Optymalizacja projektu izolacyjnej luki w łączniku pierścieniowym z powietrzną izolacją na napięcie 12kV w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa przepięć

Wraz z szybkim rozwojem przemysłu energetycznego, ekologiczne koncepcje niskowęglowe, oszczędzające energię i ochrony środowiska zostały głęboko zintegrowane w projektowanie i produkcję urządzeń elektrycznych do dystrybucji i rozdziału energii. Jednostka pierścieniowa (RMU) jest kluczowym urządzeniem elektrycznym w sieciach dystrybucji. Bezpieczeństwo, ochrona środowiska, niezawodność działania, efektywność energetyczna i ekonomia są nieuniknionymi trendami w jej rozwoju. Tradycyjne RMU są głównie reprezentowane przez gazowe RMU izolowane SF6. Dzięki doskonałej zdolności gaszenia łuku i wysokiej wydajności izolacyjnej, były szeroko stosowane. Jednak SF6 powoduje efekt cieplarniany. W związku ze wzrastającym regulacyjnym naciskiem na gazy cieplarniane, rozwój ekologicznie przyjaznych gazowych RMU jako alternatywy dla SF6 stało się koniecznym trendem.

Obecnie, ekologicznie przyjazne gazowe RMU obejmują RMU izolowane azotem i RMU izolowane suchym powietrzem. Literatura przedstawiła te opcje. W porównaniu do zdolności izolacyjnej SF6, zdolność izolacyjna azotu i suchego powietrza wynosi tylko około jednej trzeciej. Dlatego szczególnie ważne jest zapewnienie, aby ogólne właściwości izolacyjne RMU i jego wewnętrznego przełącznika nie uległy pogorszeniu z powodu obniżonej wydajności środka izolacyjnego, jednocześnie zachowując istniejącą przestrzeń szafy. To jest głównie odzwierciedlone w projekcie wewnętrznego układu elektrycznego i struktury izolacyjnej. Rzetelny projekt układu elektrycznego i izolacyjnego może kompensować niedostatki wydajności środka izolacyjnego.

Ten artykuł skupia się na przerwie izolacyjnej w określonym 12kV RMU izolowanym powietrzem. Analizuje on rozkład pola elektrycznego w okolicy i jego jednorodność, ocenia właściwości izolacyjne w tym miejscu oraz przeprowadza optymalizację strukturalną, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo rozładowania i poprawić właściwości izolacyjne. Badanie ma na celu dostarczenie odniesienia dla projektowania izolacji podobnych produktów.

​1 Struktura RMU izolowanego powietrzem​

Trójwymiarowy model strukturalny RMU izolowanego powietrzem badanego w tym artykule przedstawiony jest na Rysunku 1. Główna struktura obwodu RMU wykorzystuje schemat połączenia wyłącznika próżniowego i trójpołożeniowego przełącznika. Układ przewiduje umieszczenie trójpołożeniowego przełącznika po stronie szyny, tj. trójpołożeniowy przełącznik jest umieszczony na górnej części RMU, podczas gdy wyłącznik próżniowy jest umieszczony na dolnej części za pomocą biegunu izolowanego stałą izolacją.

Ponieważ wyłącznik próżniowy jest zamknięty w biegunie, jego zewnętrzna izolacja wykonana jest z żywicy epoksydowej. Właściwości izolacyjne żywicy epoksydowej znacznie przewyższają te powietrza, co spełnia wymagania izolacyjne. Ponadto, łącząca szyna na szczelnej końcówce biegunu izolowanego stałą izolacją posiada zaokrąglone krawędzie, zakrzywione kształty i uszczelnienie z silikonowej gumy, co rozwiązuje problem lokalnego rozładowania w tym punkcie. Izolacyjne odstępy między szynami i do ziemi zaprojektowano zgodnie z odpowiednimi wymaganiami izolacyjnymi i są zgodne z przepisami.

