Skema ta’ Progettazzjoni Ottimizzata għal l-Unità Prinċipali tal-Ġir Ring tal-Insulazzjoni f’Aria ta’ 12kV biġi tneħħi l-Probabbiltà ta’ Diskaġġranzija

Flieħ il-għalb tal-industrija tal-elettricità, il-konċett ekożgħi tas-silġ tal-każinu, is-silġ tal-enerġija, u l-protezzjoni tal-ambjent ġie mmexx fil-progettazzjoni u l-manifattura tal-prodotti elettriki ta’ fornitu u distribuzzjoni. Il-Ring Main Unit (RMU) huwa apparatu elettriku importanti f’distribuzzjonijiet. Is-sigurtà, l-protezzjoni tal-ambjent, ir-reliabbiltà operattiva, l-effiċjenza energetika, u l-ekonomija huma trenduri inevitabbli f’svilupp tagħha. L-RMUs tradizzjonali huma prinċipalment rappresentati mill-RMUs isolati bħal gas SF6. Għall-każinu tal-arku mirabili u l-ebbu insulanti għan li jkollhom, dawn ġew imusaw lil hadd. Imma l-SF6 jagħmel effett tal-greenhouse. Meta pressjoni regolatorja fuq gases tal-greenhouse tkun diġà magħmula, l-ivvlovviment ta’ RMUs isolati bħal gas ekożgħi bħala alternattivi għas-SF6 sebbet t-trendur obligaturi.

Issa, l-RMUs isolati bħal gas ekożgħi inkluhudu l-RMUs isolati bħal gas nitrogen u l-RMUs isolati bħal air asciutta. L-letteratura introdotta dawn l-opzjonijiet. Mhux biss insulanti tal-nitrogen u l-air asciutta huma suġġerenti bl-insulanti tas-SF6, ma dan huwa biss waħed ters. Għalkemm, l-assigurazzjoni li l-prestazzjoni insulanti totali tal-RMU u switċi interni ma jiġux influenzati minn l-insulanti tal-medju infeqli, fl-istess spazju kabinet esistenti, hija partiċolarment critika. Dan huwa riflettut fl-ideat tal-struttura elettrika u insulanti. Id-disinn ragjonevoli tal-strutturi elettrika u insulanti jista’ ikompensa għal difetti tal-prestazzjoni tal-medju insulanti.

Dan id-dokument iġġurna fuq gap isolanti f’certu 12kV RMU ta’ insulanti bħal air. Janalizza l-distribuzzjoni tal-kamp elettriku qrib u l-uniformità tiegħu, assessa l-prestazzjoni insulanti f’din il-post, u jagħmel ottimizazzjoni strutturale biex timminnu l-probabbiltà tal-discharge u jażżid l-prestazzjoni insulanti. L-studju huwa biex jfornixxi riferiment għal id-disinn insulanti ta’ prodotti simili.

​1 Struttura tal-RMU ta’ Insulanti bħal Air​

Il-model strutturali 3D tal-RMU ta’ insulanti bħal air studjat fid-dokument huwa tettafsar fi Figura 1. Il-struttura prinkipali tal-kitba tal-RMU adopra skema ta’ kombinazzjoni tas-switċi vacuum u switċi tri-posizzjonali. Il-disposizzjoni tuża skema fejn is-switċi tri-posizzjonali huma posta f’lateral busbar, jew is-switċi tri-posizzjonali huma disposti f’lateral fuq tal-RMU, mentri s-switċi vacuum huma disposti ftit tal-lower permezz ta’ pole insulanti solidu.

Billi s-switċi vacuum huma encapsulated fi l-pole, l-exterior tiegħu huma insulati b’resina epoxy. L-insulanti tal-resina epoxy huwa barbut superjur mal-insulanti tal-air, mhux billi l-mexxej insulanti. Fuqtishom, l-busbar konektanti f’l-aħħar sigurat tal-pole insulanti solidu inkluhu rounded corners, designs curved, u silicone rubber sealing, solvendi problemi tal-partial discharge f’din il-post. Il-clearances insulanti bejn l-busbars u lill-ground huma dissenjati skond requisiti insulanti relevanti u konformi mal-regolamenti.

