แผนการปรับแต่งเพื่อลดความน่าจะเป็นของการเกิดฟ้าผ่าในช่องว่างแยกของหน่วยวงจรหลักที่ใช้อากาศเป็นฉนวน 12kV

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า แนวคิดเชิงนิเวศที่เน้นการลดคาร์บอน การประหยัดพลังงาน และการปกป้องสิ่งแวดล้อมได้ถูกผสานเข้ากับการออกแบบและการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าสำหรับการจ่ายและกระจายพลังงานไฟฟ้าอย่างลึกซึ้ง Ring Main Unit (RMU) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าหลักในระบบจำหน่ายไฟฟ้า ความปลอดภัย การปกป้องสิ่งแวดล้อม ความน่าเชื่อถือในการทำงาน ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความคุ้มค่าเป็นแนวโน้มที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ในการพัฒนา RMU แบบดั้งเดิมโดยทั่วไปจะเป็น RMU ที่ใช้ SF6 ในการฉนวนไฟฟ้า เนื่องจาก SF6 มีความสามารถในการดับอาร์คไฟฟ้าและความสามารถในการฉนวนไฟฟ้าที่สูง ทำให้ได้รับการใช้งานอย่างกว้างขวาง แต่ SF6 ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก ด้วยแรงกดดันทางกฎระเบียบที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับก๊าซเรือนกระจก การพัฒนา RMU ที่ใช้ก๊าซฉนวนไฟฟ้าที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเพื่อทดแทน SF6 ได้กลายเป็นแนวโน้มที่จำเป็น

ปัจจุบัน RMU ที่ใช้ก๊าซฉนวนไฟฟ้าที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมรวมถึง RMU ที่ใช้ไนโตรเจนและ RMU ที่ใช้อากาศแห้ง วรรณกรรมได้แนะนำตัวเลือกเหล่านี้ เมื่อเทียบกับความสามารถในการฉนวนไฟฟ้าของ SF6 ความสามารถในการฉนวนไฟฟ้าของไนโตรเจนและอากาศแห้งมีเพียงประมาณหนึ่งในสาม ดังนั้น การรับประกันว่าประสิทธิภาพในการฉนวนไฟฟ้าโดยรวมของ RMU และสวิตช์ภายในไม่ได้ถูกกระทบจากการลดลงของประสิทธิภาพของสารฉนวน ในขณะที่ยังคงพื้นที่ตู้เดิมไว้ จึงเป็นสิ่งที่สำคัญมาก ซึ่งสะท้อนให้เห็นในการออกแบบโครงสร้างไฟฟ้าภายในและการออกแบบโครงสร้างฉนวนไฟฟ้า การออกแบบโครงสร้างไฟฟ้าและฉนวนไฟฟ้าที่เหมาะสมสามารถชดเชยความขาดแคลนของประสิทธิภาพของสารฉนวน

บทความนี้มุ่งเน้นที่ช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกภายใน RMU ที่ใช้อากาศฉนวนไฟฟ้า 12kV บางประเภท โดยทำการวิเคราะห์การกระจายสนามไฟฟ้าบริเวณใกล้เคียงและความสม่ำเสมอ ประเมินประสิทธิภาพในการฉนวนไฟฟ้าที่ตำแหน่งนี้ และทำการปรับปรุงโครงสร้างเพื่อลดความน่าจะเป็นของการปล่อยประจุและเพิ่มประสิทธิภาพในการฉนวนไฟฟ้า เพื่อมีเป้าหมายในการให้ข้อมูลอ้างอิงสำหรับการออกแบบฉนวนไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกัน

