Esquema de Otimização do Projeto para a Lacuna de Isolamento da Unidade Principal em Anel com Isolamento a Ar de 12kV para Reduzir a Probabilidade de Descarga de Quebra

Com o rápido desenvolvimento da indústria elétrica, o conceito ecológico de baixo carbono, economia de energia e proteção ambiental foi profundamente integrado no design e fabricação de produtos elétricos de fornecimento e distribuição. A Unidade Principal de Anel (RMU) é um dispositivo elétrico chave nas redes de distribuição. Segurança, proteção ambiental, confiabilidade operacional, eficiência energética e economia são tendências inevitáveis em seu desenvolvimento. As RMUs tradicionais são principalmente representadas por RMUs isoladas a gás SF6. Devido à excelente capacidade de extinção de arco e alto desempenho de isolamento do SF6, elas foram amplamente utilizadas. No entanto, o SF6 causa o efeito estufa. Com a crescente pressão regulatória sobre os gases de efeito estufa, o desenvolvimento de RMUs isoladas a gás ecológicas como alternativas ao SF6 tornou-se uma tendência imperativa.

Atualmente, as RMUs isoladas a gás ecológicas incluem RMUs isoladas a nitrogênio e RMUs isoladas a ar seco. A literatura introduziu essas opções. Comparado com a capacidade de isolamento do SF6, a do nitrogênio e do ar seco é apenas cerca de um terço. Portanto, garantir que o desempenho global de isolamento da RMU e de seus interruptores internos não seja comprometido devido ao reduzido desempenho de isolamento do meio, mantendo o espaço existente do gabinete, é particularmente crucial. Isso é principalmente refletido no design da estrutura elétrica interna e da estrutura de isolamento. Um design razoável de estrutura elétrica e de isolamento pode compensar a deficiência do desempenho do meio de isolamento.

Este artigo se concentra em uma lacuna de isolamento dentro de uma certa RMU isolada a ar de 12kV. Ele analisa a distribuição do campo elétrico próximo e sua uniformidade, avalia o desempenho de isolamento nesse local e realiza otimização estrutural para reduzir a probabilidade de descarga e melhorar o desempenho de isolamento. O estudo visa fornecer uma referência para o design de isolamento de produtos semelhantes.

​1 Estrutura da RMU Isolada a Ar​

O modelo estrutural 3D da RMU isolada a ar estudada neste artigo é mostrado na Figura 1. A estrutura do circuito principal da RMU adota um esquema combinando um interruptor a vácuo e um interruptor de três posições. A disposição utiliza um esquema onde o interruptor de três posições está localizado no lado da barra coletora, ou seja, o interruptor de três posições é disposto no lado superior da RMU, enquanto o interruptor a vácuo é disposto no lado inferior através de um poste de isolamento sólido.

Como o interruptor a vácuo está encapsulado no poste, seu exterior é isolado por resina epóxi. A capacidade de isolamento da resina epóxi é muito superior à do ar, atendendo aos requisitos de isolamento. Além disso, a barra coletora de conexão no extremo selado do poste de isolamento sólido incorpora cantos arredondados, designs curvos e vedação de borracha de silicone, resolvendo problemas de descargas parciais nesse ponto. As distâncias de isolamento entre barras coletoras e até o solo são projetadas de acordo com os requisitos relevantes de isolamento e estão em conformidade com as regulamentações.

A lâmina de isolamento do interruptor de três posições depende inteiramente do meio de ar para isolamento. Como um componente de conexão móvel, seu design estrutural incorpora peças metálicas como pinos, molas, discos de mola e anéis de retenção para aumentar a pressão de contato entre os contatos de isolamento. No entanto, devido às formas especiais dessas peças metálicas, podem causar uma distribuição altamente não uniforme do campo elétrico, desencadeando descargas parciais. Isso representa um risco de descarga de ruptura, afetando negativamente o desempenho de isolamento nesse local. Portanto, o design da estrutura elétrica aqui é particularmente importante.

De acordo com os requisitos de design do produto, a lacuna de isolamento deve suportar uma tensão nominal de resistência de frequência de potência de curta duração de 50kV. A distância elétrica mínima para a lacuna de isolamento é projetada como 100mm. Considerando a complexidade da estrutura da lâmina de isolamento, foram adicionados escudos de graduação em ambos os lados da lâmina de isolamento para melhorar a uniformidade do campo elétrico e reduzir a ocorrência de descargas parciais. O modelo 3D do interruptor de três posições é mostrado na Figura 2. Consequentemente, este artigo realiza análise de simulação do campo elétrico na lacuna de isolamento.

