Optimizacija dizajna šeme za 12kV zračno-izolovani kolni glavni uređaj sa razdvajajućim rastojanjem kako bi se smanjila verovatnoća propala raspada

Sa brzim razvojem električne industrije, ekološki koncept niskougljičnosti, energetske učinkovitosti i zaštite životne sredine duboko je integrisan u dizajn i proizvodnju opreme za snabdevanje i raspodelu struje. Ring Main Unit (RMU) predstavlja ključni električni uređaj u distribucijskim mrežama. Bezbednost, zaštita životne sredine, pouzdanost rada, energetska učinkovitost i ekonomija su neizbežne tendencije njegovog razvoja. Tradicionalni RMU-ovi su uglavnom predstavljeni SF6 gas-insulativnim RMU-ovima. Zbog odličnih svojstava u gašenju luka i visokih izolacionih performansi, široko su korišćeni. Međutim, SF6 dovodi do stakleničkog efekta. Sa porastom regulativnog pritiska na stakleničke gaze, razvoj ekološki prihvatljivih gas-insulativnih RMU-ova kao alternativa SF6 postaje nužna trenda.

Trenutno, ekološki prihvatljivi gas-insulativni RMU-ovi uključuju azot-insulativne RMU-ove i suho zračne RMU-ove. Literatura je predstavila ove opcije. U poređenju sa izolacionim sposobnostima SF6, izolacione sposobnosti azota i suhe zrake su samo oko trećine. Stoga je posebno bitno osigurati da ukupne izolacione performanse RMU-a i njegovih unutrašnjih prekidača nisu kompromitovane zbog smanjenih izolacionih sposobnosti medija, dok se održava postojeći prostor kabine. Ovo se uglavnom odbija u dizajnu unutrašnje električne strukture i izolacione strukture. Rasuđeni dizajn električne i izolacione strukture može nadoknaditi nedostatak performansi izolacionog medija.

Ovaj rad fokusira se na izolacioni raspon unutar određenog 12kV zračno insulativnog RMU-a. Analizira blizu polje raspodele i njegove uniformnosti, procenjuje izolacione performanse na tom mestu i vrši strukturnu optimizaciju kako bi se smanjila verovatnoća ispravljanja i poboljšale izolacione performanse. Cilj istraživanja je da pruži referentnu vrednost za izolacioni dizajn sličnih proizvoda.

​1 Struktura zračno insulativnog RMU-a​

3D strukturni model zračno insulativnog RMU-a koji se proučava u ovom radu prikazan je na Slici 1. Glavna kolačna struktura RMU-a koristi shemu kombinacije vakuumskog prekidača i prekidača sa tri pozicije. Dispozicija koristi shemu gde se prekidač sa tri pozicije nalazi na strani busa, tj. prekidač sa tri pozicije je raspoređen na gornjoj strani RMU-a, dok je vakuumski prekidač raspoređen na donjoj strani preko čvrsto insulativnog stuba.

Pošto je vakuumski prekidač kapsuliran unutar stuba, njegova spoljnica je izolovana epoksni resina. Izolaciona sposobnost epoksne smole je daleko superiornija u odnosu na zrak, time ispunjavajući izolacione zahteve. Takođe, spojna busa na zapečaćenoj strani čvrsto insulativnog stuba uključuje zaobljene uglove, zakrivljene dizajne i silikonsko-rubberne zapečaćivanje, rešavajući probleme delimičnog ispravljanja na tom mestu. Izolacioni razmaci između busova i do tla su dizajnirani prema relevantnim izolacionim zahtevima i u skladu sa propisima.

Izolacioni ležaj prekidača sa tri pozicije potpuno se oslanja na zračni medij za izolaciju. Kao pokretni spojni deo, njegov strukturni dizajn uključuje metalne elemente poput pinova, opruga, disk-oprga i čvorova kako bi se pojačao kontakt-ni pritisak između izolacionih kontakata. Međutim, zbog specifičnih oblika ovih metalnih elemenata, mogu uzrokovati veoma neuniformnu raspodelu električnog polja, što dovodi do delimičnog ispravljanja. To predstavlja rizik od kvarnog ispravljanja, negativno utičući na izolacione performanse na tom mestu. Stoga je dizajn električne strukture ovdje posebno važan.

Prema zahtevima dizajna proizvoda, izolacioni raspon mora da izdrži nominalno kratkotrajno naponsko ispitivanje na 50kV. Minimalni električni razmak za izolacioni raspon je dizajniran na 100mm. Uzimajući u obzir kompleksnost strukture izolacionog ležaja, dodate su granulične štitove na obe strane izolacionog ležaja kako bi se poboljšala uniformnost električnog polja i smanjilo pojavljivanje delimičnog ispravljanja. 3D model prekidača sa tri pozicije prikazan je na Slici 2. Odnosno, ovaj rad vrši simulaciju električnog polja izolacionog raspona.