Il-blade isolanti tas-switċi tri-posizzjonali huwa kompletament dependenti fuq l-medju tal-air għal insulanti. Bħala komponenti moviment, id-disinn strutturali tiegħu inkluhu parti metalici kif pins, springs, disc springs, u retaining rings biex j żid il-prezzjoni tal-kontatt bejn l-isolanti kontatti. Imma, għall-formi speċjali ta’ dawn il-parti metalici, dawn jistgħu jkunu mgħodd tal-kamp elettriku highly non-uniform, miftuħi partial discharge. Dan jippreżenti risk ta’ breakdown discharge, negativament influenzant l-prestazzjoni insulanti f’din il-post. Allura, l-ideat strutturali elettrika hawn huwa partikularment importanti.

Skond requisiti ta’ progettazzjoni tal-prodott, it-triq isolanti għandu ssib power-frequency withstand voltage ta’ 50kV. Il-minimum clearance elettriku git dissenjat bħala 100mm. Fissiderandu l-komplikata struttura tal-blade isolanti, shields gradwali ġew immettu f’dik l-latrali tal-blade isolanti biex jżid uniformità tal-kamp elettriku u jnimmu l-occorrenza tal-partial discharge. Il-model 3D tas-switċi tri-posizzjonali huwa tettafsar fi Figura 2. Skond dan, id-dokument jagħmel simulazzjoni tal-kamp elettriku fit-triq isolanti.

Software finit elementi ġiet emplyjat biex jisimula l-kamp elettriku tal-RMU, analizzandu l-distribuzzjoni tal-intensità tal-kamp elettriku fit-triq isolanti taqsam il-50kV rated short-time power-frequency withstand voltage data. Żewġ scenari għal simulazzjoni tal-kamp elektrostatico ġew definiti:

• ​Skenario 1:​​ Lateral busbar (lateral b’isolanti static contact seat) mekkelu low potential (0V), lateral line (lateral b’isolanti blade head) mekkelu high potential (50kV).
• ​Skenario 2:​​ Lateral busbar (lateral b’isolanti static contact seat) mekkelu high potential (50kV), lateral line (lateral b’isolanti blade head) mekkelu low potential (0V).

L-distribuzzjonijiet tal-kamp elettriku fit-triq isolanti għal ambeddu scenari ġew ottenuti mis-simulazzjoni. L-distribuzzjoni tal-intensità tal-kamp elettriku f’isolanti blade head għas-Skenario 1 huwa tettafsar fi Figura 3, u l-distribuzzjoni tal-intensità tal-kamp elettriku f’isolanti static contact seat għas-Skenario 2 huwa tettafsar fi Figura 4. L-maximum intensità tal-kamp elettriku għas-Skenario 1 huwa f’end tal-shield gradwali, misurant 7.07 kV/mm. L-maximum għas-Skenario 2 huwa f’chamfer tal-isolanti static contact seat, misurant 4.90 kV/mm.

L-critical breakdown electric field strength tal-air taqsam standard conditions huwa ġeneralement 3 kV/mm. Figuri 3 u 4 turi li, waqt li lokali fit-triq isolanti jissovrakkupjaw 3 kV/mm, l-intensità tal-kamp elettriku f’lokali oħra tkun infeqli minn dan l-limit, rendendu unlikely breakdown discharge. Imma, partial discharge se jittveri f’lokali oħra fejn l-intensità tal-kamp elettriku issorrakka 3 kV/mm.