​1 โครงสร้างของ RMU ที่ใช้อากาศฉนวนไฟฟ้า​

โมเดลโครงสร้างสามมิติของ RMU ที่ใช้อากาศฉนวนไฟฟ้าที่ศึกษาในบทความนี้แสดงในรูปที่ 1 โครงสร้างวงจรหลักของ RMU ใช้วิธีการผสมผสานระหว่างสวิตช์สุญญากาศและสวิตช์สามตำแหน่ง การวางตำแหน่งใช้วิธีการที่สวิตช์สามตำแหน่งอยู่บนด้านสายแม่ กล่าวคือ สวิตช์สามตำแหน่งถูกจัดวางไว้ด้านบนของ RMU ในขณะที่สวิตช์สุญญากาศถูกจัดวางไว้ด้านล่างผ่านเสาฉนวนแข็ง

เนื่องจากสวิตช์สุญญากาศถูกห่อหุ้มภายในเสา ภายนอกถูกฉนวนด้วยเรซินอีพ็อกซี่ ความสามารถในการฉนวนไฟฟ้าของเรซินอีพ็อกซี่สูงกว่าอากาศมาก ทำให้สามารถตอบสนองความต้องการในการฉนวน นอกจากนี้ บัสบาร์ที่เชื่อมต่อที่ปลายปิดของเสาฉนวนแข็งมีมุมโค้ง ดีไซน์โค้ง และซิลิโคนยางสำหรับการปิดผนึก แก้ไขปัญหาการปล่อยประจุบางส่วนที่จุดนี้ ระยะทางฉนวนไฟฟ้าระหว่างบัสบาร์และกับพื้นถูกออกแบบตามข้อกำหนดฉนวนไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องและปฏิบัติตามกฎระเบียบ

ใบสวิตช์แยกของสวิตช์สามตำแหน่งอาศัยสารกลางอากาศเพื่อฉนวนไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ ในฐานะส่วนประกอบเชื่อมต่อที่เคลื่อนไหว การออกแบบโครงสร้างรวมถึงส่วนประกอบโลหะเช่น หมุด สปริง แผ่นสปริง และวงแหวนล็อคเพื่อเพิ่มแรงกดระหว่างคอนแทคแยก แต่เนื่องจากทรงของส่วนประกอบโลหะเหล่านี้ อาจทำให้การกระจายสนามไฟฟ้าไม่สม่ำเสมออย่างมาก กระตุ้นการปล่อยประจุบางส่วน ซึ่งเป็นความเสี่ยงของการปล่อยประจุแบบแตกตัว ทำให้ประสิทธิภาพในการฉนวนไฟฟ้าที่จุดนี้ลดลง ดังนั้น การออกแบบโครงสร้างไฟฟ้าที่นี่จึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ

ตามข้อกำหนดการออกแบบผลิตภัณฑ์ ช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกต้องทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงสั้นๆ ที่ความถี่ไฟฟ้ามาตรฐาน 50kV ระยะทางไฟฟ้าขั้นต่ำสำหรับช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกถูกออกแบบเป็น 100mm พิจารณาถึงความซับซ้อนของโครงสร้างสวิตช์แยก ได้เพิ่มเกรดชีลด์ทั้งสองข้างของสวิตช์แยกเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าและลดการปล่อยประจุบางส่วน โมเดลสามมิติของสวิตช์สามตำแหน่งแสดงในรูปที่ 2 ตามนั้น บทความนี้ทำการวิเคราะห์การจำลองสนามไฟฟ้าของช่องว่างระหว่างสวิตช์แยก

ใช้ซอฟต์แวร์องค์ประกอบจำกัดเพื่อจำลองสนามไฟฟ้าของ RMU วิเคราะห์การกระจายความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกภายใต้แรงดันไฟฟ้าสูงสั้นๆ ที่ความถี่ไฟฟ้ามาตรฐาน 50kV ที่กำหนด กำหนดสถานการณ์การจำลองสนามไฟฟ้าสถิตสองสถานการณ์:

