Pangunahing disenyo ng pag-optimize para sa 12kV Air-Insulated Ring Main Unit Isolating Gap upang mabawasan ang posibilidad ng pagkasira at pag-discharge

Sa mabilis na pag-unlad ng industriya ng kuryente, ang konsepto ng ecological na mababang carbon, energy-saving, at environmental protection ay malubhang naging bahagi ng disenyo at paggawa ng mga produktong pangkuryente para sa power supply at distribution. Ang Ring Main Unit (RMU) ay isang mahalagang electrical device sa mga distribution network. Ang seguridad, environmental protection, operational reliability, energy efficiency, at ekonomiya ay hindi maiiwasang mga trend sa kanyang pag-unlad. Ang mga tradisyonal na RMUs ay karaniwang kinakatawan ng mga SF6 gas-insulated RMUs. Dahil sa sobrang galing ng SF6 sa pag-extinguish ng arc at mataas na insulation performance, ito ay malawakang ginamit. Gayunpaman, ang SF6 ay nagdudulot ng greenhouse effect. Dahil sa lumalaking regulatory pressure sa greenhouse gases, ang pagbuo ng mga environmentally friendly gas-insulated RMUs bilang alternatibo sa SF6 ay naging isang napaka-importante na trend.

Kasalukuyan, ang mga environmentally friendly gas-insulated RMUs ay kasama ang nitrogen-insulated RMUs at dry air-insulated RMUs. Ang literatura ay ipinakilala ang mga opsyon na ito. Sa paghahambing sa insulation capability ng SF6, ang insulation capability ng nitrogen at dry air ay tanging humigit-kumulang sa one-third. Kaya, ang pagsiguro na ang kabuuang insulation performance ng RMU at ng mga internal switches nito ay hindi masira dahil sa nabawasan na insulation performance ng medium, habang pinapanatili ang umiiral na cabinet space, ay partikular na mahalaga. Ito ay lalo na inilalarawan sa disenyo ng internal electrical structure at insulation structure. Ang maayos na electrical at insulation structure design ay maaaring bumawi sa kakulangan ng performance ng insulation medium.

Ang papel na ito ay nakatuon sa isang isolating gap sa loob ng tiyak na 12kV air-insulated RMU. Ito ay sumusuri sa nearby electric field distribution at ang kanyang uniformity, tumatasa ng insulation performance sa lugar na ito, at gumagawa ng structural optimization upang bawasan ang probabilidad ng discharge at mapabuti ang insulation performance. Ang layunin ng pag-aaral ay magbigay ng sanggunian para sa insulation design ng mga katulad na produkto.

​1 Structure of the Air-Insulated RMU​

Ang 3D structural model ng air-insulated RMU na pinag-aaralan sa papel na ito ay ipinapakita sa Figure 1. Ang main circuit structure ng RMU ay gumagamit ng isang scheme na naglalabas ng vacuum switch at three-position switch. Ang layout ay gumagamit ng isang scheme kung saan ang three-position switch ay nasa busbar side, i.e., ang three-position switch ay inilalagay sa itaas ng RMU, habang ang vacuum switch ay inilalagay sa ibaba sa pamamagitan ng solid-insulated pole.

Dahil ang vacuum switch ay naka-encapsulate sa loob ng pole, ang kanyang labas ay insulated ng epoxy resin. Ang insulation capability ng epoxy resin ay lubhang mas mataas kaysa sa hangin, kaya't ito ay sumasapat sa insulation requirements. Bukod dito, ang connecting busbar sa sealed end ng solid-insulated pole ay may rounded corners, curved designs, at silicone rubber sealing, na nagreresolba ng partial discharge issues sa lugar na ito. Ang insulation clearances sa pagitan ng mga busbars at patungo sa lupa ay disenyo ayon sa relevant insulation requirements at sumusunod sa regulasyon.

Ang isolating blade ng three-position switch ay buong umaasa sa air medium para sa insulation. Bilang isang movable connecting component, ang kanyang structural design ay binubuo ng metal parts tulad ng pins, springs, disc springs, at retaining rings upang palakasin ang contact pressure sa pagitan ng mga isolating contacts. Gayunpaman, dahil sa espesyal na hugis ng mga metal parts na ito, ito ay maaaring magdulot ng lubhang hindi uniform na electric field distribution, na nagtutrigger ng partial discharge. Ito ay nagpapahina ng insulation performance sa lugar na ito. Kaya, ang electrical structure design dito ay partikular na mahalaga.

Ayon sa product design requirements, ang isolating gap ay dapat matiisin ang rated short-time power-frequency withstand voltage na 50kV. Ang minimum electrical clearance para sa isolating gap ay disenyo bilang 100mm. Tinalakay ang komplikado ng isolating blade structure, ang grading shields ay idinagdag sa parehong panig ng isolating blade upang mapabuti ang electric field uniformity at bawasan ang pag-occur ng partial discharge. Ang 3D model ng three-position switch ay ipinapakita sa Figure 2. Ayon dito, ang papel na ito ay nagbibigay ng electric field simulation analysis sa isolating gap.

