Optimalisatiedesignschema voor de 12kV luchtgeïsoleerde ringhoofdschakelaar om de kans op doorbraakontlading te verkleinen

Met de snelle ontwikkeling van de energie-industrie is het ecologische concept van laag-koolstof, energiebesparing en milieubescherming diep geïntegreerd in het ontwerp en de productie van elektrische stroomvoorzienings- en distributieproducten. De Ring Main Unit (RMU) is een belangrijk elektrisch apparaat in distributienetwerken. Veiligheid, milieuvriendelijkheid, operationele betrouwbaarheid, energie-efficiëntie en economie zijn onvermijdelijke trends in haar ontwikkeling. Traditionele RMU's worden voornamelijk vertegenwoordigd door SF6-gasgeïsoleerde RMU's. Vanwege de uitstekende boogdoof- en hoge isolatie-eigenschappen van SF6, zijn ze wijdverspreid gebruikt. Echter, SF6 veroorzaakt de broeikaseffect. Met toenemende regelgevende druk op broeikasgassen, is het ontwikkelen van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's als alternatief voor SF6 een noodzakelijke trend geworden.

Momenteel omvatten milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's stikstofgeïsoleerde RMU's en droog-luchtgeïsoleerde RMU's. Literatuur heeft deze opties geïntroduceerd. In vergelijking met de isolatiecapaciteit van SF6, is die van stikstof en droge lucht slechts ongeveer een derde. Daarom is het bijzonder cruciaal om ervoor te zorgen dat de algemene isolatieprestaties van de RMU en de interne schakelaars niet worden aangetast door de verminderde isolatieprestaties van het medium, terwijl de bestaande kastruimte behouden blijft. Dit wordt vooral weerspiegeld in het ontwerp van de interne elektrische structuur en isolatiestructuur. Een redelijk elektrisch en isolatiestructuurontwerp kan de tekortkomingen van de isolatiemediumprestaties compenseren.

Dit artikel richt zich op een isolatiegap in een bepaalde 12kV luchtgeïsoleerde RMU. Het analyseert de nabije elektrisch veldverdeling en de uniformiteit daarvan, evalueert de isolatieprestaties op deze locatie en voert structurele optimalisatie uit om de kans op ontlading te verkleinen en de isolatieprestaties te verbeteren. Het doel van de studie is om een referentie te bieden voor het isolatieontwerp van soortgelijke producten.

​1 Structuur van de Luchtgeïsoleerde RMU​

Het 3D-structurele model van de luchtgeïsoleerde RMU die in dit artikel wordt bestudeerd, is weergegeven in Figuur 1. De hoofdcircuitstructuur van de RMU maakt gebruik van een schema waarbij een vacuümschakelaar en een drie-standsschakelaar worden gecombineerd. De indeling maakt gebruik van een schema waarbij de drie-standsschakelaar zich aan de busbarzijde bevindt, d.w.z. de drie-standsschakelaar is gerangschikt aan de bovenkant van de RMU, terwijl de vacuümschakelaar via een massieve geïsoleerde paal aan de onderkant is gerangschikt.

Aangezien de vacuümschakelaar binnen de paal is ingekapseld, is de buitenkant geïsoleerd met epoxyhars. De isolatiecapaciteit van epoxyhars is verreweg superieur aan die van lucht, waardoor de isolatie-eisen worden voldaan. Bovendien bevat de verbindingsbusbar aan de verzegelde kant van de massieve geïsoleerde paal afgeronde hoeken, gebogen ontwerpen en siliconerubberafsluitingen, waarmee partiële ontladingsproblemen op dit punt worden opgelost. De isolatieafstanden tussen busbars en naar de grond zijn ontworpen volgens relevante isolatie-eisen en voldoen aan voorschriften.

De isolatieblade van de drie-standsschakelaar vertrouwt volledig op de lucht als isolatiemedium. Als beweeglijk verbindingsonderdeel bevat het structuurontwerp metalen delen zoals pinnen, veren, plaatveren en circlips om de contactdruk tussen isolatiecontacten te versterken. Echter, vanwege de speciale vormen van deze metalen delen, kunnen ze een sterk onevenwichtige elektrisch veldverdeling veroorzaken, wat partiële ontlading kan veroorzaken. Dit brengt een risico met zich mee van doorbraakontlading, wat de isolatieprestaties op deze locatie negatief beïnvloedt. Daarom is het elektrisch structuurontwerp hier bijzonder belangrijk.

Volgens de productontwerpeisen moet de isolatiegap een genoemd kortstondig netfrequentie-isolatiedruk van 50kV kunnen weerstaan. De minimale elektrische afstand voor de isolatiegap is ontworpen als 100mm. Rekening houdend met de complexiteit van de isolatiebladestructuur, zijn gradatie-schilden aan beide zijden van de isolatieblade toegevoegd om de elektrisch velduniformiteit te verbeteren en de kans op partiële ontlading te verkleinen. Het 3D-model van de drie-standsschakelaar is weergegeven in Figuur 2. Overeenkomstig voert dit artikel een elektrisch veldsimulatieanalyse uit op de isolatiegap.

