12kV Hava İzoleli Halka Ana Birim Ayrılma Aralığının Parlama Şansını Azaltmak için Optimizasyon Tasarım Şeması

Güç endüstrisinin hızlı gelişmesiyle birlikte, düşük karbonlu, enerji tasarrufu ve çevre koruma ekolojik kavramı, güç sağlayıcı ve dağıtım elektrik ürünlerinin tasarım ve üretimi içine derin bir şekilde entegre edilmiştir. Ring Main Unit (RMU), dağıtım ağlarında önemli bir elektrik cihazıdır. Güvenlik, çevre dostluğu, işlem güvenliği, enerji verimliliği ve ekonomiklik, gelişiminde kaçınılmaz trendlerdir. Geleneksel RMU'lar çoğunlukla SF6 gazlı izole RMU'ları temsil etmektedir. SF6'nın mükemmel yayma söndürme kapasitesi ve yüksek yalıtım performansı nedeniyle yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak, SF6 sera etkisi yaratmaktadır. Sera gazlarına yönelik düzenleyici baskının artmasıyla, çevresel dost olan gazlı izole RMU'ların geliştirilmesi ve SF6'ya alternatif olarak kullanılması zorunlu bir trend haline gelmiştir.

Şu anda, çevresel dost gazlı RMU'lar arasında azotlu izole RMU'lar ve kurutulmuş hava ile izole RMU'lar bulunmaktadır. Literatürde bu seçenekler tanıtılmıştır. SF6'nın yalıtım kapasitesine kıyasla, azot ve kurutulmuş havanın yalıtım kapasitesi sadece yaklaşık üçte biridir. Bu nedenle, mevcut kabın alanı korunurken, ortamın yalıtım performansındaki düşüş nedeniyle RMU'nun ve iç anahtarlardaki genel yalıtım performansının bozulmaması özellikle önemlidir. Bu, iç elektrik yapısı ve yalıtım yapısının tasarımı açısından kendini gösterir. Makul bir elektrik ve yalıtım yapı tasarımı, ortamın performansındaki eksikliği telafi edebilir.

Bu makale, belirli bir 12kV havalı izole RMU içindeki bir yalıtım boşluğunun üzerine odaklanır. Yakındaki elektrik alan dağılımını ve onun düzgünlüğünü analiz eder, bu konumdaki yalıtım performansını değerlendirir ve salınmayı azaltmak ve yalıtım performansını artırmak için yapısal optimizasyon gerçekleştirir. Çalışma, benzer ürünlerin yalıtım tasarımına referans sağlamak amacıyla yapılmıştır.

​1 Havalı İzole RMU'nun Yapısı​

Bu makalede incelenen havalı izole RMU'nun 3D yapı modeli Şekil 1'de gösterilmiştir. RMU'nun ana devre yapısı, vakum anahtarı ve üç pozisyonlu anahtar kombinasyonu şemasını benimsemiştir. Düzen, üç pozisyonlu anahtarın busbar tarafında yer almasını içerir, yani üç pozisyonlu anahtar RMU'nun üst tarafına, vakum anahtarı ise katı izole direk aracılığıyla alt tarafına yerleştirilmiştir.

Vakum anahtarı direk içinde kapsüllendirildiği için, dış kısmı epoksi reçine ile izole edilmiştir. Epoksi reçinenin yalıtım kapasitesi havadan çok daha üstün olup, yalıtım gerekliliklerini karşılamaktadır. Ayrıca, katı izole direkin kapatılan ucundaki bağlantı busbarı, yuvarlatılmış köşeler, eğri tasarımlar ve silikon lastik izolasyonu ile kısmi salınım sorunlarını çözmektedir. Busbarlar arasındaki ve toprağa olan yalıtım açıklıkları, ilgili yalıtım gerekliliklerine göre tasarlanmıştır ve düzenlemelere uygun durumdadır.

