Оптимизационен дизајн на схема за 12кВ воздухно-изолирано кружно главно јединство со раздвојувачки размак за намалување на веројатноста за пробојна дисипација

Со брзото развој на електроиндустријата, еколошкиот концепт на ниско-угљенична, енергетска ефикасност и заштита на животната средина дубоко се интегрира во дизајнот и производството на електроопрема за доставување и распределба на електрична енергија. Ринг Мен Јединица (RMU) е клучен електричен уред во мрежите за распределба. Безбедноста, заштитата на животната средина, оперативната надежност, енергетската ефикасност и економичноста се неизбежни тенденции во неговиот развој. Традиционалните RMU првенствено се претставени со SF6 гас-изолирани RMU. Заблагодарена на одличните арк-газнешивни способности и високите изолациони карактеристики на SF6, тие биле широко користени. Меѓутоа, SF6 предизвикува парников ефект. Со зголемување на регулаторскиот притисок врз парниковите гасови, развојот на еколошки прифатливи гас-изолирани RMU како алтернатива на SF6 стана неизбежна тенденција.

Тренутно, еколошки прифатливите гас-изолирани RMU вклучуваат RMU изолирани со азот и RMU изолирани со сува воздух. Литературата ги воведува овие опции. Според изолационите карактеристики на SF6, изолационите карактеристики на азотот и сувиот воздух се само околу една трета. Поради тоа, осигурувањето дека целокупната изолационна перформанца на RMU и неговите интерни преклопувачки уреди не се компромитира поради намалената изолационна перформанца на медиумот, додека се одржува постојаната просторна капацитет, е особено критично. Ова се одразува главно во дизајнот на интерниот електричен структура и изолационата структура. Разумно дизајнирање на електрична и изолационата структура може да компенсира недостатоците на изолациониот медиум.

Овој труд се фокусира на изолационата јазна во одредена 12kV воздух-изолирана RMU. Анализира се близинското електрично поле и неговата униформност, оценува се изолационата перформанца на оваа локација и се врши структурна оптимизација за намалување на веројатноста на емисија и подобрување на изолационата перформанца. Целта на студијата е да донесе референца за изолациониот дизајн на слични производи.

​1 Структура на Воздух-Изолираната RMU​

Тримерниот структурен модел на воздух-изолираната RMU која се проучува во овој труд е прикажан на Слика 1. Главната цепна структура на RMU го применува шемата која комбинира вакуумски преклопувачки уред и три-позициони преклопувачки уред. Расположбата го применува шемата каде што три-позициониот преклопувачки уред е локализиран на страната на колективната жица, односно три-позициониот преклопувачки уред е распореден на горната страна на RMU, додека вакуумскиот преклопувачки уред е распореден на долната страна преку тверда изолационата колона.

Бидејќи вакуумскиот преклопувачки уред е капсулиран во колоната, неговата надворешна површина е изолирана со епоксидна смола. Изолационите карактеристики на епоксидната смола се многу поголеми од воздухот, така што задоволуваат изолационите барања. Поради тоа, поврзувањето на колективната жица на запечатената страна на твердата изолационата колона вклучува закривени рабови, забрзани дизајни и герметизација со силиконска гума, решавајќи проблеми со делумна емисија на ова место. Изолационите разстоянија помеѓу колективните жици и до земјата се дизајнирани според соодветните изолациони барања и се согласуваат со правилата.

Изолационата клинче на три-позициониот преклопувачки уред се потполно изолира со воздух. Како подвижна поврзана компонента, неговиот структурен дизајн вклучува метални делови како што се чевли, пружини, диск-пружини и задржувачи за подобрување на контактното притискување меѓу изолационите контакти. Меѓутоа, поради специјалните форми на овие метални делови, може да предизвика многу неуниформна електрична полна дистрибуција, што предизвикува делумна емисија. Ова создава ризик од пробојна емисија, негативно влијајќи на изолационата перформанца на ова место. Затоа, дизајнот на електричната структура тука е особено важен.

Според барањата за дизајн на производот, изолационата јазна мора да изддржи наративна кратковремена моќностна фреквенција од 50kV. Минималното електрично разстояние за изолационата јазна е дизајнирано како 100mm. Забележувајќи ги комплексностите на структурата на изолационата клинче, били додадени класифицирачки џинџери на двете страни на изолационата клинче за подобрување на униформноста на електричното поле и намалување на појавувањето на делумна емисија. Тримерниот модел на три-позициониот преклопувачки уред е прикажан на Слика 2. Соодветно, овој труд ја провежува симулацијата на електричното поле на изолационата јазна.