Eindige elementensoftware werd gebruikt om het elektrisch veld van de RMU te simuleren, met als doel de elektrisch veldintensiteitsverdeling over de isolatiegap te analyseren onder de gegeven 50kV genoemde kortstondige netfrequentie-isolatiedruk. Twee scenario's voor elektrostatische veldsimulatie werden gedefinieerd:

• ​Scenario 1:​​ Busbarzijde (zijde met de statische isolatiecontactzetel) verbonden met lage potentie (0V), lijnzijde (zijde met de isolatiebladekop) verbonden met hoge potentie (50kV).
• ​Scenario 2:​​ Busbarzijde (zijde met de statische isolatiecontactzetel) verbonden met hoge potentie (50kV), lijnzijde (zijde met de isolatiebladekop) verbonden met lage potentie (0V).

De elektrisch veldverdelingen op de locatie van de maximale elektrisch veldintensiteit binnen de isolatiegap voor beide scenario's werden verkregen uit de simulatie. De elektrisch veldintensiteitsverdeling op de isolatiebladekop voor Scenario 1 is weergegeven in Figuur 3, en die op de statische isolatiecontactzetel voor Scenario 2 is weergegeven in Figuur 4. De maximale elektrisch veldintensiteit in Scenario 1 treedt op aan het einde van de gradatie-schild, met 7,07 kV/mm. De maximale in Scenario 2 is aan de afgeronde hoek van de statische isolatiecontactzetel, met 4,90 kV/mm.

De kritische doorbraakelektrisch veldsterkte voor lucht onder standaardomstandigheden is meestal 3 kV/mm. Figuur 3 en 4 laten zien dat hoewel lokale gebieden binnen de isolatiegap 3 kV/mm overschrijden, de veldsterkte in andere gebieden onder deze drempel blijft, waardoor doorbraakontlading onwaarschijnlijk is. Echter, partiële ontlading zal optreden op de lokale posities waar de veldsterkte 3 kV/mm overschrijdt.

Wanneer lucht van droog naar vochtig verandert, neemt de isolatiecapaciteit af. De kritische doorbraakelektrisch veldsterkte onder uniforme veldomstandigheden daalt onder 3 kV/mm. Bovendien vermindert een extreem onevenwichtig elektrisch veld ook de kritische doorbraakelektrisch veldsterkte van lucht. Beide factoren verhogen de mogelijkheid en het risico van doorbraak. Om de impact van externe omgevingscondities op het luchtisolatiemedium te verminderen en de uniformiteitscoëfficiënt van het elektrisch veld te verbeteren, beoogt dit artikel de graad van uniformiteit van het elektrisch veld over de isolatiegap en de weerstandsdrukwaarde van de gap te bepalen. Dit dient als basis voor het verbeteren van de isolatiecapaciteit van de isolatiegap.

​3 Luchtijsolatiekenmerken​

​3.1 Bepaling van de Elektrisch Veldnon-uniformiteitscoëfficiënt​

Perfect uniforme elektrische velden bestaan in de praktijk niet; alle elektrische velden zijn non-uniform. Op basis van de non-uniformiteitscoëfficiënt f, worden elektrische velden ingedeeld in twee typen: licht non-uniforme elektrische velden wanneer f ≤ 4; en extreem non-uniforme elektrische velden wanneer f > 4. De elektrisch veldnon-uniformiteitscoëfficiënt f wordt bepaald door f = E_max / E_avg, waarbij E_max de lokale maximale elektrisch veldsterkte is, verkrijgbaar uit simulatieresultaten, en E_avg de gemiddelde elektrisch veldsterkte is, berekend als de aangebrachte spanning gedeeld door de minimale elektrische afstand.

Uit Figuur 3, E_max = 7,07 kV/mm en E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Dus de non-uniformiteitscoëfficiënt voor de isolatiegap f = 14,14 > 4, waardoor het wordt geclassificeerd als een extreem non-uniform veld. Stabiele partiële ontladingsverschijnselen kunnen zich vormen in de buurt van extreem non-uniforme velden. Hoe groter de mate van non-uniformiteit, hoe duidelijker de partiële ontlading en hoe groter de ontladingsgrootte. Voor een 12kV RMU is de vereiste dat de totale partiële ontlading van de hele kast minder dan 20pC moet zijn. Het verminderen van de non-uniformiteitscoëfficiënt f is gunstig voor het verminderen van de partiële ontladingsgrootte.

​3.2 Bepaling van de Luchtweerstandsdruk​

De non-uniformiteitscoëfficiënt beïnvloedt de weerstandsdruk van droge lucht. Wanneer het veld licht non-uniform is, is de weerstandsdruk:
​Formule (1)​​

Waar:

• U is de weerstandsdruk.
• d is de minimale elektrische afstand tussen de elektroden.
• k is een betrouwbaarheidsfactor, meestal variërend van 1,2 tot 1,5 op basis van ervaring.
• E₀ is de gasdoorbraakelektrisch veldsterkte. In de praktijk hangt deze waarde af van de elektrodestructuur. De lucht-doorbraakelektrisch veldsterkte varieert onder verschillende elektrodestructuren en afstanden. Voor vergelijkende analyse in dit artikel is E₀ = 3 kV/mm tijdelijk ingesteld.