Foi utilizado software de elementos finitos para simular o campo elétrico da RMU, analisando a distribuição de intensidade do campo elétrico ao longo da lacuna de isolamento sob a tensão nominal de resistência de frequência de potência de curta duração de 50kV. Foram definidos dois cenários para simulação do campo eletrostático:

• ​Cenário 1:​​ Lado da barra coletora (lado com o assento de contato estático de isolamento) conectado a baixa potencial (0V), lado da linha (lado com a cabeça da lâmina de isolamento) conectado a alta potencial (50kV).
• ​Cenário 2:​​ Lado da barra coletora (lado com o assento de contato estático de isolamento) conectado a alta potencial (50kV), lado da linha (lado com a cabeça da lâmina de isolamento) conectado a baixa potencial (0V).

As distribuições do campo elétrico no local de máxima intensidade do campo elétrico dentro da lacuna de isolamento para ambos os cenários foram obtidas a partir da simulação. A distribuição de intensidade do campo elétrico na cabeça da lâmina de isolamento para o Cenário 1 é mostrada na Figura 3, e a do assento de contato estático de isolamento para o Cenário 2 é mostrada na Figura 4. A máxima intensidade do campo elétrico no Cenário 1 ocorre no final do escudo de graduação, medindo 7,07 kV/mm. A máxima no Cenário 2 é no chanfro do assento de contato estático de isolamento, medindo 4,90 kV/mm.

A intensidade crítica de campo elétrico de ruptura do ar em condições padrão geralmente é de 3 kV/mm. As Figuras 3 e 4 mostram que, embora áreas localizadas dentro da lacuna de isolamento excedam 3 kV/mm, a intensidade do campo em outras áreas permanece abaixo deste limite, tornando a descarga de ruptura improvável. No entanto, ocorrerão descargas parciais nas posições localizadas onde a intensidade do campo excede 3 kV/mm.

Quando o ar muda de seco para úmido, sua capacidade de isolamento diminui. A intensidade crítica de campo elétrico de ruptura em condições de campo uniforme cai abaixo de 3 kV/mm. Além disso, a distribuição altamente não uniforme do campo elétrico também reduz a intensidade crítica de campo de ruptura do ar. Ambos os fatores aumentam a possibilidade e o risco de ruptura. Para mitigar o impacto das condições ambientais externas no meio de isolamento de ar e melhorar o coeficiente de uniformidade do campo elétrico, este artigo visa determinar o grau de uniformidade do campo elétrico ao longo da lacuna de isolamento e o valor de tensão de resistência da lacuna. Isso serve como base para melhorar a capacidade de isolamento da lacuna de isolamento.

​3 Características de Isolamento do Ar​

​3.1 Determinação do Coeficiente de Não Uniformidade do Campo Elétrico​

Campos elétricos perfeitamente uniformes não existem na prática; todos os campos elétricos são não uniformes. Com base no coeficiente de não uniformidade f, os campos elétricos são classificados em dois tipos: campos elétricos levemente não uniformes quando f ≤ 4; e campos elétricos extremamente não uniformes quando f > 4. O coeficiente de não uniformidade do campo elétrico f é determinado por f = E_max / E_avg, onde E_max é a intensidade máxima local do campo elétrico, obtida a partir dos resultados da simulação, e E_avg é a intensidade média do campo elétrico, calculada como a tensão aplicada dividida pela menor distância elétrica.

Na Figura 3, E_max = 7,07 kV/mm e E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Portanto, o coeficiente de não uniformidade para a lacuna de isolamento f = 14,14 > 4, classificando-o como um campo extremamente não uniforme. Fenômenos de descarga parcial estáveis podem se formar perto de campos extremamente não uniformes. Quanto maior o grau de não uniformidade, mais pronunciada a descarga parcial e maior a magnitude da descarga. Para uma RMU de 12kV, o requisito é que a descarga parcial total de todo o gabinete seja inferior a 20pC. Reduzir o coeficiente de não uniformidade f é benéfico para diminuir a magnitude da descarga parcial.

​3.2 Determinação da Tensão de Resistência do Ar​

O coeficiente de não uniformidade afeta a tensão de resistência do ar seco. Quando o campo é levemente não uniforme, a tensão de resistência é:
​Fórmula (1)​​

Onde:

• U é a tensão de resistência.
• d é a menor distância elétrica entre os eletrodos.
• k é um fator de confiabilidade, geralmente variando de 1,2 a 1,5 com base na experiência.
• E₀ é a intensidade de campo elétrico de ruptura do gás. Na prática, este valor está relacionado à estrutura do eletrodo. A intensidade de campo de ruptura do ar varia sob diferentes estruturas e distâncias de eletrodos. Para análise comparativa neste artigo, E₀ = 3 kV/mm é estabelecido provisoriamente.