Ostrze izolujące trójpołożeniowego przełącznika opiera się całkowicie na powietrzu jako medium izolacyjnym. Jako ruchoma część łącząca, jego struktura projektowa zawiera metalowe elementy, takie jak kolce, sprężyny, dyskowe sprężyny i obręcze, aby wzmocnić ciśnienie kontaktowe między kontaktami izolującymi. Jednak ze względu na specjalne kształty tych metalowych elementów mogą one powodować bardzo niejednorodny rozkład pola elektrycznego, prowadzący do lokalnego rozładowania. To stanowi ryzyko zwarcia, negatywnie wpływając na właściwości izolacyjne w tym miejscu. Dlatego projekt układu elektrycznego tutaj jest szczególnie ważny.

Zgodnie z wymaganiami projektu produktu, przerwa izolująca musi wytrzymać zadaną krótkotrwałą wytrzymałość na napięcie częstotliwości przemysłowej 50kV. Minimalny elektryczny odstęp dla przerwy izolującej zaprojektowany jest jako 100mm. Biorąc pod uwagę złożoność struktury ostrza izolującego, dodano tarcze gradacyjne po obu stronach ostrza izolującego, aby poprawić jednorodność pola elektrycznego i zmniejszyć wystąpienie lokalnego rozładowania. Trójwymiarowy model trójpołożeniowego przełącznika przedstawiony jest na Rysunku 2. W związku z tym ten artykuł przeprowadza symulację pola elektrycznego przerwy izolującej.

Oprogramowanie elementów skończonych zostało użyte do symulacji pola elektrycznego RMU, analizując rozkład natężenia pola elektrycznego w przerwie izolującej pod zadanym 50kV krótkotrwałym napięciem częstotliwości przemysłowej. Zdefiniowano dwa scenariusze symulacji pola elektrostatycznego:

• ​Scenariusz 1:​​ Po stronie szyny (strona z siedzibą statycznego kontaktu izolującego) połączona z niskim potencjałem (0V), po stronie linii (strona z głową ostrza izolującego) połączona z wysokim potencjałem (50kV).
• ​Scenariusz 2:​​ Po stronie szyny (strona z siedzibą statycznego kontaktu izolującego) połączona z wysokim potencjałem (50kV), po stronie linii (strona z głową ostrza izolującego) połączona z niskim potencjałem (0V).

Symulacja dostarczyła rozkładu natężenia pola elektrycznego w miejscu maksymalnego natężenia pola elektrycznego w przerwie izolującej dla obu scenariuszy. Rozkład natężenia pola elektrycznego w głowie ostrza izolującego dla Scenariusza 1 przedstawiony jest na Rysunku 3, a w siedzibie statycznego kontaktu izolującego dla Scenariusza 2 na Rysunku 4. Maksymalne natężenie pola elektrycznego w Scenariuszu 1 występuje na końcu tarczy gradacyjnej, wynosząc 7,07 kV/mm. Maksymalne w Scenariuszu 2 występuje na zaokrągleniu siedziby statycznego kontaktu izolującego, wynosząc 4,90 kV/mm.

Krytyczne natężenie pola elektrycznego powietrza w standardowych warunkach wynosi zwykle 3 kV/mm. Rysunki 3 i 4 pokazują, że choć lokalne obszary w przerwie izolującej przekraczają 3 kV/mm, natężenie pola w innych obszarach pozostaje poniżej tego progu, co sprawia, że zwarcie jest mało prawdopodobne. Jednak lokalne rozładowanie wystąpi w miejscach, gdzie natężenie pola przekracza 3 kV/mm.

Gdy powietrze zmienia się z suchego na wilgotne, jego właściwości izolacyjne maleją. Krytyczne natężenie pola elektrycznego w warunkach jednorodnego pola spada poniżej 3 kV/mm. Ponadto, bardzo niejednorodny rozkład pola elektrycznego również obniża krytyczne natężenie pola elektrycznego powietrza. Obie te czynniki zwiększają możliwość i ryzyko zwarcia. Aby złagodzić wpływ zewnętrznych warunków środowiskowych na środek izolacyjny powietrza i poprawić współczynnik jednorodności pola elektrycznego, ten artykuł ma na celu określenie stopnia jednorodności pola elektrycznego w przerwie izolującej i wartości wytrzymałości na napięcie przerwy. Służy to jako podstawa do wzrostu właściwości izolacyjnych przerwy izolującej.