Üç pozisyonlu anahtarın yalıtım bıçağı tamamen hava ortamına dayanarak izole edilmektedir. Bir hareketli bağlantı parçası olarak, yapısı, yalıtım bıçağı kontakları arasındaki temas basıncını artırmak için iğne, yay, disko yay ve tutucu halka gibi metal parçaları içerir. Ancak, bu metal parçaların özel şekilleri, yüksek derecede düzensiz elektrik alan dağılımına neden olabilir, bu da kısmi salınımı tetikleyebilir. Bu, bu konumdaki yalıtım performansını olumsuz etkileyebilecek bir kırılma salınımı riski oluşturur. Bu nedenle, buradaki elektrik yapı tasarımı özellikle önemlidir.

Ürün tasarım gerekliliklerine göre, yalıtım boşluğu 50kV adi zamanlı güç frekansı dayanım gerilimini dayanmalıdır. Yalıtım boşluğunun minimum elektrik açıklığı 100mm olarak tasarlanmıştır. Yalıtım bıçağı yapısının karmaşıklığını göz önünde bulundurarak, yalıtım bıçağının her iki tarafına degradasyon kalkanları eklenerek elektrik alanın düzgünlüğü artırılmış ve kısmi salınımın oluşumu azaltılmıştır. Üç pozisyonlu anahtarın 3D modeli Şekil 2'de gösterilmiştir. Buna göre, bu makale, yalıtım boşluğu üzerinde elektrik alan simülasyon analizi yapmaktadır.

Sonlu eleman yazılımı, RMU'nun elektrik alanını simüle etmek, belirlenen 50kV adi zamanlı güç frekansı dayanım gerilimi altında yalıtım boşluğu boyunca elektrik alan yoğunluğu dağılımını analiz etmek için kullanılmıştır. İki elektrostatik alan simülasyon senaryosu tanımlanmıştır:

• ​Senaryo 1:​​ Busbar tarafı (yalıtım bıçağı statik kontak oturuşu tarafı) düşük potansiyele (0V) bağlandı, hat tarafı (yalıtım bıçağı başı tarafı) yüksek potansiyele (50kV) bağlandı.
• ​Senaryo 2:​​ Busbar tarafı (yalıtım bıçağı statik kontak oturuşu tarafı) yüksek potansiyele (50kV) bağlandı, hat tarafı (yalıtım bıçağı başı tarafı) düşük potansiyele (0V) bağlandı.

Her iki senaryo için de simülasyondan elde edilen yalıtım boşluğu içinde maksimum elektrik alan yoğunluğu lokasyonlarındaki elektrik alan dağılımları elde edilmiştir. Senaryo 1 için yalıtım bıçağı başındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımı Şekil 3'te, Senaryo 2 için yalıtım bıçağı statik kontak oturuşundaki elektrik alan yoğunluğu dağılımı Şekil 4'te gösterilmiştir. Senaryo 1'deki maksimum elektrik alan yoğunluğu degradasyon kalkanının ucunda 7.07 kV/mm olarak ölçülüyor. Senaryo 2'deki maksimum, yalıtım bıçağı statik kontak oturuşunun köşesinde 4.90 kV/mm olarak ölçülüyor.

Standart koşullar altında havanın kritik kırılma elektrik alanı genellikle 3 kV/mm'dir. Şekil 3 ve 4, yalıtım boşluğu içinde bazı lokal bölgelerin 3 kV/mm'yi aşmasına rağmen, diğer bölgelerdeki alan yoğunluğunun bu eşiğin altında kalmasından dolayı kırılma salınımının olası olmadığını göstermektedir. Ancak, alan yoğunluğu 3 kV/mm'yi aşan lokal pozisyonlarda kısmi salınım oluşacaktır.

Hava, kurudan nemliye geçtiğinde izolasyon kapasitesi azalır. Düzgün alan koşullarında kritik kırılma elektrik alanı 3 kV/mm'in altına düşer. Ayrıca, aşırı derecede düzensiz elektrik alan dağılımı da havanın kritik kırılma alan gücünü azaltır. Her iki faktör de kırılmanın olasılığını ve riskini artırır. Dış ortam koşullarının hava izolasyon ortamına olan etkisini azaltmak ve elektrik alanın düzgünlük katsayısını artırmak için, bu makale, yalıtım boşluğu boyunca elektrik alanın düzgünlük derecesini ve boşluğun dayanım gerilim değerini belirlemeyi amaçlamaktadır. Bu, yalıtım boşluğunun yalıtım kapasitesini artırmaya yönelik temel olarak hizmet edecektir.