• ​สถานการณ์ 1:​​ ด้านบัสบาร์ (ด้านที่มีที่นั่งคอนแทคแยกคงที่) เชื่อมต่อกับศักย์ต่ำ (0V) ด้านสาย (ด้านที่มีหัวสวิตช์แยก) เชื่อมต่อกับศักย์สูง (50kV)
• ​สถานการณ์ 2:​​ ด้านบัสบาร์ (ด้านที่มีที่นั่งคอนแทคแยกคงที่) เชื่อมต่อกับศักย์สูง (50kV) ด้านสาย (ด้านที่มีหัวสวิตช์แยก) เชื่อมต่อกับศักย์ต่ำ (0V)

ได้รับการกระจายความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ตำแหน่งที่มีความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงสุดภายในช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกจากสถานการณ์ทั้งสอง การกระจายความเข้มของสนามไฟฟ้าที่หัวสวิตช์แยกในสถานการณ์ 1 แสดงในรูปที่ 3 และที่ที่นั่งคอนแทคแยกคงที่ในสถานการณ์ 2 แสดงในรูปที่ 4 ความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงสุดในสถานการณ์ 1 เกิดขึ้นที่ปลายของเกรดชีลด์ วัดได้ 7.07 kV/mm ความเข้มสูงสุดในสถานการณ์ 2 เกิดขึ้นที่มุมโค้งของที่นั่งคอนแทคแยกคงที่ วัดได้ 4.90 kV/mm

ความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวของอากาศภายใต้เงื่อนไขมาตรฐานทั่วไปคือประมาณ 3 kV/mm รูปที่ 3 และ 4 แสดงว่าแม้บางส่วนภายในช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกจะเกิน 3 kV/mm แต่ความเข้มของสนามไฟฟ้าในพื้นที่อื่น ๆ ยังคงต่ำกว่าค่านี้ ทำให้การปล่อยประจุแบบแตกตัวไม่น่าจะเกิดขึ้น แต่การปล่อยประจุบางส่วนจะเกิดขึ้นในตำแหน่งเฉพาะที่ความเข้มของสนามไฟฟ้าเกิน 3 kV/mm

เมื่ออากาศเปลี่ยนจากแห้งเป็นชื้น ความสามารถในการฉนวนไฟฟ้าลดลง ความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวภายใต้สภาพสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอจะต่ำกว่า 3 kV/mm นอกจากนี้ การกระจายสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมากยังลดความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวของอากาศทั้งสองปัจจัยนี้เพิ่มความน่าจะเป็นและความเสี่ยงของการปล่อยประจุแบบแตกตัว เพื่อลดผลกระทบของสภาพแวดล้อมภายนอกต่อสารกลางอากาศและเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์ความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า บทความนี้มุ่งหมายเพื่อกำหนดระดับความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าที่ช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกและค่าแรงดันที่ทนทานของช่องว่าง เพื่อเป็นพื้นฐานในการเพิ่มประสิทธิภาพในการฉนวนไฟฟ้าของช่องว่างระหว่างสวิตช์แยก

​3 คุณสมบัติการฉนวนไฟฟ้าของอากาศ​

​3.1 การกำหนดค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า​

สนามไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบและสม่ำเสมอไม่มีอยู่จริง ทุกสนามไฟฟ้ามีความไม่สม่ำเสมอ ตามค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอ f สนามไฟฟ้าถูกแบ่งออกเป็นสองประเภท: สนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอเล็กน้อยเมื่อ f ≤ 4 และสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมากเมื่อ f > 4 ค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า f ถูกกำหนดโดย f = E_max / E_avg ที่ E_max คือความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงสุดในท้องถิ่น สามารถได้รับจากผลการจำลอง และ E_avg คือความเข้มของสนามไฟฟ้าเฉลี่ย คำนวณจากแรงดันที่ใช้หารด้วยระยะทางฉนวนไฟฟ้าขั้นต่ำ