​3 Właściwości izolacji powietrza​

​3.1 Określenie współczynnika niejednorodności pola elektrycznego​

Doskonale jednorodne pola elektryczne nie istnieją w praktyce; wszystkie pola elektryczne są niejednorodne. Na podstawie współczynnika niejednorodności f, pola elektryczne są klasyfikowane na dwa typy: lekko niejednorodne pola elektryczne, gdy f ≤ 4; i ekstremalnie niejednorodne pola elektryczne, gdy f > 4. Współczynnik niejednorodności pola elektrycznego f jest określany przez f = E_max / E_avg, gdzie E_max to lokalne maksymalne natężenie pola elektrycznego, uzyskane z wyników symulacji, a E_avg to średnie natężenie pola elektrycznego, obliczone jako napięcie zastosowane podzielone przez minimalny elektryczny odstęp.

Na podstawie Rysunku 3, E_max = 7,07 kV/mm, a E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Stąd, współczynnik niejednorodności dla przerwy izolującej f = 14,14 > 4, co klasyfikuje go jako ekstremalnie niejednorodne pole. W pobliżu ekstremalnie niejednorodnych pól mogą formować się stabilne zjawiska lokalnego rozładowania. Im większy stopień niejednorodności, tym bardziej widoczne są lokalne rozładowania, a ich wielkość jest większa. Dla RMU 12kV, wymagane jest, aby całkowite lokalne rozładowanie całej szafy było mniejsze niż 20pC. Zmniejszenie współczynnika niejednorodności f jest korzystne dla zmniejszenia wielkości lokalnego rozładowania.

​3.2 Określenie wytrzymałości na napięcie powietrza​

Współczynnik niejednorodności wpływa na wytrzymałość na napięcie suchego powietrza. Gdy pole jest lekko niejednorodne, wytrzymałość na napięcie wynosi:
​Wzór (1)​​

Gdzie:

• U to wytrzymałość na napięcie.
• d to minimalny elektryczny odstęp między elektrodami.
• k to współczynnik niezawodności, zwykle w zakresie od 1,2 do 1,5 na podstawie doświadczenia.
• E₀ to natężenie pola elektrycznego rozpadu gazu. W praktyce, ta wartość jest związana z konstrukcją elektrod. Natężenie pola elektrycznego rozpadu powietrza różni się w zależności od różnych konstrukcji elektrod i odstępów. W celach porównawczych w tym artykule, E₀ = 3 kV/mm jest tymczasowo ustawione.

Zgodnie z Wzorem (1), zwiększenie minimalnego elektrycznego odstępu d lub zmniejszenie współczynnika niejednorodności f może poprawić wytrzymałość na napięcie powietrza. Gdy pole jest ekstremalnie niejednorodne, dla elektrod z minimalnym odstępem d około 100mm, wytrzymałość na napięcie jest określana przez:
​Wzór (2)​​

Gdzie U_50%(d) to napięcie rozpadu impulsu błyskawicznego 50% dla elektrody z elektrycznym odstępem d. W ekstremalnie niejednorodnych polach, napięcie rozpadu charakteryzuje się dużą dyspersją i długim czasem opóźnienia rozładowania, co sprawia, że jest bardzo niestabilne.

W praktyce inżynierskiej, U_50%(d) jest określany przez wiele testów impulsów błyskawicznych: napięcie zastosowane, przy którym rozpad występuje z prawdopodobieństwem 50%, jest zdefiniowane jako U_50%(d). Ta wartość zależy od konstrukcji produktu i stopnia jednorodności pola. Stwierdzono, że niższy współczynnik niejednorodności prowadzi do mniejszej dyspersji napięcia rozpadu, wyższego napięcia rozpadu, a w konsekwencji, wyższej wytrzymałości na napięcie. Dlatego, zmniejszenie współczynnika niejednorodności f poprawia wytrzymałość na napięcie przerwy izolującej.

