlaides). Gan viegli, gan ļoti neregulāri lauki, lielāks neregulārības koeficients atbilst zemākam izturēšanas spriegumam starp diviem elektrodu.
