Схема оптимізаційного проекту для зменшення ймовірності пробою відокремлювальної щілини 12кВ повітряно-ізольованого кільцевого головного апарату

З поширенням енергетичної галузі екологічна концепція низьковуглецевого, енергоефективного та екологічно безпечного підходу глибоко інтегрована в проектування та виробництво електротехнічних продуктів для забезпечення електроенергією. Кільце основного пристрою (RMU) є ключовим електроприладом у розподільній мережі. Безпека, екологічність, надійність операцій, енергоефективність та економічність є неодмінними тенденціями його розвитку. Традиційні RMU в основному представлені SF6-газонаповненими RMU. Через відмінну здатність до гасіння дуги та високу ізоляційну продуктивність, вони широко використовуються. Однак, SF6 викликає парниковий ефект. Зі зростанням регуляторного тиску на парникові гази, розробка екологічно чистих газонаповнених RMU як альтернативи SF6 стала необхідною тенденцією.

Наразі, екологічно чисті газонаповнені RMU включають RMU, наповнені азотом, та RMU, наповнені сухим повітрям. Література описує ці варіанти. Порівняно з ізоляційною здатністю SF6, ізоляційна здатність азоту та сухого повітря становить лише приблизно третину. Тому особливо важливо гарантувати, що загальна ізоляційна продуктивність RMU та внутрішніх випливаючих пристроїв не постраждає через зниження ізоляційної продуктивності середовища, залишаючи існуючий простір шафи. Це головним чином проявляється в проектуванні внутрішньої електричної структури та ізоляційної структури. Розумне проектування електричної та ізоляційної структури може компенсувати недоліки продуктивності ізоляційного середовища.

Ця стаття фокусується на ізоляційному проміжку в певному 12kV повітряно-ізольованому RMU. Вона аналізує розподіл електричного поля поблизу та його рівномірність, оцінює ізоляційну продуктивність у цьому місці та проводить структурну оптимізацію для зменшення ймовірності розряду та покращення ізоляційної продуктивності. Мета дослідження полягає в наданні посилання для ізоляційного проектування подібних продуктів.

​1 Структура повітряно-ізольованого RMU​

Тривимірна структурна модель повітряно-ізольованого RMU, який досліджується в цій статті, показана на рисунку 1. Основна схема контуру RMU використовує комбінацію вакуумного випливаючого пристрою та переключника з трьома положеннями. Розташування використовує схему, де переключник з трьома положеннями розташований на стороні шини, тобто переключник з трьома положеннями розташований зверху RMU, а вакуумний випливаючий пристрій розташований знизу через твердий ізоляційний стовп.

Оскільки вакуумний випливаючий пристрій закритий всередині стовпа, його зовнішня частина ізольована епоксидною смолою. Ізоляційна здатність епоксидної смоли значно вища, ніж повітря, тому вона задовольняє ізоляційним вимогам. Більше того, з'єднуюча шина на запечатаному кінці твердого ізоляційного стовпа має закруглені кути, криволінійні форми та силиконовий герметик, що вирішує проблеми локального розряду в цьому місці. Ізоляційні прогалини між шинами та до землі спроектовані відповідно до відповідних ізоляційних вимог та відповідають нормативам.

Ізоляційний ніж переключника з трьома положеннями повністю спирається на повітря як ізоляційне середовище. Як рухомий з'єднуючий елемент, його конструкція включає металеві деталі, такі як шпонки, пружини, дископружини та кільця, щоб підвищити контактний тиск між ізоляційними контактами. Однак, через спеціальні форми цих металевих деталей, вони можуть спричиняти надзвичайно нерівномірний розподіл електричного поля, що викликає локальний розряд. Це створює ризик розряду, що неблагополучно впливає на ізоляційну продуктивність в цьому місці. Тому проектування електричної структури тут особливо важливе.

Згідно з вимогами проектування продукту, ізоляційний проміжок має витримувати номінальне короткочасне частотне напругу 50kV. Мінімальна електрична прогалина для ізоляційного проміжку спроектована як 100 мм. враховуючи складність конструкції ізоляційного ножа, було додано градаційні екрани з обох сторін ізоляційного ножа, щоб поліпшити рівномірність електричного поля та зменшити виникнення локального розряду. Тривимірна модель переключника з трьома положеннями показана на рисунку 2. Відповідно, ця стаття проводить симуляційний аналіз електричного поля ізоляційного проміжку.

