Optimaliseringsdesign for 12kV luftisoleret ringhovedenhet for å redusere sannsynligheten for brytningslyseutslipp

Med rask utvikling av kraftindustrien har økologisk konsept med lavt karbonutslipp, energibesparelse og miljøvern blitt dypintegrasert i designet og produksjonen av kraftforsyning og distribusjon av elektriske produkter. Ring Main Unit (RMU) er et nøkkellektrisk enhet i distribusjonsnettverk. Sikkerhet, miljøvennlighet, driftsikkerhet, energieffektivitet og økonomi er uunngåelige trender i dens utvikling. Tradisjonelle RMUs representeres hovedsakelig av SF6-gassisolerte RMUs. På grunn av SF6 sin fremragende bueutslettende evne og høy isolasjonsegenskap, har de blitt vidt anvendt. Imidlertid forårsaker SF6 drivhuseffekt. Med økende reguleringspress på drivhusgasser, har utviklingen av miljøvennlige gassisolerte RMUs som alternativ til SF6 blitt en nødvendig trend.

For tiden inkluderer miljøvennlige gassisolerte RMUs nitrogenisolerte RMUs og tørreluftisolerte RMUs. Litteraturen har introdusert disse alternativene. I sammenligning med SF6s isolasjonskapasitet, er isolasjonskapasiteten til nitrogen og tørreluft bare omtrent en tredjedel. Derfor er det spesielt viktig å sikre at den totale isolasjonsprestasjonen av RMU og dens interne skruer ikke blir kompromissert på grunn av redusert isolasjonsprestasjon av mediumet, samtidig som det eksisterende kabinettrurommet beholdes. Dette reflekteres hovedsakelig i designet av intern elektrisk struktur og isolasjonsstruktur. Et fornuftig elektrisk og isolasjonsstrukturdesign kan kompensere for mangelen på mediumets prestanda.

Denne artikkelen fokuserer på en isoleringskløft innenfor en bestemt 12kV luftisolert RMU. Den analyserer nærme feltfordeling og dess jevnhet, vurderer isolasjonsprestasjonen på dette stedet, og utfører strukturell optimalisering for å redusere sannsynligheten for lading og forbedre isolasjonsprestasjon. Studiet har som mål å gi referanse for isolasjonsdesignet av lignende produkter.

​1 Struktur av luftisolert RMU​

Den tredimensjonale strukturmodellen av luftisolert RMU studert i denne artikkelen vises i figur 1. Hovedkretsen i RMU bruker en kombinasjon av vakuumskru og tresidig skru. Oppsettet bruker en metode der tresidig skru er plassert på busbar-siden, altså er tresidig skru plassert på den øvre siden av RMU, mens vakuumskru er plassert på den nedre siden via en solid isolert stolpe.

Siden vakuumskru er innskrevet i stolpen, er dens ytre side isolert av epoksyresin. Epoksyresins isolasjonskapasitet er langt overlegen til luft, slik at isolasjonskrav blir oppfylt. Videre inneholder forbinderbusbar ved den segrede enden av den solide isolerte stolpen rundede hjørner, kurvede design og silikonkautsjuksealing, løser delvis ladingproblemer på dette punktet. Isolasjonskløfter mellom busbars og til bakken er designet i henhold til relevante isolasjonskrav og er i samsvar med forskrifter.

Isoleringsbladet av tresidig skru støttes fullstendig av luftmedium for isolasjon. Som en bevegelig koblingskomponent, inkluderer dens strukturdesign metalldele som nyp, fjær, diskfjær og rette ring for å forbedre kontakttrykket mellom isoleringskontakter. Men på grunn av de spesielle formene til disse metalldele, kan de føre til sterkt ujevnt feltfordeling, utløser delvis lading. Dette utgjør risiko for nedbrytningslading, som negativt påvirker isolasjonsprestasjonen på dette stedet. Derfor er elektrisk strukturdesign her spesielt viktig.

I henhold til produkt-designkrav, må isoleringskløften standholde en angitt korttidspådragbar frekvensmessig støytspenning på 50kV. Minste elektriske kløft for isoleringskløften er designet som 100mm. Gitt kompleksiteten av isoleringsbladstrukturen, ble graderte skjold lagt til på begge sider av isoleringsbladet for å forbedre feltjevnhet og redusere forekomsten av delvis lading. Tredimensjonell modell av tresidig skru vises i figur 2. I tråd med dette, utfører denne artikkelen feltanalyse på isoleringskløften.