จากรูปที่ 3 E_max = 7.07 kV/mm และ E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm) ดังนั้น ค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของช่องว่างระหว่างสวิตช์แยก f = 14.14 > 4 จึงถูกจัดเป็นสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมาก การปล่อยประจุบางส่วนที่เสถียรสามารถเกิดขึ้นได้ใกล้สนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมาก ยิ่งความไม่สม่ำเสมอสูงเท่าใด ปรากฏการณ์การปล่อยประจุบางส่วนจะชัดเจนมากขึ้นและขนาดการปล่อยประจุจะใหญ่ขึ้น สำหรับ RMU 12kV ความต้องการคือการปล่อยประจุบางส่วนทั้งหมดของตู้ควรน้อยกว่า 20pC การลดค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอ f จะเป็นประโยชน์ในการลดขนาดการปล่อยประจุบางส่วน

​3.2 การกำหนดแรงดันที่ทนทานของอากาศ​

ค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอส่งผลต่อแรงดันที่ทนทานของอากาศแห้ง เมื่อสนามไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอเล็กน้อย แรงดันที่ทนทานคือ:
​สูตร (1)​​

โดย:

• U คือแรงดันที่ทนทาน
• d คือระยะทางฉนวนไฟฟ้าขั้นต่ำระหว่างขั้วไฟฟ้า
• k คือปัจจัยความน่าเชื่อถือ ทั่วไปแล้วมีค่าระหว่าง 1.2 ถึง 1.5 ตามประสบการณ์
• E₀ คือความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวของก๊าซ ในทางปฏิบัติ ค่านี้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างขั้วไฟฟ้า ความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวของอากาศแตกต่างกันตามโครงสร้างขั้วไฟฟ้าและระยะทางฉนวนไฟฟ้า สำหรับการวิเคราะห์เปรียบเทียบในบทความนี้ E₀ = 3 kV/mm ถูกกำหนดไว้เป็นค่าชั่วคราว

จากสูตร (1) การเพิ่มระยะทางฉนวนไฟฟ้าขั้นต่ำ d หรือการลดค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอ f สามารถเพิ่มแรงดันที่ทนทานของอากาศ เมื่อสนามไฟฟ้าไม่สม่ำเสมออย่างมาก สำหรับขั้วไฟฟ้าที่มีระยะทางฉนวนไฟฟ้าขั้นต่ำ d ประมาณ 100mm แรงดันที่ทนทานถูกกำหนดโดย:
​สูตร (2)​​

โดย U_50%(d) คือแรงดันที่ทำให้เกิดการแตกตัว 50% ของแสงฟ้าผ่าสำหรับขั้วไฟฟ้าที่มีระยะทางฉนวนไฟฟ้า d ในสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมาก แรงดันที่ทำให้เกิดการแตกตัวมีการกระจายอย่างมากและมีเวลาล่าช้าในการปล่อยประจุยาวนาน ทำให้ไม่เสถียร

ในการปฏิบัติงานวิศวกรรม U_50%(d) ถูกกำหนดผ่านการทดสอบแสงฟ้าผ่าหลายครั้ง: แรงดันที่ใช้เมื่อเกิดการแตกตัวด้วยความน่าจะเป็น 50% ถูกกำหนดเป็น U_50%(d) ค่านี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลิตภัณฑ์และระดับความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า ได้พบว่าค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอที่ต่ำลงทำให้การกระจายแรงดันที่ทำให้เกิดการแตกตัวน้อยลง แรงดันที่ทำให้เกิดการแตกตัวสูงขึ้น และแรงดันที่ทนทานสูงขึ้น ดังนั้น การลดค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอ f จะช่วยเพิ่มแรงดันที่ทนทานของช่องว่างระหว่างสวิตช์แยก

​4 การปรับปรุงโครงสร้าง​

เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้ารอบหัวสวิตช์แยกและลดค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอ โครงสร้างเกรดชีลด์ถูกปรับปรุง