Для симуляції електричного поля RMU було використано програмне забезпечення методу скінченних елементів, аналізуючи розподіл інтенсивності електричного поля в ізоляційному проміжку при заданій номінальній короткочасній частотній напругі 50kV. Були визначені два сценарії для симуляції електростатичного поля:

• ​Сценарій 1:​​ Сторона шини (сторона з ізоляційним статичним контактом) підключена до низької потенціали (0V), сторона лінії (сторона з головкою ізоляційного ножа) підключена до високої потенціали (50kV).
• ​Сценарій 2:​​ Сторона шини (сторона з ізоляційним статичним контактом) підключена до високої потенціали (50kV), сторона лінії (сторона з головкою ізоляційного ножа) підключена до низької потенціали (0V).

З симуляції було отримано розподіл електричного поля в місці максимальної інтенсивності електричного поля в ізоляційному проміжку для обох сценаріїв. Розподіл інтенсивності електричного поля на головці ізоляційного ножа для сценарію 1 показаний на рисунку 3, а на ізоляційному статичному контакті для сценарію 2 - на рисунку 4. Максимальна інтенсивність електричного поля в сценарію 1 відбувається на кінці градаційного екрана, що становить 7,07 кВ/мм. Максимальна в сценарію 2 - на фасці ізоляційного статичного контакту, що становить 4,90 кВ/мм.

Критична напруга пробою повітря в стандартних умовах зазвичай становить 3 кВ/мм. Рисунки 3 та 4 показують, що хоча в локальних областях ізоляційного проміжку інтенсивність поля перевищує 3 кВ/мм, в інших областях вона залишається нижче цього порогу, що робить пробій малоймовірним. Однак, локальний розряд відбудеться в точках, де інтенсивність поля перевищує 3 кВ/мм.

Коли повітря змінюється від сухого до вологого, його ізоляційна здатність знижується. Критична напруга пробою при рівномірному полі опускається нижче 3 кВ/мм. Більше того, надзвичайно нерівномірний розподіл електричного поля також знижує критичну напругу пробою повітря. Обидва фактори збільшують ймовірність та ризик пробою. Для зниження впливу зовнішніх екологічних умов на повітряну ізоляційну середовище та поліпшення коефіцієнта рівномірності електричного поля, ця стаття має на меті визначити ступінь рівномірності електричного поля в ізоляційному проміжку та значення напруги, яку він може витримати. Це служить основою для підвищення ізоляційної здатності ізоляційного проміжку.

​3 Характеристики повітряної ізоляції​

​3.1 Визначення коефіцієнту нерівномірності електричного поля​

Навіть абсолютно рівномірні електричні поля не існують на практиці; всі електричні поля є нерівномірними. На основі коефіцієнту нерівномірності f, електричні поля поділяються на два типи: слабко нерівномірні, коли f ≤ 4, та надзвичайно нерівномірні, коли f > 4. Коефіцієнт нерівномірності електричного поля f визначається як f = E_max / E_avg, де E_max - локальна максимальна інтенсивність електричного поля, яку можна отримати з результатів симуляції, а E_avg - середня інтенсивність електричного поля, яка обчислюється як застосована напруга, поділена на мінімальну електричну прогалину.

З рисунку 3, E_max = 7,07 кВ/мм, а E_avg = 0,5 кВ/мм (50кВ / 100мм). Тому коефіцієнт нерівномірності для ізоляційного проміжку f = 14,14 > 4, що класифікує його як надзвичайно нерівномірне поле. Стабільні локальні розряди можуть утворюватися поблизу надзвичайно нерівномірних полів. Чим більший ступінь нерівномірності, тим більш виражений локальний розряд, та більш велика величина розряду. Для 12кВ RMU вимога полягає в тому, що загальний локальний розряд всього шафи повинен бути менше 20пК. Зменшення коефіцієнту нерівномірності f сприяє зменшенню величини локального розряду.

​3.2 Визначення напруги, яку витримує повітря​

Коефіцієнт нерівномірності впливає на напругу, яку витримує сухе повітря. Коли поле слабко нерівномірне, напруга, яку витримує, визначається:
​Формула (1)​​

Де:

• U - напруга, яку витримує.
• d - мінімальна електрична прогалина між електродами.
• k - коефіцієнт надійності, який зазвичай знаходиться в діапазоні від 1,2 до 1,5 на основі досвіду.
• E₀ - напруга пробою газу. На практиці це значення залежить від структури електрода. Напруга пробою повітря змінюється від різних структур електродів та прогалин. Для порівняльного аналізу в цій статті E₀ = 3 кВ/мм встановлено випробовувально.