​3 Hava Yalıtım Özellikleri​

​3.1 Elektrik Alan Düzgünlük Katsayısının Belirlenmesi​

Kusursuz düzgün elektrik alanları pratikte mevcut değildir; tüm elektrik alanları düzensizdir. Düzgünlük katsayısı f temelinde, elektrik alanları ikiye ayrılır: f ≤ 4 olduğunda hafif derecede düzensiz elektrik alanlar; ve f > 4 olduğunda aşırı derecede düzensiz elektrik alanlar. Elektrik alan düzgünlük katsayısı f, f = E_max / E_avg formülü ile belirlenir, burada E_max, simülasyon sonuçlarından elde edilebilen yerel maksimum elektrik alan gücüdür, E_avg ise uygulanan gerilimin minimum elektrik açıklığına bölünerek hesaplanan ortalama elektrik alan gücündür.

Şekil 3'ten, E_max = 7.07 kV/mm ve E_avg = 0.5 kV/mm (50kV / 100mm) olduğu görülür. Bu nedenle, yalıtım boşluğunun düzgünlük katsayısı f = 14.14 > 4, bu da onu aşırı derecede düzensiz bir alana sınıflandırır. Aşırı derecede düzensiz alanlarda istikrarlı kısmi salınım olayları oluşabilir. Düzgünlük derecesi ne kadar düşükse, kısmi salınım o kadar belirgin ve salınım büyüklüğü de daha büyüktür. 12kV RMU için, tüm kabinin toplam kısmi salınımının 20pC'den küçük olması gerekmektedir. Düzgünlük katsayısı f'nin azaltılması, kısmi salınım büyüklüğünü azaltmak için faydalıdır.

​3.2 Havada Dayanım Geriliminin Belirlenmesi​

Düzgünlük katsayısı, kuru hava için dayanım gerilimini etkiler. Alan hafif derecede düzensiz olduğunda, dayanım gerilimi şu formülle belirlenir:
​Formül (1)​​

Burada:

• U, dayanım gerilimidir.
• d, elektrotlar arasındaki minimum elektrik açıklığıdır.
• k, genellikle deneyime dayanarak 1.2 ile 1.5 arasında değişen güvenilirlik faktörüdür.
• E₀, gaz kırılma elektrik alanı gücünü ifade eder. Pratikte, bu değer elektrot yapısına bağlıdır. Havanın kırılma alanı farklı elektrot yapıları ve açıklıklar altında değişmektedir. Bu makalenin karşılaştırmalı analizi için E₀ = 3 kV/mm olarak geçici olarak ayarlanmıştır.

Formül (1)'den, minimum elektrik açıklığını d artırmak veya düzgünlük katsayısını f azaltmak, havanın dayanım gerilimini artıracaktır. Alan aşırı derecede düzensiz olduğunda, minimum açıklığı d yaklaşık 100mm olan elektrotlar için dayanım gerilimi şu formülle belirlenir:
​Formül (2)​​

Burada, U_50%(d), d elektrik açıklığına sahip elektrot için 50% kırılma olasılığındaki yıldırım darbesi voltajıdır. Aşırı derecede düzensiz alanlarda, kırılma voltajı önemli bir dağılım gösterir ve salınım süresi uzun olur, bu da büyük ölçüde istikrarsızlık yaratır.

Mühendislik uygulamasında, U_50%(d) birçok yıldırım darbesi testi aracılığıyla belirlenir: 50% olasılıkla kırılma gerçekleştiği uygulanan voltaj, U_50%(d) olarak tanımlanır. Bu değer, ürün yapısı ve alanın düzgünlük derecesine bağlıdır. Düşük düzgünlük katsayısı, daha küçük kırılma voltajı dağılımı, daha yüksek kırılma voltajı ve dolayısıyla daha yüksek dayanım gerilimi ile sonuçlanır. Bu nedenle, düzgünlük katsayısı f'nin azaltılması, yalıtım boşluğunun dayanım gerilimini iyileştirir.