A partir da Fórmula (1), aumentar a menor distância elétrica d ou diminuir o coeficiente de não uniformidade f pode melhorar a tensão de resistência do ar. Quando o campo é extremamente não uniforme, para eletrodos com uma menor distância d em torno de 100mm, a tensão de resistência é determinada por:
​Fórmula (2)​​

Onde U_50%(d) é a tensão de ruptura de impulso de raio de 50% para o eletrodo com uma distância elétrica de d. Em campos extremamente não uniformes, a tensão de ruptura apresenta dispersão significativa e um longo tempo de atraso de descarga, tornando-a altamente instável.

Na prática de engenharia, U_50%(d) é determinado através de múltiplos testes de impulso de raio: a tensão aplicada na qual ocorre a ruptura com uma probabilidade de 50% é definida como U_50%(d). Este valor depende da estrutura do produto e do grau de uniformidade do campo. Estabelece-se que um coeficiente de não uniformidade menor resulta em menor dispersão da tensão de ruptura, maior tensão de ruptura e, consequentemente, maior tensão de resistência. Portanto, reduzir o coeficiente de não uniformidade f melhora a tensão de resistência da lacuna de isolamento.

​4 Otimização Estrutural​

Para melhorar a uniformidade do campo elétrico ao redor da cabeça da lâmina de isolamento e reduzir o coeficiente de não uniformidade, a estrutura do escudo de graduação foi otimizada.

Comparado com o design original, o escudo de graduação otimizado possui um final engrossado com um design de canto arredondado. O raio do chanfro foi aumentado de 0,75mm para 4mm, aumentando o raio de curvatura nesta área, o que beneficia a obtenção de uma distribuição de campo mais uniforme. A distribuição de intensidade do campo elétrico na cabeça da lâmina de isolamento otimizada é mostrada na Figura 7. A figura mostra que a máxima intensidade do campo elétrico nesse local agora é de 3,66 kV/mm, aproximadamente metade do valor antes da otimização, indicando uma melhoria significativa.

Com base na fórmula f = E_max / E_avg, o coeficiente de não uniformidade do campo elétrico após a otimização é 7,32. Comparado com o estado pré-otimização, este valor é reduzido para cerca da metade. A uniformidade do campo elétrico perto da cabeça da lâmina de isolamento também melhorou significativamente, demonstrando a razoabilidade da otimização estrutural.

A estrutura do escudo de graduação otimizada realmente reduz o risco de descarga de ruptura ao longo da lacuna de isolamento. No entanto, o campo elétrico ao longo da lacuna permanece extremamente não uniforme, e sua tensão de resistência ainda é determinada por U_50%(d). O grau em que a tensão de resistência pode ser aumentada precisa ser determinado através de testes de campo subsequentes.

​5 Conclusão​

Através da análise do campo elétrico da lacuna de isolamento em uma RMU isolada a ar de 12kV, este artigo chegou às seguintes conclusões:

1. Devido à capacidade de isolamento inferior do ar em comparação com o SF6, o uso de ar para isolamento no interruptor de três posições dentro das RMUs requer melhorar a distribuição do campo elétrico para aumentar a capacidade de isolamento.
2. Devido à complexidade estrutural das partes móveis (a lâmina de isolamento) no interruptor de três posições de RMUs isoladas a ar, a distribuição de intensidade do campo elétrico em posições localizadas pode se tornar altamente não uniforme. Para reduzir a não uniformidade, podem ser adicionados escudos de graduação em ambos os lados da lâmina de isolamento para abrigar a intensidade do campo elétrico perto dos extremos dos conectores da lâmina, deslocando a máxima intensidade local do campo para os extremos dos escudos de graduação. Este artigo aumentou o raio de curvatura do final do escudo de graduação de 0,75mm para 4mm. Isso reduziu tanto a máxima intensidade local do campo elétrico quanto o coeficiente de não uniformidade para aproximadamente metade de seus valores originais, alcançando o efeito desejado.
3. O grau de uniformidade do campo elétrico, ou o coeficiente de não uniformidade, tem um impacto significativo nas descargas parciais e de ruptura. Campos extremamente não uniformes facilmente levam a descargas parciais estáveis (descargas de coroa). Para campos levemente e extremamente não uniformes, um coeficiente de não uniformidade maior corresponde a uma menor tensão de resistência entre os dois eletrodos.