Optimeringsdesign för 12kV luftisolering av ringhuvudavdelare för att minska sannolikheten för brytning och utsläpp

Med den snabba utvecklingen inom elindustrin har ekologiska koncept som låg koldioxidutsläpp, energieffektivitet och miljöskydd djupt integrerats i design och tillverkning av elförsörjnings- och distributionsprodukter. Ring Main Unit (RMU) är en viktig elektrisk enhet i distributionsnät. Säkerhet, miljövänlighet, driftsäkerhet, energieffektivitet och ekonomi är oundvikliga trender i dess utveckling. Traditionella RMUs representeras huvudsakligen av SF6-gasisolering. På grund av SF6:s utmärkta bågningsförmåga och höga isoleringskapacitet har de blivit vidt använda. Men SF6 orsakar växthusverkan. Med ökande regleringstryck på växthusgaser har det blivit nödvändigt att utveckla miljövänliga gasisoleringar som alternativ till SF6.

För närvarande inkluderar miljövänliga gasisoleringar RMUs med kväveisolering och torr luftisolering. Litteraturen har introducerat dessa alternativ. I jämförelse med SF6:s isoleringskapacitet är isoleringskapaciteten för kväve och torr luft endast omkring en tredjedel. Därför är det särskilt viktigt att säkerställa att den totala isoleringsprestandan hos RMU och dess interna strömbrytare inte försämras på grund av den minskade prestandan hos mediumet, samtidigt som det befintliga kabinettrymden bibehålls. Detta återspeglas huvudsakligen i designen av den interna elektriska strukturen och isoleringsstrukturen. En rimlig elektrisk och isoleringsstruktur kan kompensera för bristerna i isoleringsmediumets prestanda.

Detta arbete fokuserar på ett isoleringsavstånd inuti en viss 12kV luftisolering RMU. Det analyserar närliggande elektriska fältfördelning och dess jämnhet, bedömer isoleringsprestandan vid denna plats och genomför struktoptimering för att minska sannolikheten för laddning och förbättra isoleringsprestandan. Syftet med studien är att ge en referens för isoleringsdesign av liknande produkter.

​1 Struktur av Luftisolering RMU​

Den 3D-strukturella modellen av luftisolering RMU som studeras i detta arbete visas i figur 1. Den huvudsakliga kretskortstrukturen av RMU använder en kombination av vakuumströmbrytare och trepositionsswitch. Layouten använder en metod där trepositionsswitchen placeras på busbar-sidan, det vill säga, trepositionsswitchen arrangeras på övre sidan av RMU, medan vakuumströmbrytaren arrangeras på nedre sidan via en solidisoleringstjocka.

Eftersom vakuumströmbrytaren är inkapslad inuti tjockan, är dess yttre isolerad av epoxiresin. Epoxiresins isoleringskapacitet är mycket överlägsen luft, vilket uppfyller isoleringskraven. Vidare inkluderar anslutande busbar vid den seglade änden av solidisoleringstjockan rundade hörn, böjda former och silikonkautschuksegling, vilket löser problem med lokala laddningar vid denna punkt. Isoleringsavstånden mellan busbars och till marken är utformade enligt relevanta isoleringskrav och följer regler.

Trepositionsswitchens isolerande kniv beror helt på luftmedium för isolering. Som en rörlig anslutningskomponent inkluderar dess strukturella design metallkomponenter som pinnar, fjädrar, skivfjädrar och fasthållringar för att förbättra kontakttrycket mellan isolerande kontakter. Men på grund av dessa metallkomponenters speciella former kan de orsaka en mycket ojämn elektrisk fältdistribution, vilket leder till partiell laddning. Detta innebär en risk för brytningsladdning, vilket negativt påverkar isoleringsprestandan vid denna plats. Därför är den elektriska strukturdesignen här särskilt viktig.

Enligt produktkonstruktionskraven måste isoleringsavståndet motstå en specificerad korttidsnominell spänningsfrekvensbelastning på 50kV. Minsta elektriska avstånd för isoleringsavståndet är utformat till 100mm. Efter att ha beaktat den komplexa strukturen av isoleringskniven, har graduerade skyddskammar lagts till på båda sidor av isoleringskniven för att förbättra elektriska fälts jämnhet och minska förekomsten av partiell laddning. Den 3D-modellen av trepositionsswitchen visas i figur 2. I enlighet med detta utförde detta arbete en elektrisk fältsimulering av isoleringsavståndet.