З формули (1), збільшення мінімальної електричної прогалини d або зменшення коефіцієнту нерівномірності f може підвищити напругу, яку витримує повітря. Коли поле надзвичайно нерівномірне, для електродів з мінімальною прогалиною d близько 100мм, напруга, яку витримує, визначається:
​Формула (2)​​

Де U_50%(d) - напруга пробою 50% для електрода з електричною прогалиною d. У надзвичайно нерівномірних полях напруга пробою демонструє значну дисперсію та довгу затримку розряду, що робить її надзвичайно нестабільною.

У інженерній практиці, U_50%(d) визначається через багаторазові випробування на вплив блискавки: напруга, при якій відбувається пробій з 50% ймовірністю, визначається як U_50%(d). Це значення залежить від структури продукту та ступеня рівномірності поля. Встановлено, що нижчий коефіцієнт нерівномірності призводить до меншої дисперсії напруги пробою, вищої напруги пробою, а, відповідно, і вищої напруги, яку витримує. Тому зменшення коефіцієнту нерівномірності f підвищує напругу, яку витримує ізоляційний проміжок.

​4 Структурна оптимізація​

Для покращення рівномірності електричного поля навколо головки ізоляційного ножа та зменшення коефіцієнту нерівномірності, була проведена оптимізація структури градаційного екрана.

Порівняно з оригінальним дизайном, оптимізований градаційний екран має згущений кінець з закругленим кутом. Радіус філету збільшено з 0,75 мм до 4 мм, що підвищує радіус кривизни в цій області, що сприяє більш рівномірному розподілу поля. Розподіл інтенсивності електричного поля на оптимізованій головці ізоляційного ножа показаний на рисунку 7. Рисунок показує, що максимальна інтенсивність електричного поля в цьому місці тепер становить 3,66 кВ/мм, приблизно вдвічі менше, ніж перед оптимізацією, що свідчить про значне покращення.

На основі формули f = E_max / E_avg, коефіцієнт нерівномірності електричного поля після оптимізації становить 7,32. Порівняно з попереднім станом, це значення зменшено приблизно вдвічі. Рівномірність електричного поля поблизу головки ізоляційного ножа також значно покращилася, що свідчить про раціональність структурної оптимізації.

Оптимізована структура градаційного екрана справді зменшує ризик пробою через ізоляційний проміжок. Однак, електричне поле в проміжку залишається надзвичайно нерівномірним, і його напруга, яку витримує, все ще визначається U_50%(d). Ступінь, на який можна збільшити напругу, яку витримує, треба визначити через подальші випробування на місці.

​5 Висновки​

Шляхом аналізу електричного поля ізоляційного проміжку в 12кВ повітряно-ізольованому RMU, ця стаття дійшла наступних висновків:

1. Згідно з нижчою ізоляційною здатністю повітря порівняно з SF6, використання повітря для ізоляції в переключнику з трьома положеннями в RMU вимагає покращення розподілу електричного поля для підвищення ізоляційної здатності.
2. Згідно зі складністю конструкції рухомих частин (ізоляційний ніж) в переключнику з трьома положеннями повітряно-ізольованого RMU, розподіл інтенсивності електричного поля в локальних місцях може стати надзвичайно нерівномірним. Для зменшення нерівномірності, можна додати градаційні екрани з обох сторін ізоляційного ножа, щоб захистити інтенсивність електричного поля поблизу кінців з'єднуючих контактів, переміщуючи максимальну локальну інтенсивність поля на кінці градаційних екранів. У цій статті радіус кривизни кінця градаційного екрана був збільшений з 0,75 мм до 4 мм. Це зменшило як максимальну локальну інтенсивність електричного поля, так і коефіцієнт нерівномірності приблизно вдвічі, досягнувши бажаного ефекту.
3. Ступінь рівномірності електричного поля, або коефіцієнт нерівномірності, значно впливає на локальний розряд та пробій. Надзвичайно нерівномірні поля легко призводять до стабільного локального розряду (коронний розряд). Для обох слабко та надзвичайно нерівномірних полів, вищий коефіцієнт нерівномірності відповідає нижчій напругі, яку витримують два електрода.