เมื่อเทียบกับการออกแบบเดิม เกรดชีลด์ที่ได้รับการปรับปรุงมีปลายที่หนาขึ้นและมีการออกแบบมุมโค้ง รัศมีมุมโค้งเพิ่มขึ้นจาก 0.75mm เป็น 4mm ซึ่งเพิ่มรัศมีโค้งในบริเวณนี้ ทำให้ได้การกระจายสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอขึ้น การกระจายความเข้มของสนามไฟฟ้าที่หัวสวิตช์แยกที่ได้รับการปรับปรุงแสดงในรูปที่ 7 รูปแสดงว่าความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงสุดที่ตำแหน่งนี้คือ 3.66 kV/mm หรือประมาณครึ่งหนึ่งของค่าก่อนการปรับปรุง ซึ่งแสดงถึงการปรับปรุงอย่างมาก

ตามสูตร f = E_max / E_avg ค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าหลังการปรับปรุงคือ 7.32 เมื่อเทียบกับสถานะก่อนการปรับปรุง ค่านี้ลดลงเหลือประมาณครึ่งหนึ่ง ความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้ารอบหัวสวิตช์แยกได้ปรับปรุงอย่างมาก แสดงถึงความเหมาะสมของการปรับปรุงโครงสร้าง

โครงสร้างเกรดชีลด์ที่ได้รับการปรับปรุงช่วยลดความเสี่ยงของการปล่อยประจุแบบแตกตัวที่ช่องว่างระหว่างสวิตช์แยก แต่สนามไฟฟ้าที่ช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกยังคงไม่สม่ำเสมออย่างมาก และแรงดันที่ทนทานยังคงถูกกำหนดโดย U_50%(d) ระดับที่แรงดันที่ทนทานสามารถเพิ่มขึ้นได้ต้องถูกกำหนดผ่านการทดสอบสนามในภายหลัง

​5 สรุป​

ผ่านการวิเคราะห์สนามไฟฟ้าที่ช่องว่างระหว่างสวิตช์แยกใน RMU ที่ใช้อากาศฉนวนไฟฟ้า 12kV บทความนี้สรุปได้ดังนี้:

1. เนื่องจากความสามารถในการฉนวนไฟฟ้าของอากาศต่ำกว่า SF6 การใช้อากาศในการฉนวนไฟฟ้าในสวิตช์สามตำแหน่งภายใน RMU ต้องการการปรับปรุงการกระจายสนามไฟฟ้าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการฉนวนไฟฟ้า
2. เนื่องจากความซับซ้อนของส่วนประกอบที่เคลื่อนไหว (สวิตช์แยก) ภายในสวิตช์สามตำแหน่งของ RMU ที่ใช้อากาศฉนวนไฟฟ้า การกระจายความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ตำแหน่งเฉพาะอาจไม่สม่ำเสมออย่างมาก เพื่อลดความไม่สม่ำเสมอ เกรดชีลด์สามารถเพิ่มทั้งสองข้างของสวิตช์แยกเพื่อป้องกันความเข้มของสนามไฟฟ้าบริเวณปลายของสวิตช์แยก ทำให้ความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงสุดที่ตำแหน่งเฉพาะย้ายไปที่ปลายของเกรดชีลด์ บทความนี้เพิ่มรัศมีโค้งของปลายเกรดชีลด์จาก 0.75mm เป็น 4mm ซึ่งลดทั้งความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงสุดที่ตำแหน่งเฉพาะและค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอลงเหลือประมาณครึ่งหนึ่งของค่าเดิม ได้ผลตามที่ต้องการ
3. ระดับความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า หรือค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอ มีผลกระทบที่สำคัญต่อการปล่อยประจุบางส่วนและการปล่อยประจุแบบแตกตัว สนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมากสามารถนำไปสู่การปล่อยประจุบางส่วนที่เสถียร (การปล่อยประจุโคโรน่า) สำหรับสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอเล็กน้อยและสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมาก ค่าสัมประสิทธิ์ความไม่สม่ำเสมอที่สูงขึ้นจะสอดคล้องกับแรงดันที่ทนทานระหว่างขั้วไฟฟ้าที่ต่ำลง