Finit elementprogramvara användes för att simulera elektriska fältet i RMU, analysera elektriska fältintensitetsfördelningen över isoleringsavståndet under den givna 50kV nominella korttidsnominella spänningsfrekvensbelastningen. Två scenarier för elektrostatiska fältsimulering definierades:

• ​Scenario 1:​​ Busbarsidan (sidan med den statiska isoleringskontakten) ansluten till låg potential (0V), linjesidan (sidan med isoleringsknivens huvud) ansluten till hög potential (50kV).
• ​Scenario 2:​​ Busbarsidan (sidan med den statiska isoleringskontakten) ansluten till hög potential (50kV), linjesidan (sidan med isoleringsknivens huvud) ansluten till låg potential (0V).

Elektriska fältsfördelningen vid platsen med maximal elektrisk fältintensitet inuti isoleringsavståndet för båda scenarierna erhölls från simuleringen. Elektriska fältsfördelningen vid isoleringsknivens huvud för Scenario 1 visas i figur 3, och den vid den statiska isoleringskontakten för Scenario 2 visas i figur 4. Maximala elektriska fältintensiteten i Scenario 1 inträffar vid slutet av gradueringskammen, mätt 7,07 kV/mm. Maximala i Scenario 2 är vid facetteringen av den statiska isoleringskontakten, mätt 4,90 kV/mm.

Kritiskt brytningsfält för luft under standardvillkor är generellt 3 kV/mm. Figur 3 och 4 visar att även om lokala områden inuti isoleringsavståndet överstiger 3 kV/mm, håller fältintensiteten i andra områden sig under denna tröskel, vilket gör brytningsladdning osannolik. Men partiell laddning kommer att inträffa i lokala positioner där fältstyrkan överstiger 3 kV/mm.

När luften ändras från torr till fuktig minskar dess isoleringskapacitet. Kritiskt brytningsfält under jämnt fälts villkor faller under 3 kV/mm. Dessutom sänker extremt ojämnt fält också luftens kritiska brytningsfält. Båda faktorer ökar möjligheten och risken för brytning. För att mildra effekten av externa miljövillkor på luftisoleringen och förbättra jämnhetskoefficienten för elektriska fält syftar detta arbete till att bestämma graden av jämnhet i elektriska fält över isoleringsavståndet och avståndets belastningsvärde. Detta fungerar som grund för att förbättra isoleringskapaciteten i isoleringsavståndet.

​3 Luftisoleringsegenskaper​

​3.1 Bestämning av elektriska fälts ojämnhetkoefficient​

Perfekt jämna elektriska fält existerar inte i praktiken; alla elektriska fält är ojämna. Baserat på ojämnhetkoefficienten f, klassificeras elektriska fält i två typer: något ojämna elektriska fält när f ≤ 4; och extremt ojämna elektriska fält när f > 4. Elektriska fälts ojämnhetkoefficient f bestäms av f = E_max / E_avg, där E_max är det lokala maximala elektriska fältet, erhålls från simuleringsresultat, och E_avg är det genomsnittliga elektriska fältet, beräknas som den applicerade spänningen delat med det minsta elektriska avståndet.

Från figur 3, E_max = 7,07 kV/mm och E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Därför är ojämnhetkoefficienten för isoleringsavståndet f = 14,14 > 4, vilket klassificerar det som ett extremt ojämnt fält. Stabila partiella laddningsfenomen kan uppstå nära extremt ojämna fält. Ju större graden av ojämnhet, desto mer framträdande är partiella laddningar, och desto större är laddningsstorleken. För en 12kV RMU krävs det att den totala partiella laddningen för hela kabinettet ska vara mindre än 20pC. Att minska ojämnhetkoefficienten f är gynnsamt för att minska partiella laddningsstorleken.

​3.2 Bestämning av lufts belastningsvärde​

Ojämnhetkoefficienten påverkar luftens belastningsvärde. När fältet är något ojämnt är belastningsvärdet:
​Formel (1)​​

Där:

• U är belastningsvärdet.
• d är det minsta elektriska avståndet mellan elektroder.
• k är en tillförlitlighetskoefficient, vanligtvis mellan 1,2 och 1,5 baserat på erfarenhet.
• E₀ är gasens brytningsfältstyrka. I praktiken relaterar detta värde till elektrodstrukturen. Luftens brytningsfältstyrka varierar under olika elektrodstrukturen och avstånd. För jämförande analys i detta arbete, E₀ = 3 kV/mm är tillsvidare inställt.