Meta l-air jbidel mill-asciutta għal umida, l-insulanti tiegħu jninfluwxu. L-critical breakdown electric field strength taqsam uniform field conditions jkun infeqli mill-3 kV/mm. Fuqtishom, l-kamp elettriku highly non-uniform jninfluwxu ukoll l-critical breakdown field strength tal-air. Dawn l-fatturi jżidu l-possibilità u l-risk ta’ breakdown. Biex nimmenu l-impat tal-kundizzjonijiet ambientali esterni fuq l-insulanti tal-air u nżidu l-coefficient uniformità tal-kamp elettriku, id-dokument huwa biex jiddetermina l-gradi tal-uniformità tal-kamp elettriku fit-triq isolanti u l-withstand voltage value tal-gap. Dan serva bħal base biex nżidu l-insulanti tal-gap isolanti.

​3 Karatteristiċi tal-Insulanti tal-Air​

​3.1 Determinazzjoni tal-Coefficient Non-Uniformità tal-Kamp Elettriku​

Kamps elettriku perfettamente uniformi ma jkunux reali; kull kamp elettriku huwa non-uniform. Skond il-coefficient non-uniformità f, kamps elettriku jkunu klassifikati fis-silġ tipi: kamps elettriku slightly non-uniform meta f ≤ 4; u kamps elettriku extremely non-uniform meta f > 4. Il-coefficient non-uniformità tal-kamp elettriku f huwa determinat skond f = E_max / E_avg, fejn E_max huwa l-intensità massima tal-kamp elettriku lokal, ottenuta mis-simulazzjoni, u E_avg huwa l-intensità media tal-kamp elettriku, kalkulata skont il-volttagġ applicat diviso il-minimum clearance elettriku.

Mill-Figura 3, E_max = 7.07 kV/mm u E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Allura, il-coefficient non-uniformità għal isolanti gap f = 14.14 > 4, klassifikandu bħala kamp extremely non-uniform. Fenomeni partial discharge stable jistgħu jwasslu wara kamps extremely non-uniform. Iktar non-uniform huwa, aktar prominent huwa l-partial discharge, u akbar huwa l-magnitud tal-discharge. Għal 12kV RMU, il-requirement huwa li l-total partial discharge tal-kabinet kollu jkun infeqli mill-20pC. Infeqli l-coefficient non-uniformità f huwa beneficju biex jnimmu l-magnitud tal-partial discharge.

​3.2 Determinazzjoni tal-Withstand Voltage tal-Air​

Il-coefficient non-uniformità jaffetta l-withstand voltage tal-air asciutta. Meta l-kamp huwa slightly non-uniform, l-withstand voltage huwa:
​Formula (1)​​

Fejn:

• U huwa l-withstand voltage.
• d huwa l-minimum clearance elettriku bejn l-electrodes.
• k huwa factor reliabilità, tipikament ranging mill-1.2 sa 1.5 skont l-esperjenza.
• E₀ huwa l-breakdown electric field strength tal-gas. Praktikament, din il-valur relazjonat mal-structura tal-electrode. L-breakdown electric field strength tal-air varja skont differenti structuri tal-electrode u clearances. Għal analisi komparattiva fid-dokument, E₀ = 3 kV/mm set tentativament.

Mill-Formula (1), infeqli l-minimum clearance elettriku d jew infeqli l-coefficient non-uniformità f jistgħu jżidu l-withstand voltage tal-air. Meta l-kamp huwa extremely non-uniform, għal electrodes b’massimum clearance elettriku d approssimativament 100mm, l-withstand voltage huwa determinat skont:
​Formula (2)​​

Fejn U_50%(d) huwa l-lightning impulse 50% breakdown voltage għal l-electrode b’clearance elettriku d. Fi kamps extremely non-uniform, l-breakdown voltage tispilla significantemente u timp tal-discharge huwa long, rendendu highly unstable.