Конечен елемент софтвер беше користен за симулација на електричното поле на RMU, анализирајќи го распределбата на електричната полна интензитет на изолационата јазна под дадената 50kV наративна кратковремена моќностна фреквенција. Две сценарија за симулација на електростатичко поле беа дефинирани:

• ​Сценарио 1:​​ Страничната страна (со изолационата статична контактна седиште) поврзана со ниската потенцијала (0V), линиска страна (со изолационата клинче глава) поврзана со високата потенцијала (50kV).
• ​Сценарио 2:​​ Страничната страна (со изолационата статична контактна седиште) поврзана со високата потенцијала (50kV), линиска страна (со изолационата клинче глава) поврзана со ниската потенцијала (0V).

Распределбата на електричната полна интензитет на местото на максимална електрична полна интензитет во изолационата јазна за двете сценарија беше добиена од симулацијата. Распределбата на електричната полна интензитет на изолационата клинче глава за Сценарио 1 е прикажана на Слика 3, а за изолационата статична контактна седиште за Сценарио 2 е прикажана на Слика 4. Максималната електрична полна интензитет во Сценарио 1 се појавува на крајот на класифицирачките џинџери, мерена како 7.07 kV/mm. Максималната во Сценарио 2 е на завојот на изолационата статична контактна седиште, мерена како 4.90 kV/mm.

Критичната пробојна електрична полна интензитет за воздух под стандардни услови обично е 3 kV/mm. Слики 3 и 4 покажуваат дека додека локализираните области во изолационата јазна надминуваат 3 kV/mm, полната интензитет во другите области останува под овој праг, што прави пробојна емисија маловеројатна. Меѓутоа, делумна емисија ќе се појави во локализираните позиции каде што полната интензитет надминува 3 kV/mm.

Кога воздухот се менува од сув до влажен, неговата изолационата способност се намалува. Критичната пробојна електрична полна интензитет под униформни полни услови пада под 3 kV/mm. Поради тоа, екстремно неуниформна полна дистрибуција исто така намалува критичната пробојна полна интензитет на воздухот. Оба фактори зголемуваат можността и ризикот од пробој. За намалување на влијанието на екстерните услови на воздухот како изолационата средина и подобрување на коефициентот на униформноста на електричното поле, овој труд се фокусира на определувањето на степенот на униформноста на електричното поле во изолационата јазна и на напонската вредност на јазната. Ова служи како основа за подобрување на изолационата способност на изолационата јазна.

​3 Характеристики на Воздушна Изолација​

​3.1 Одредување на Неуниформниот Коефициент на Електричното Поле​

Потполно униформни електрични поли не постојат во практика; сите електрични поли се неуниформни. Според неуниформниот коефициент f, електричните поли се класифицираат во две типови: слабо неуниформни електрични поли кога f ≤ 4; и екстремно неуниформни електрични поли кога f > 4. Неуниформниот коефициент на електричното поле f се одредува со f = E_max / E_avg, каде E_max е локалната максимална електрична полна интензитет, добивана од симулацијата, а E_avg е просечната електрична полна интензитет, пресметана како применет напон поделен со минималното електрично разстояние.

Од Слика 3, E_max = 7.07 kV/mm и E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Поради тоа, неуниформниот коефициент за изолационата јазна f = 14.14 > 4, класифициран како екстремно неуниформно поле. Стабилни феномени на делумна емисија можат да се формираат близу до екстремно неуниформни поли. Колку што степенот на неуниформност е поголем, делумната емисија е поголема, и величината на емисијата е поголема. За 12kV RMU, барањето е дека целосната делумна емисија на целата кабина треба да биде помала од 20pC. Намалувањето на неуниформниот коефициент f е корисно за намалување на величината на делумната емисија.

​3.2 Одредување на Напонот на Противстојност на Воздухот​

Неуниформниот коефициент влијае на напонот на противстојност на сув воздух. Кога полето е слабо неуниформно, напонот на противстојност е:
​Формула (1)​​

Каде:

• U е напонот на противстојност.
• d е минималното електрично разстояние помеѓу електродите.
• k е коефициент на надежност, обично во опсег од 1.2 до 1.5 според искуство.
• E₀ е електричната полна интензитет на пробој на гасот. Во практика, оваа вредност е поврзана со структурата на електродите. Пробојната полна интензитет на воздухот варира под различни структури на електродите и разстоянија. За компаративна анализа во овој труд, E₀ = 3 kV/mm е временски поставен.