Från Formel (1), kan ökning av det minsta elektriska avståndet d eller minskning av ojämnhetkoefficienten f förbättra luftens belastningsvärde. När fältet är extremt ojämnt, för elektroder med ett minsta avstånd d runt 100mm, bestäms belastningsvärdet av:
​Formel (2)​​

Där är blixtimpulsens 50% brytningsvärde för elektroden med ett elektriskt avstånd d. I extremt ojämna fält uppvisar brytningsvärde betydande spridning och lång laddningstidsfördröjning, vilket gör det mycket instabilt.

I ingenjörspraxis bestäms U_50%(d) genom flera blixtimpulstester: den applicerade spänningen vid vilken brytning inträffar med 50% sannolikhet definieras som U_50%(d). Detta värde beror på produkstrukturen och graden av fälts jämnhet. Det är etablerat att en lägre ojämnhetkoefficient resulterar i mindre brytningsvärdespridning, högre brytningsvärde, och därför högre belastningsvärde. Därför förbättras belastningsvärdet för isoleringsavståndet genom att minska ojämnhetkoefficienten f.

​4 Struktoptimering​

För att förbättra jämnheten av elektriska fält runt isoleringsknivens huvud och minska ojämnhetkoefficienten optimerades gradueringskammars struktur.

Jämfört med den ursprungliga designen har den optimerade gradueringskammen en förstärkt ände med rundad hörndesign. Facetteringsradie ökades från 0,75 mm till 4 mm, vilket förbättrar buktradien i detta område, vilket gynnar en mer jämn fältsfördelning. Elektriska fältsfördelningen vid det optimerade isoleringsknivens huvud visas i figur 7. Figuren visar att det maximala elektriska fältet vid denna plats nu är 3,66 kV/mm, ungefär hälften av värdet innan optimering, vilket indikerar en betydande förbättring.

Baserat på formeln f = E_max / E_avg, är elektriska fälts ojämnhetkoefficienten efter optimering 7,32. Jämfört med före optimering, har detta värde minskats till ungefär hälften. Jämnheten av elektriska fält nära isoleringsknivens huvud har också betydligt förbättrats, vilket visar på rimligheten i struktoptimering.

Den optimerade gradueringskammars struktur minskar verkligen risken för brytningsladdning över isoleringsavståndet. Men fältet över avståndet är fortfarande extremt ojämnt, och dess belastningsvärde fastställs fortfarande av U_50%(d). Omfattningen till vilken belastningsvärdet kan ökas behöver fastställas genom efterföljande fälttester.

​5 Slutsats​

Genom elektriska fältsanalys av isoleringsavståndet i en 12kV luftisolering RMU nådde detta arbete följande slutsatser:

1. På grund av luftens sämre isoleringskapacitet jämfört med SF6, krävs förbättrad elektrisk fältsfördelning för att förbättra isoleringskapaciteten i trepositionsswitchen inuti RMU när luft används för isolering.
2. På grund av den komplexa strukturen av rörliga delar (isoleringskniven) inuti trepositionsswitchen i luftisolering RMU, kan elektriska fälts intensitetsfördelningen i lokala positioner bli mycket ojämn. För att minska ojämnheten kan gradueringskammar läggas till på båda sidor av isoleringskniven för att skyla elektriska fälts intensitet nära ändarna av knivans kopplingar, vilket flyttar det maximala lokala fältet till ändarna av gradueringskammar. I detta arbete ökades buktradien av gradueringskammars ände från 0,75 mm till 4 mm. Detta minskade både det maximala lokala elektriska fältet och ojämnhetkoefficienten till ungefär hälften av deras ursprungliga värden, vilket uppnår det önskade resultatet.
3. Grad av elektriska fälts jämnhet, eller ojämnhetkoefficient, påverkar betydligt partiell laddning och brytningsladdning. Extremt ojämna fält leder lätt till stabila partiella laddningar (koronaladdning). För både något ojämna och extremt ojämna fält motsvarar en högre ojämnhetkoefficient ett lägre belastningsvärde mellan de två elektroder.