Fi prattika ingegnerika, U_50%(d) huwa determinat permezz ta’ multiple lightning impulse tests: il-volttagġ applicat fejn l-breakdown occors b’probabilità ta’ 50% huwa definit bħala U_50%(d). Din il-valur dipendi mill-structura tal-prodott u l-gradi tal-uniformità tal-kamp. Huwa stabilizzat li infeqli l-coefficient non-uniformità resulta f’ispilla minor tal-breakdown voltage, l-breakdown voltage huwa akbar, u consequentemente, l-withstand voltage huwa akbar. Allura, infeqli l-coefficient non-uniformità f jżidu l-withstand voltage tal-gap isolanti.

​4 Ottimizzazzjoni Strutturali​

Biex jżidu l-uniformità tal-kamp elettriku quddiem l-isolanti blade head u jnimmu l-coefficient non-uniformità, struttura tal-shield gradwali ġiet ottimizzata.

Qis bil-design originali, l-shield gradwali ottimizzat inkluhu end thickened b’design rounded corner. Il-radius tal-fillet inkreasa mill-0.75mm sa 4mm, jżidu l-curvature radius f’din l-area, beneficju biex jassiguraw l-uniformità tal-distribuzzjoni tal-kamp elettriku. L-distribuzzjoni tal-intensità tal-kamp elettriku f’isolanti blade head ottimizzat huwa tettafsar fi Figura 7. Il-figura turi li l-maximum intensità tal-kamp elettriku f’din l-area huwa issa 3.66 kV/mm, circa half tal-valur qabel l-ottimizzazzjoni, indikanti impruvament significanti.

Skond l-formola f = E_max / E_avg, il-coefficient non-uniformità tal-kamp elettriku wara l-ottimizzazzjoni huwa 7.32. Qis bil-status pre-optimizzazzjoni, din il-valur infeqlit sa circa half. L-uniformità tal-kamp elettriku quddiem l-isolanti blade head infeqlit ukoll signifikant, demonstranti l-ragjunevolità tal-ottimizzazzjoni strutturali.

Il-structura tal-shield gradwali ottimizzat verament jnimmu l-risk ta’ breakdown discharge fit-triq isolanti. Imma, l-kamp elettriku fit-triq riman extremely non-uniform, u l-withstand voltage huwa jkun determinat skont U_50%(d). L-ammont ta’ l-increment ta’ l-withstand voltage għandu jiddetermina permezz ta’ testi successivi.

​5 Konklussjoni​

Tra l-analisi tal-kamp elettriku fit-triq isolanti f’12kV RMU ta’ insulanti bħal air, id-dokument raggiungit l-konklussjonijiet seguenti:

1. Għall-insulanti inferiori tal-air rispetto tas-SF6, l-użu tal-air għal insulanti f’switċi tri-posizzjonali f’RMUs richiedu l-improvement tal-distribuzzjoni tal-kamp elettriku biex jżidu l-insulanti.
2. Għall-komplikata struttura tal-komponenti moviment (l-isolanti blade) f’switċi tri-posizzjonali ta’ RMUs ta’ insulanti bħal air, l-distribuzzjoni tal-intensità tal-kamp elettriku f’lokali oħra jistgħu jkunu highly non-uniform. Biex jnimmu l-non-uniformità, shields gradwali jistgħu jiġu aggiunti f’dik l-latrali tal-isolanti blade biex jshieldjaw l-intensità tal-kamp elettriku quddiem l-ends tal-connectors tal-blade, shiftandu l-maximum local field intensity f’ends tal-shields gradwali. Id-dokument inkreasa l-curvature radius tal-end tal-shield gradwali mill-0.75mm sa 4mm. Din infeqlit l-maximum local electric field intensity u l-coefficient non-uniformità sa circa half ta’ dawn l-originali, raggiungint il-desiderat effekt.
3. Il-gradi tal-uniformità tal-kamp elettriku, jew l-coefficient non-uniformità, affetta significantement l-partial discharge u l-breakdown discharge. Kamps extremely non-uniform jistgħu jwasslu għal partial discharge stable (corona discharge). Għal ambeddi kamps slightly u extremely non-uniform, infeqli l-coefficient non-uniformità korrispondi għal infeqli l-withstand voltage bejn l-electrodes.