Од Формула (1), зголемувањето на минималното електрично разстояние d или намалувањето на неуниформниот коефициент f може да подобри напонот на противстојност на воздухот. Кога полето е екстремно неуниформно, за електроди со минимално разстояние d околу 100mm, напонот на противстојност се одредува со:
​Формула (2)​​

Каде U_50%(d) е напонот на 50% пробој на светлински импулс за електрод со електрично разстояние d. Во екстремно неуниформни поли, напонот на пробој покажува значителна дисперзија и долг временски отложување, што го прави многу нестабилен.

Во инженерска практика, U_50%(d) се одредува преку многу тестови на светлински импулси: применетиот напон при кој се случува пробој со веројатност од 50% се дефинира како U_50%(d). Оваа вредност зависи од структурата на производот и степенот на униформноста на полето. Утврдено е дека помал неуниформен коефициент доведува до помала дисперзија на напонот на пробој, повисок напон на пробој, и следователно, повисок напон на противстојност. Затоа, намалувањето на неуниформниот коефициент f подобрува напонот на противстојност на изолационата јазна.

​4 Структурна Оптимизација​

За подобрување на униформноста на електричното поле околу главата на изолационата клинче и намалување на неуниформниот коефициент, структурата на класифицирачките џинџери беше оптимизирана.

Споредено со оригинален дизајн, оптимизираните класифицирачки џинџери имаат подебелина на крајот со дизајн на закривен раб. Радиусот на закривеност беше зголемен од 0.75mm до 4mm, подобрувајќи го радиусот на закривеност во оваа област, што е корисно за постигнување на подобар униформен полен распоред. Распределбата на електричната полна интензитет на оптимизираната глава на изолационата клинче е прикажана на Слика 7. На сликата се види дека максималната електрична полна интензитет на ова место сега е 3.66 kV/mm, приближно половина од вредноста пре оптимизација, што покажува значително подобрување.

Според формулата f = E_max / E_avg, неуниформниот коефициент на електричното поле по оптимизација е 7.32. Споредено со состојбата пре оптимизација, оваа вредност е намалена до приближно половина. Униформноста на електричното поле околу главата на изолационата клинче е значително подобре, што покажува разумноста на структурната оптимизација.

Оптимизираната структура на класифицирачките џинџери наистина намалува ризикот од пробојна емисија на изолационата јазна. Меѓутоа, електричното поле на јазната останува екстремно неуниформно, и неговиот напон на противстојност все уште се одредува со U_50%(d). Степенот на зголемување на напонот на противстојност треба да се одреди преку последователни полни тестови.

​5 Заклучок​

Преку анализата на електричното поле на изолационата јазна во 12kV воздух-изолирана RMU, овој труд достигна следниве заклучоци:

1. Заблагодарена на пониска изолационата способност на воздухот споредно со SF6, користењето на воздух за изолација во три-позициониот преклопувачки уред во RMU-ите бара подобрување на распределбата на електричното поле за подобрување на изолационата способност.
2. Заблагодарена на комплексната структура на подвижните делови (изолационата клинче) во три-позициониот преклопувачки уред на воздух-изолираните RMU-и, распределбата на електричната полна интензитет на локализираните позиции може да стане многу неуниформна. За намалување на неуниформноста, класифицирачки џинџери можат да се додадат на двете страни на изолационата клинче за штитенje на електричната полна интензитет близу до крајните делови на конекторите на клинчето, преместувајќи го максималната локална полна интензитет до крајните делови на класифицирачките џинџери. Овој труд зголеми радиусот на закривеност на крајот на класифицирачките џинџери од 0.75mm до 4mm. Ова намали и максималната локална електрична полна интензитет и неуниформниот коефициент до приближно половина од нивните првобитни вредности, достигнувајќи желаниот ефект.
3. Степенот на униформноста на електричното поле, или неуниформниот коефициент, значително влијае на делумната емисија и пробојната емисија. Екстремно неуниформни поли лесно доведуваат до стабилна делумна емисија (корона емисија). За слабо и екстремно неуниформни поли, поголем неуниформен коефициент соодветствува на помал напон на противстојност помеѓу двата електрода.