Ginamit ang finite element software upang simula ang electric field ng RMU, sinusuri ang electric field intensity distribution sa isolating gap sa ilalim ng ibinigay na 50kV rated short-time power-frequency withstand voltage. Dalawang scenario para sa electrostatic field simulation ang inilarawan:

• ​Scenario 1:​​ Busbar side (panig na may isolating static contact seat) na konektado sa low potential (0V), line side (panig na may isolating blade head) na konektado sa high potential (50kV).
• ​Scenario 2:​​ Busbar side (panig na may isolating static contact seat) na konektado sa high potential (50kV), line side (panig na may isolating blade head) na konektado sa low potential (0V).

Ang electric field distributions sa lugar ng maximum electric field intensity sa loob ng isolating gap para sa parehong scenarios ay nakuha mula sa simulation. Ang electric field intensity distribution sa isolating blade head para sa Scenario 1 ay ipinapakita sa Figure 3, at ang sa isolating static contact seat para sa Scenario 2 ay ipinapakita sa Figure 4. Ang maximum electric field intensity sa Scenario 1 ay nangyayari sa dulo ng grading shield, na may sukat na 7.07 kV/mm. Ang maximum sa Scenario 2 ay nasa chamfer ng isolating static contact seat, na may sukat na 4.90 kV/mm.

Ang critical breakdown electric field strength para sa hangin sa standard conditions ay karaniwang 3 kV/mm. Ang Figures 3 at 4 ay nagpapakita na habang ang mga lokal na lugar sa loob ng isolating gap ay lumampas sa 3 kV/mm, ang field intensity sa ibang lugar ay nananatiling mas mababa kaysa sa threshold na ito, kaya't ang breakdown discharge ay hindi maaaring mangyari. Gayunpaman, ang partial discharge ay mangyayari sa mga lokal na posisyon kung saan ang field strength ay lumampas sa 3 kV/mm.

Kapag ang hangin ay nagbago mula sa dry tungo sa humid, ang kanyang insulation capability ay bumababa. Ang critical breakdown electric field strength sa ilalim ng uniform field conditions ay bumababa sa ibaba ng 3 kV/mm. Bukod dito, ang lubhang hindi uniform na electric field distribution ay din nagbabawas ng critical breakdown field strength ng hangin. Ang parehong factors ay nagpapataas ng posibilidad at risk ng breakdown. Upang mabawasan ang impact ng external environmental conditions sa air insulation medium at mapabuti ang uniformity coefficient ng electric field, ang papel na ito ay nagnanais na tukuyin ang degree ng uniformity ng electric field sa loob ng isolating gap at ang withstand voltage value ng gap. Ito ay nagsisilbing pundasyon para sa pagpapabuti ng insulation capability ng isolating gap.

​3 Air Insulation Characteristics​

​3.1 Determination of Electric Field Non-Uniformity Coefficient​

Ang perpektong uniform na electric fields ay hindi umiiral sa praktikal; lahat ng electric fields ay hindi uniform. Batay sa non-uniformity coefficient f, ang electric fields ay nakaklase sa dalawang uri: slightly non-uniform electric fields kapag f ≤ 4; at extremely non-uniform electric fields kapag f > 4. Ang electric field non-uniformity coefficient f ay tiniyak sa pamamagitan ng f = E_max / E_avg, kung saan ang E_max ay ang lokal na maximum electric field strength, na makukuha mula sa simulation results, at ang E_avg ay ang average electric field strength, na kalkula sa pamamagitan ng applied voltage divided by ang minimum electrical clearance.

Mula sa Figure 3, E_max = 7.07 kV/mm at E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm). Kaya, ang non-uniformity coefficient para sa isolating gap f = 14.14 > 4, na nagkaklasipiko ito bilang extremely non-uniform field. Ang stable partial discharge phenomena ay maaaring lumitaw malapit sa extremely non-uniform fields. Ang mas mataas ang degree ng non-uniformity, ang mas pronounced ang partial discharge, at ang mas malaki ang discharge magnitude. Para sa 12kV RMU, ang requirement ay na ang total partial discharge ng buong cabinet ay dapat mas mababa kaysa 20pC. Ang pagbawas ng non-uniformity coefficient f ay benepisyo para sa pagbawas ng partial discharge magnitude.

​3.2 Determination of Air Withstand Voltage​

Ang non-uniformity coefficient ay nakakaapekto sa withstand voltage ng dry air. Kapag ang field ay slightly non-uniform, ang withstand voltage ay:
​Formula (1)​​

Kung saan:

• U ay ang withstand voltage.
• d ay ang minimum electrical clearance sa pagitan ng mga electrode.
• k ay isang reliability factor, na karaniwang nasa 1.2 hanggang 1.5 batay sa experience.
• E₀ ay ang gas breakdown electric field strength. Sa praktikal, ang halagang ito ay may kaugnayan sa electrode structure. Ang air breakdown field strength ay nag-iiba-iba sa ilalim ng iba't ibang electrode structures at clearances. Para sa comparative analysis sa papel na ito, E₀ = 3 kV/mm ay tentatively itinakda.