Endelementprogramvare ble brukt til å simulere feltet av RMU, analysere feltintensitetsfordelingen over isoleringskløften under den gitte 50kV angitte korttidspådragbare frekvensmessige støytspenningen. To scenarier for elektrostatisk feltsimulering ble definert:

• ​Scenario 1:​​ Busbar-side (side med statisk kontaktsete for isolering) koblet til lav potensial (0V), linjeside (side med isoleringsblad-hode) koblet til høyt potensial (50kV).
• ​Scenario 2:​​ Busbar-side (side med statisk kontaktsete for isolering) koblet til høyt potensial (50kV), linjeside (side med isoleringsblad-hode) koblet til lav potensial (0V).

Feltfordelingene på lokasjonen med maksimal feltintensitet innenfor isoleringskløften for begge scenariene ble funnet fra simuleringen. Feltintensitetsfordelingen ved isoleringsblad-hodet for Scenario 1 vises i figur 3, og den ved statisk kontaktsete for isolering for Scenario 2 vises i figur 4. Maksimal feltintensitet i Scenario 1 forekommer ved enden av graderte skjold, målt 7,07 kV/mm. Maksimal i Scenario 2 er ved avrundingen av statisk kontaktsete for isolering, målt 4,90 kV/mm.

Kritisk nedbrytningsfeltstyrke for luft under standardforhold er generelt 3 kV/mm. Figurer 3 og 4 viser at selv om lokale områder innenfor isoleringskløften overstiger 3 kV/mm, forblir feltintensiteten i andre områder under denne terskelen, gjør nedbrytningslading usannsynlig. Imidlertid vil delvis lading forekomme i lokal posisjon hvor feltstyrken overstiger 3 kV/mm.

Når luft endrer seg fra tørr til fuktig, minsker dens isolasjonskapasitet. Kritisk nedbrytningsfeltstyrke under jevnt feltforhold faller under 3 kV/mm. I tillegg, ekstremt ujevnt feltfordeling også senker lufts kritiske nedbrytningsfeltstyrke. Begge faktorer øker muligheten og risikoen for nedbrytning. For å mildre effekten av eksterne miljøforhold på luftisoleringmedium og forbedre jevnhetskoeffisienten for feltet, har denne artikkelen som mål å fastsette graden av jevnhet i feltet over isoleringskløften og utståelsesspenningen for kløften. Dette tjener som grunnlag for å forbedre isolasjonskapasiteten av isoleringskløften.

​3 Luftisoleringsegenskaper​

​3.1 Fastsetting av feltuavhengighetskoeffisient​

Perfekt jevne felt finnes ikke i praksis, alle felt er ujevne. Basert på uavhengighetskoeffisient f, deles felt inn i to typer: litt ujevne felt når f ≤ 4, og ekstremt ujevne felt når f > 4. Feltuavhengighetskoeffisient f fastsettes av f = E_max / E_avg, hvor E_max er lokal maksimal feltstyrke, som kan hentes fra simuleringsresultater, og E_avg er gjennomsnittlig feltstyrke, beregnet som den pådragne spenningen delt på minste elektriske kløft.

Fra figur 3, E_max = 7,07 kV/mm og E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Derfor er uavhengighetskoeffisienten for isoleringskløften f = 14,14 > 4, klassifiserer det som et ekstremt ujevnt felt. Stabile delvis ladningsfenomener kan danne seg nær ekstremt ujevne felt. Jo større grad av ujevnhet, jo mer markert delvis lading, og jo større ladeomfang. For en 12kV RMU, kreves det at total delvis lading av hele kabinetet skal være mindre enn 20pC. Redusere uavhengighetskoeffisient f er nyttig for å redusere delvis ladeomfang.

​3.2 Fastsetting av lufts utståelsesspenning​

Uavhengighetskoeffisienten påvirker utståelsesspenningen av tørr luft. Når feltet er litt ujevnt, er utståelsesspenningen:
​Formel (1)​​

Der:

• U er utståelsesspenningen.
• d er minste elektriske kløft mellom elektroder.
• k er en pålitelighetsfaktor, typisk varierer fra 1,2 til 1,5 basert på erfaring.
• E₀ er gassnedbrytningsfeltstyrken. I praksis, denne verdien relatert til elektrodstrukturen. Lufts nedbrytningsfeltstyrke varierer under ulike elektrodstrukturene og kløfter. For sammenlignende analyse i denne artikkelen, E₀ = 3 kV/mm er midlertidig satt.