Konačni elementi softvera korišćeni su za simulaciju električnog polja RMU-a, analizirajući raspodelu intenziteta električnog polja preko izolacionog raspona pod datim nominalnim kratkotrajnim naponskim ispitivanjem od 50kV. Definisane su dvije scenarije za simulaciju elektrostatičkog polja:

• ​Scenarij 1:​​ Strana busa (strana sa statičkim kontaktom izolatora) povezana je sa niskim potencijalom (0V), strana linije (strana sa glavom izolacionog ležaja) povezana je sa visokim potencijalom (50kV).
• ​Scenarij 2:​​ Strana busa (strana sa statičkim kontaktom izolatora) povezana je sa visokim potencijalom (50kV), strana linije (strana sa glavom izolacionog ležaja) povezana je sa niskim potencijalom (0V).

Simulacijom dobijena su raspodele električnog polja na mestu maksimalne intenziteta električnog polja unutar izolacionog raspona za oba scenarija. Raspodela intenziteta električnog polja na glavi izolacionog ležaja za Scenarij 1 prikazana je na Slici 3, a na statičkom kontaktu izolatora za Scenarij 2 prikazana je na Slici 4. Maksimalna intenzitet električnog polja u Scenariju 1 javlja se na kraju granuličnog štita, meri 7,07 kV/mm. Maksimalna u Scenariju 2 javlja se na obrubu statičkog kontakta izolatora, meri 4,90 kV/mm.

Kritična lomačka intenzitet električnog polja za zrak pod standardnim uslovima obično iznosi 3 kV/mm. Slike 3 i 4 pokazuju da, iako lokalizovani regioni unutar izolacionog raspona prelaze 3 kV/mm, intenzitet polja u drugim regionima ostaje ispod tog praga, čime se isključuje lomačko ispravljanje. Međutim, delimično ispravljanje će se dogoditi na lokalizovanim mestima gde intenzitet prelazi 3 kV/mm.

Kada se zrak menja od suhog do vlажног, njegove izolacione sposobnosti se smanjuju. Kritična lomačka intenzitet električnog polja pod uniformnim poljima pada ispod 3 kV/mm. Takođe, veoma neuniformna raspodela električnog polja takođe smanjuje kritičnu lomačku intenzitet polja zraka. Oba faktora povećavaju mogućnost i rizik od lomačkog ispravljanja. Da bi se smanjio uticaj vanjskih okruženjskih uslova na zračni izolacioni medij i poboljšao koeficijent uniformnosti električnog polja, ovaj rad ima za cilj da odredi stepen uniformnosti električnog polja preko izolacionog raspona i vrednost otpornosti raspona. Ovo služi kao osnova za poboljšanje izolacionih sposobnosti izolacionog raspona.

​3 Karakteristike zračne izolacije​

​3.1 Određivanje koeficijenta neuniformnosti električnog polja​

Savršeno uniformna električna polja ne postoje u praksi; sva električna polja su neuniformna. Na osnovu koeficijenta neuniformnosti f, električna polja su klasifikovana u dva tipa: malo neuniformna električna polja kada f ≤ 4; i veoma neuniformna električna polja kada f > 4. Koeficijent neuniformnosti električnog polja f određuje se formulom f = E_max / E_avg, gde je E_max lokalni maksimalni intenzitet električnog polja, dostupan iz rezultata simulacije, a E_avg je prosečni intenzitet električnog polja, izračunat kao primenjena naponska razlika podeljena sa minimalnim električnim razmаком.

Iz Slike 3, E_max = 7,07 kV/mm i E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Stoga, koeficijent neuniformnosti za izolacioni raspon f = 14,14 > 4, klasifikovan kao veoma neuniformno polje. Stabilna pojave delimičnog ispravljanja mogu nastati u blizini veoma neuniformnih polja. Veći stepen neuniformnosti, veće je delimično ispravljanje, a veća je magnituda ispravljanja. Za 12kV RMU, zahtev je da ukupno delimično ispravljanje cele kabine bude manje od 20pC. Smanjenje koeficijenta neuniformnosti f je korisno za smanjenje magnituda delimičnog ispravljanja.

​3.2 Određivanje otpornosti zraka​

Koeficijent neuniformnosti utiče na otpornost suhog zraka. Kada je polje malo neuniformno, otpornost je:
​Formula (1)​​

Gdje je:

• U je otpornost.
• d je minimalni električni razmak između elektroda.
• k je faktor pouzdanosti, obično u opsegu od 1,2 do 1,5 na osnovu iskustva.
• E₀ je lomačka intenzitet električnog polja gaza. U praksi, ova vrednost se odnosi na strukturu elektroda. Lomačka intenzitet električnog polja zraka varira pod različitim strukturama elektroda i razmacima. Za komparativnu analizu u ovom radu, E₀ = 3 kV/mm je privremeno postavljena.