Mula sa Formula (1), ang pagtaas ng minimum electrical clearance d o ang pagbawas ng non-uniformity coefficient f ay maaaring mapabuti ang withstand voltage ng hangin. Kapag ang field ay extremely non-uniform, para sa mga electrode na may minimum clearance d na halos 100mm, ang withstand voltage ay tiniyak sa pamamagitan ng:
​Formula (2)​​

Kung saan ang lightning impulse 50% breakdown voltage para sa electrode na may electrical clearance ng d. Sa extremely non-uniform fields, ang breakdown voltage ay nagpapakita ng significant dispersion at long discharge time delay, kaya't ito ay lubhang unstable.

Sa engineering practice, ang U_50%(d) ay tiniyak sa pamamagitan ng maraming lightning impulse tests: ang applied voltage kung saan ang breakdown ay nangyayari sa 50% probability ay itinakda bilang U_50%(d). Ang halagang ito ay depende sa product structure at ang degree ng field uniformity. Itinatag na ang mas mababang non-uniformity coefficient ay nagreresulta sa mas maliit na breakdown voltage dispersion, mas mataas na breakdown voltage, at kaya't mas mataas na withstand voltage. Kaya, ang pagbawas ng non-uniformity coefficient f ay mapapabuti ang withstand voltage ng isolating gap.

​4 Structural Optimization​

Upang mapabuti ang uniformity ng electric field sa paligid ng isolating blade head at bawasan ang non-uniformity coefficient, ang grading shield structure ay na-optimize.

Kumpara sa orihinal na disenyo, ang optimized grading shield ay may thickened end na may rounded corner design. Ang fillet radius ay tinataas mula 0.75mm hanggang 4mm, na nagpapabuti ng curvature radius sa lugar na ito, na benepisyo sa pagkamit ng mas uniform na field distribution. Ang electric field intensity distribution sa optimized isolating blade head ay ipinapakita sa Figure 7. Ang figure ay nagpapakita na ang maximum electric field intensity sa lugar na ito ay ngayon 3.66 kV/mm, na humigit-kumulang na kalahati ng halaga bago ang optimization, na nagpapakita ng significant improvement.

Batay sa formula f = E_max / E_avg, ang electric field non-uniformity coefficient pagkatapos ng optimization ay 7.32. Kumpara sa pre-optimization state, ang halagang ito ay nabawasan sa kalahati. Ang uniformity ng electric field malapit sa isolating blade head ay din lubhang nabawasan, na nagpapakita ng reasonableness ng structural optimization.

Ang optimized grading shield structure ay talagang nabinabawasan ang risk ng breakdown discharge sa loob ng isolating gap. Gayunpaman, ang electric field sa loob ng gap ay patuloy na extremely non-uniform, at ang kanyang withstand voltage ay pa rin tiniyak sa pamamagitan ng U_50%(d). Ang extent kung saan ang withstand voltage ay maaaring taas ay kailangang tukuyin sa pamamagitan ng susunod na field tests.

​5 Conclusion​

Sa pamamagitan ng electric field analysis ng isolating gap sa 12kV air-insulated RMU, ang papel na ito ay nakuha ang mga sumusunod na conclusion:

1. Dahil sa mas mababang insulation capability ng hangin kaysa sa SF6, ang paggamit ng hangin para sa insulation sa three-position switch sa loob ng RMUs ay nangangailangan ng pag-improve ng electric field distribution upang mapabuti ang insulation capability.
2. Dahil sa komplikado ng moving parts (ang isolating blade) sa loob ng three-position switch ng air-insulated RMUs, ang electric field intensity distribution sa mga lokal na posisyon ay maaaring maging lubhang hindi uniform. Upang mabawasan ang non-uniformity, ang grading shields ay maaaring idagdag sa parehong panig ng isolating blade upang shield ang electric field intensity malapit sa dulo ng blade connectors, na inililipat ang maximum local field intensity sa dulo ng grading shields. Ang papel na ito ay tinataas ang curvature radius ng grading shield end mula 0.75mm hanggang 4mm. Ito ay nabawasan ang maximum local electric field intensity at ang non-uniformity coefficient sa kalahati ng kanilang orihinal na halaga, na nagpapakita ng desired effect.
3. Ang degree ng electric field uniformity, o ang non-uniformity coefficient, ay lubhang nakakaapekto sa partial discharge at breakdown discharge. Ang extremely non-uniform fields ay madaling nagdudulot ng stable partial discharge (corona discharge). Para sa parehong slightly at extremely non-uniform fields, ang mas mataas na non-uniformity coefficient ay kumakatawan sa mas mababang withstand voltage sa pagitan ng dalawang electrodes.