Fra Formel (1), øke minste elektriske kløft d eller redusere uavhengighetskoeffisient f kan forbedre lufts utståelsesspenning. Når feltet er ekstremt ujevnt, for elektroder med minste kløft d rundt 100mm, er utståelsesspenningen bestemt av:
​Formel (2)​​

Hvor U_50%(d) er lynimpuls 50% nedbrytningspenning for elektroden med elektrisk kløft d. I ekstremt ujevne felt, viser nedbrytningspenning betydelig dispersjon og lang ladeutfasningstid, gjør det svært ustabil.

I ingeniørpraksis, U_50%(d) fastsettes gjennom flere lynimpulstester: den pådragne spenningen der nedbrytning forekommer med 50% sannsynlighet defineres som U_50%(d). Denne verdien avhenger av produktstrukturen og graden av feltjevnhet. Det er etablert at en lavere uavhengighetskoeffisient resulterer i mindre nedbrytningspenningdispersjon, høyere nedbrytningspenning, og deretter høyere utståelsesspenning. Derfor, redusere uavhengighetskoeffisient f forbedrer utståelsesspenningen av isoleringskløften.

​4 Strukturell optimalisering​

For å forbedre jevnheten av feltet rundt isoleringsblad-hodet og redusere uavhengighetskoeffisienten, ble graderte skjoldstruktur optimalisert.

Sammenlignet med det opprinnelige designet, har den optimaliserte graderte skjold en forstyrket ende med avrundet hjørnedesign. Filletradiusen ble økt fra 0,75mm til 4mm, forbedrer kurveradiusen i dette området, som gir mer jevnt feltfordeling. Feltintensitetsfordelingen ved den optimaliserte isoleringsblad-hodet vises i figur 7. Figuren viser at maksimal feltintensitet på dette stedet nå er 3,66 kV/mm, omtrent halvparten av verdien før optimalisering, indikerer signifikant forbedring.

Basert på formelen f = E_max / E_avg, er feltuavhengighetskoeffisienten etter optimalisering 7,32. Sammenlignet med for-optimaliseringstillstanden, er denne verdien redusert til omtrent halvparten. Jevnheten av feltet nær isoleringsblad-hodet har også signifikant forbedret, demonstrerer rimeligheten av strukturell optimalisering.

Det optimaliserte graderte skjoldstrukturen reduserer virkelig risikoen for nedbrytningslading over isoleringskløften. Imidlertid forblir feltet over kløften ekstremt ujevnt, og dens utståelsesspenning er fortsatt bestemt av U_50%(d). Grad av utståelsesspenning kan økes må bli bestemt gjennom senere felttester.

​5 Konklusjon​

Gjennom feltanalyse av isoleringskløften i en 12kV luftisolert RMU, nådde denne artikkelen følgende konklusjoner:

1. På grunn av dårligere isolasjonskapasitet av luft sammenlignet med SF6, krever bruk av luft for isolasjon i tresidig skru innenfor RMUs forbedring av feltfordeling for å forbedre isolasjonskapasiteten.
2. På grunn av strukturell kompleksitet av bevegelige deler (isoleringsblad) innenfor tresidig skru av luftisolert RMU, kan feltintensitetsfordelingen på lokale posisjoner bli ekstremt ujevn. For å redusere ujevnhet, kan graderte skjold legges til på begge sider av isoleringsbladet for å skjule feltintensiteten nær endene av bladkoblinger, flytte maksimal lokal feltintensitet til endene av graderte skjold. Denne artikkelen økte kurveradiusen av graderte skjold-enden fra 0,75mm til 4mm. Dette reduserte både maksimal lokal feltintensitet og uavhengighetskoeffisient til omtrent halvparten av originalverdiene, oppnåddes ønsket effekt.
3. Grad av feltjevnhet, eller uavhengighetskoeffisient, påvirker betydelig delvis lading og nedbrytningslading. Ekstremt ujevne felt lett fører til stabil delvis lading (korona-lading). For både litt og ekstremt ujevne felt, høyere uavhengighetskoeffisient tilsvarer lavere utståelsesspenning mellom de to elektrodene.