Uit Formule (1) kan de minimale elektrische afstand d vergroot worden of de non-uniformiteitscoëfficiënt f verlaagd worden om de weerstandsdruk van lucht te verbeteren. Wanneer het veld extreem non-uniform is, voor elektroden met een minimale afstand d rond 100mm, wordt de weerstandsdruk bepaald door:
​Formule (2)​​

Waar U_50%(d) de bliksemimpuls 50% doorbraakspanning is voor de elektrode met een elektrische afstand d. In extreem non-uniforme velden toont de doorbraakspanning significante spreiding en een lange ontladingsvertraging, waardoor het zeer instabiel is.

In de ingenieurspraktijk wordt U_50%(d) bepaald door meerdere bliksemimpulstests: de aangebrachte spanning waarmee een doorbraak optreedt met een 50% kans wordt gedefinieerd als U_50%(d). Deze waarde hangt af van de productstructuur en de mate van velduniformiteit. Het is vastgesteld dat een lagere non-uniformiteitscoëfficiënt resulteert in kleinere doorbraakspanningspreiding, hogere doorbraakspanning en daardoor een hogere weerstandsdruk. Dus het verminderen van de non-uniformiteitscoëfficiënt f verbetert de weerstandsdruk van de isolatiegap.

​4 Structuur Optimalisatie​

Om de uniformiteit van het elektrisch veld rond de isolatiebladekop te verbeteren en de non-uniformiteitscoëfficiënt te verlagen, werd de gradatie-schildstructuur geoptimaliseerd.

In vergelijking met het originele ontwerp, heeft de geoptimaliseerde gradatie-schild een verdikte uiteinde met een afgeronde hoekontwerp. De straal van de afgeronde hoek werd verhoogd van 0,75 mm naar 4 mm, waardoor de kromtestraal in dit gebied wordt verbeterd, wat bijdraagt aan een meer uniforme veldverdeling. De elektrisch veldintensiteitsverdeling op de geoptimaliseerde isolatiebladekop is weergegeven in Figuur 7. De figuur laat zien dat de maximale elektrisch veldintensiteit op deze locatie nu 3,66 kV/mm is, ongeveer de helft van de waarde voor de optimalisatie, wat een significant verbetering aantoont.

Op basis van de formule f = E_max / E_avg, is de elektrisch veldnon-uniformiteitscoëfficiënt na optimalisatie 7,32. In vergelijking met de pre-optimalisatie staat, is deze waarde ongeveer gehalveerd. De uniformiteit van het elektrisch veld in de buurt van de isolatiebladekop is ook aanzienlijk verbeterd, wat de redelijkheid van de structuur optimalisatie aantoont.

De geoptimaliseerde gradatie-schildstructuur vermindert inderdaad het risico van doorbraakontlading over de isolatiegap. Echter, het elektrisch veld over de gap blijft extreem non-uniform, en de weerstandsdruk wordt nog steeds bepaald door U_50%(d). De mate waarin de weerstandsdruk kan worden verhoogd moet worden bepaald door latere veldtests.

​5 Conclusie​

Door middel van elektrisch veldanalyse van de isolatiegap in een 12kV luchtgeïsoleerde RMU, bereikte dit artikel de volgende conclusies:

1. Vanwege de inferieure isolatiecapaciteit van lucht ten opzichte van SF6, vereist het gebruik van lucht als isolatiemedium in de drie-standsschakelaar binnen RMU's het verbeteren van de elektrisch veldverdeling om de isolatiecapaciteit te verhogen.
2. Vanwege de structuurcomplexiteit van beweeglijke onderdelen (de isolatieblade) binnen de drie-standsschakelaar van luchtgeïsoleerde RMU's, kan de elektrisch veldintensiteitsverdeling op lokale posities sterk non-uniform worden. Om de non-uniformiteit te verkleinen, kunnen gradatie-schilden aan beide zijden van de isolatieblade worden toegevoegd om de elektrisch veldintensiteit in de buurt van de uiteinden van de blade-connectoren te schermen, waardoor de maximale lokale veldintensiteit verschuift naar de uiteinden van de gradatie-schilden. Dit artikel verhoogde de kromtestraal van de uiteinden van de gradatie-schilden van 0,75 mm naar 4 mm. Dit verlaagde zowel de maximale lokale elektrisch veldintensiteit als de non-uniformiteitscoëfficiënt tot ongeveer de helft van hun oorspronkelijke waarden, waarmee het gewenste effect werd bereikt.
3. De mate van elektrisch velduniformiteit, of de non-uniformiteitscoëfficiënt, beïnvloedt aanzienlijk partiële en doorbraakontlading. Extreem non-uniforme velden leiden gemakkelijk tot stabiele partiële ontlading (corona-ontlading). Zowel voor licht als extreem non-uniforme velden correspondeert een hogere non-uniformiteitscoëfficiënt met een lagere weerstandsdruk tussen de twee elektroden.