​4 Optymalizacja strukturalna​

Aby poprawić jednorodność pola elektrycznego w okolicy głowy ostrza izolującego i zmniejszyć współczynnik niejednorodności, struktura tarczy gradacyjnej została zoptymalizowana.

W porównaniu do oryginalnego projektu, zoptymalizowana tarcza gradacyjna cechuje się wzmocnionym końcem z zaokrąglonym designem. Promień filaru został zwiększony z 0,75 mm do 4 mm, co zwiększa promień krzywizny w tym obszarze, co jest korzystne dla osiągnięcia bardziej jednorodnego rozkładu pola. Rozkład natężenia pola elektrycznego w zoptymalizowanej głowie ostrza izolującego przedstawiony jest na Rysunku 7. Rysunek pokazuje, że maksymalne natężenie pola elektrycznego w tym miejscu wynosi teraz 3,66 kV/mm, co stanowi około połowę wartości przed optymalizacją, co oznacza znaczącą poprawę.

Na podstawie wzoru f = E_max / E_avg, współczynnik niejednorodności pola elektrycznego po optymalizacji wynosi 7,32. W porównaniu do stanu przed optymalizacją, ta wartość została zmniejszona do około połowy. Jednorodność pola elektrycznego w okolicy głowy ostrza izolującego również znacząco się poprawiła, co pokazuje sensowność optymalizacji strukturalnej.

Zoptymalizowana struktura tarczy gradacyjnej rzeczywiście zmniejsza ryzyko zwarcia w przerwie izolującej. Jednak pole elektryczne w przerwie nadal jest ekstremalnie niejednorodne, a jego wytrzymałość na napięcie nadal jest określana przez U_50%(d). Stopień, w jakim można zwiększyć wytrzymałość na napięcie, musi być określony w kolejnych testach polowych.

​5 Wniosek​

Przez analizę pola elektrycznego przerwy izolującej w 12kV RMU izolowanym powietrzem, ten artykuł doszedł do następujących wniosków:

1. Ze względu na słabsze właściwości izolacyjne powietrza w porównaniu do SF6, wykorzystanie powietrza jako środka izolacyjnego w trójpołożeniowych przełącznikach w RMU wymaga poprawy rozkładu pola elektrycznego, aby zwiększyć właściwości izolacyjne.
2. Ze względu na złożoność struktury ruchomych części (ostrza izolującego) w trójpołożeniowych przełącznikach RMU izolowanych powietrzem, rozkład natężenia pola elektrycznego w lokalnych miejscach może stać się bardzo niejednorodny. Aby zmniejszyć niejednorodność, można dodać tarcze gradacyjne po obu stronach ostrza izolującego, aby zasłonić natężenie pola elektrycznego w okolicach końcówek łączników ostrza, przesuwając maksymalne lokalne natężenie pola elektrycznego na końce tarcz gradacyjnych. W tym artykule zwiększono promień krzywizny końca tarczy gradacyjnej z 0,75 mm do 4 mm. Spowodowało to zmniejszenie zarówno maksymalnego lokalnego natężenia pola elektrycznego, jak i współczynnika niejednorodności do około połowy ich pierwotnych wartości, osiągając pożądany efekt.
3. Stopień jednorodności pola elektrycznego, czyli współczynnik niejednorodności, znacząco wpływa na lokalne rozładowanie i zwarcie. Ekstremalnie niejednorodne pola łatwo prowadzą do stabilnego lokalnego rozładowania (rozładowania koronowego). Dla zarówno lekko, jak i ekstremalnie niejednorodnych pól, wyższy współczynnik niejednorodności odpowiada niższej wytrzymałości na napięcie między dwiema elektrodami.