Iz Formule (1), povećanjem minimalnog električnog razmака d ili smanjenjem koeficijenta neuniformnosti f može se poboljšati otpornost zraka. Kada je polje veoma neuniformno, za elektrode sa minimalnim razмаком d oko 100mm, otpornost se određuje formulom:
​Formula (2)​​

Gdje je U_50%(d) naponska razlika gremlinske impulsne 50% lomačke naponske razlike za elektrod sa električnim razмаком d. U veoma neuniformnim poljima, lomačka naponska razlika pokazuje značajnu disperziju i dug trajanje ispravljanja, što je veoma nestabilno.

U inženjerskoj praksi, U_50%(d) se određuje putem više gremlinskih impulsnih testova: primenjena naponska razlika pri kojoj se lomačko ispravljanje dešava sa 50% verovatnoćom definiše se kao U_50%(d). Ova vrednost zavisi od strukture proizvoda i stepena uniformnosti polja. Utvrđeno je da niži koeficijent neuniformnosti dovodi do manje disperzije lomačke naponske razlike, veće lomačke naponske razlike i, kao posledica, veće otpornosti. Stoga, smanjenje koeficijenta neuniformnosti f poboljšava otpornost izolacionog raspona.

​4 Strukturna optimizacija​

Da bi se poboljšala uniformnost električnog polja oko glave izolacionog ležaja i smanjio koeficijent neuniformnosti, struktura granuličnog štita je optimizovana.

U poređenju sa originalnim dizajnom, optimizovani granulični štit ima udebljan kraj sa zaobljenim dizajnom. Radijus filtra je povećan sa 0,75mm na 4mm, povećavajući radijus zakrivljenosti u toj oblasti, što doprinosi postizanju više uniformne raspodele polja. Raspodela intenziteta električnog polja na optimizovanoj glavi izolacionog ležaja prikazana je na Slici 7. Slika pokazuje da je maksimalni intenzitet električnog polja na tom mestu sada 3,66 kV/mm, otprilike polovina vrednosti pre optimizacije, što pokazuje značajno poboljšanje.

Na osnovu formule f = E_max / E_avg, koeficijent neuniformnosti električnog polja nakon optimizacije je 7,32. U poređenju sa stanjem pre optimizacije, ova vrednost je smanjena do otprilike polovine. Uniformnost električnog polja oko glave izolacionog ležaja je takođe značajno poboljšana, što pokazuje razumnost strukturne optimizacije.

Optimizovana struktura granuličnog štita zaista smanjuje rizik od lomačkog ispravljanja preko izolacionog raspona. Međutim, električno polje preko raspona ostaje veoma neuniformno, a njegova otpornost još uvek se određuje U_50%(d). Do koje mere se može povećati otpornost potrebno je odrediti putem kasnijih poljskih testova.

​5 Zaključak​

Putem analize električnog polja izolacionog raspona u 12kV zračno insulativnom RMU-u, ovaj rad je došao do sledećih zaključaka:

1. Zbog slabijih izolacionih sposobnosti zraka u odnosu na SF6, korišćenje zraka za izolaciju u prekidaču sa tri pozicije unutar RMU-ova zahteva poboljšanje raspodele električnog polja kako bi se poboljšale izolacione sposobnosti.
2. Zbog složenosti pokretnih delova (izolacionog ležaja) unutar prekidača sa tri pozicije zračno insulativnih RMU-ova, raspodela intenziteta električnog polja na lokalizovanim mestima može postati veoma neuniformna. Da bi se smanjila neuniformnost, granulični štitovi mogu biti dodati na obe strane izolacionog ležaja kako bi se štitile intenzitete električnog polja blizu krajeva spojnika ležaja, premještajući maksimalni lokalni intenzitet polja na krajeve granuličnih štitova. Ovaj rad je povećao radijus zakrivljenosti kraja granuličnog štita sa 0,75mm na 4mm. Time je smanjen i maksimalni lokalni intenzitet električnog polja i koeficijent neuniformnosti do otprilike polovine njihovih originalnih vrednosti, postižući željeni efekat.
3. Stepen uniformnosti električnog polja, ili koeficijent neuniformnosti, značajno utiče na delimično i lomačko ispravljanje. Veoma neuniformna polja lako dovode do stabilnog delimičnog ispravljanja (korona ispravljanje). Za oba malo i veoma neuniformna polja, veći koeficijent neuniformnosti odgovara nižoj otpornosti između dva elektroda.