​4 Yapısal Optimizasyon​

Yalıtım bıçağı başındaki elektrik alanın düzgünlüğünü artırmak ve düzgünlük katsayısını azaltmak için degradasyon kalkan yapısı optimize edilmiştir.

Orijinal tasarıma kıyasla, optimize edilmiş degradasyon kalkanı, yuvarlatılmış köşe tasarımı ile kalınlaştırılmış uç özelliklerine sahiptir. Yuvarlatma yarıçapı 0.75mm'den 4mm'ye çıkarılmış, bu bölgedeki eğrilik yarıçapı artmış, bu da daha düzgün bir alan dağılımı sağlama yönünde faydalı olmuştur. Optimize edilmiş yalıtım bıçağı başındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımı Şekil 7'de gösterilmiştir. Şekilde, bu lokasyondaki maksimum elektrik alan yoğunluğunun artık 3.66 kV/mm olduğu, optimize öncesi değerinden yaklaşık yarısı olduğu görülmektedir, bu da önemli bir iyileşme olduğunu gösterir.

Formül f = E_max / E_avg'ye dayanarak, optimize edildikten sonraki elektrik alan düzgünlük katsayısı 7.32'dir. Optimize öncesi duruma kıyasla, bu değer yaklaşık yarısı seviyesine düşmüştür. Yalıtım bıçağı başındaki elektrik alanın düzgünlüğü de önemli ölçüde iyileşmiştir, bu da yapısal optimizasyonun mantıklı olduğunu göstermektedir.

Optimize edilmiş degradasyon kalkan yapısı, gerçekten de yalıtım boşluğu boyunca kırılma salınım riskini azaltmıştır. Ancak, boşluğun boyunca elektrik alan hala aşırı derecede düzensiz olup, dayanım gerilimi hala U_50%(d) tarafından belirlenmektedir. Dayanım geriliminin ne kadar artırılabileceği, sonraki alan testleri aracılığıyla belirlenecektir.

​5 Sonuç​

12kV havalı izole RMU'daki yalıtım boşluğunun elektrik alan analizi yoluyla, bu makale aşağıdaki sonuçlara ulaşmıştır:

1. Havanın SF6'ya kıyasla daha düşük izolasyon kapasitesi nedeniyle, RMU'ların içindeki üç pozisyonlu anahtarlarda hava kullanarak izolasyon yapabilmek, elektrik alan dağılımını iyileştirmeye ihtiyaç duyar.
2. Havalı izole RMU'ların üç pozisyonlu anahtarı içindeki hareketli parçaların (yalıtım bıçağı) yapısal karmaşıklığı nedeniyle, lokal pozisyonlardaki elektrik alan yoğunluğu dağılımı aşırı derecede düzensiz olabilir. Düzgünlüğü azaltmak için, yalıtım bıçağının her iki tarafına degradasyon kalkanları ekleyerek, bıçağın uç bağlantılarının yanındaki elektrik alan yoğunluğunu gizleyebilir ve maksimum lokal alan yoğunluğunu degradasyon kalkanlarının uçlarına kaydırmak mümkündür. Bu makale, degradasyon kalkanının ucunun yuvarlatma yarıçapını 0.75mm'den 4mm'ye çıkardı. Bu, hem maksimum lokal elektrik alan yoğunluğunu hem de düzgünlük katsayısını yaklaşık yarısına indirdi, istenen etkiyi sağladı.
3. Elektrik alanın düzgünlük derecesi, yani düzgünlük katsayısı, kısmi salınım ve kırılma salınımına önemli ölçüde etki eder. Aşırı derecede düzensiz alanlar, istikrarlı kısmi salınım (korona salınımı) oluşmasına kolaylık sağlar. Hem hafif derecede düzensiz hem de aşırı derecede düzensiz alanlarda, daha yüksek düzgünlük katsayısı, iki elektrot arasındaki dayanım geriliminin daha düşük olmasını sağlar.