Phương án Thiết kế Tối ưu hóa Khoảng Cách Cô lập cho Hộp Nhánh Chính Cách điện Khí 12kV để Giảm Xác suất Phóng Điện Chập

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp điện, khái niệm sinh thái về giảm carbon, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường đã được tích hợp sâu sắc vào thiết kế và sản xuất các sản phẩm điện cung cấp và phân phối. Hộp phân phối vòng (RMU) là thiết bị điện quan trọng trong mạng phân phối. An toàn, bảo vệ môi trường, độ tin cậy vận hành, hiệu quả năng lượng và kinh tế là xu hướng không thể tránh khỏi trong sự phát triển của nó. RMU truyền thống chủ yếu được đại diện bởi RMU cách điện bằng khí SF6. Do khả năng dập hồ quang tuyệt vời và hiệu suất cách điện cao của SF6, chúng đã được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, SF6 gây ra hiệu ứng nhà kính. Với áp lực quy định ngày càng tăng đối với khí nhà kính, việc phát triển RMU cách điện bằng khí thân thiện với môi trường thay thế cho SF6 đã trở thành xu hướng bắt buộc.

Hiện nay, RMU cách điện bằng khí thân thiện với môi trường bao gồm RMU cách điện bằng nitơ và RMU cách điện bằng không khí khô. Văn bản đã giới thiệu các lựa chọn này. So với khả năng cách điện của SF6, khả năng cách điện của nitơ và không khí khô chỉ khoảng một phần ba. Do đó, đảm bảo rằng hiệu suất cách điện tổng thể của RMU và các công tắc bên trong không bị suy giảm do hiệu suất cách điện của môi trường giảm, đồng thời duy trì không gian tủ hiện có, là đặc biệt quan trọng. Điều này chủ yếu được phản ánh trong thiết kế cấu trúc điện và cách điện bên trong. Thiết kế điện và cách điện hợp lý có thể bù đắp cho thiếu hụt hiệu suất của môi trường cách điện.

Bài viết này tập trung vào khe cách ly trong một RMU cách điện bằng không khí 12kV nhất định. Nó phân tích sự phân bố điện trường gần đó và độ đồng đều của nó, đánh giá hiệu suất cách điện tại vị trí này, và tiến hành tối ưu hóa cấu trúc để giảm xác suất phóng điện và cải thiện hiệu suất cách điện. Mục tiêu của nghiên cứu là cung cấp tài liệu tham khảo cho thiết kế cách điện của các sản phẩm tương tự.

​1 Cấu trúc của RMU Cách Điện Bằng Không Khí​

Mô hình cấu trúc 3D của RMU cách điện bằng không khí được nghiên cứu trong bài viết này được hiển thị trong Hình 1. Cấu trúc mạch chính của RMU sử dụng phương án kết hợp giữa công tắc chân không và công tắc ba vị trí. Bố cục sử dụng phương án đặt công tắc ba vị trí ở phía thanh cái, tức là công tắc ba vị trí được sắp xếp ở phía trên của RMU, trong khi công tắc chân không được sắp xếp ở phía dưới thông qua cột cách điện rắn.

Do công tắc chân không được bọc trong cột, ngoại vi của nó được cách điện bằng nhựa epoxy. Khả năng cách điện của nhựa epoxy vượt trội so với không khí, do đó đáp ứng yêu cầu cách điện. Hơn nữa, thanh nối ở đầu bịt kín của cột cách điện rắn bao gồm các góc bo tròn, thiết kế cong và gioăng silicone, giải quyết vấn đề phóng điện cục bộ tại điểm này. Khoảng cách cách điện giữa các thanh cái và đất được thiết kế theo các yêu cầu cách điện liên quan và tuân thủ quy định.

Lưỡi cách ly của công tắc ba vị trí dựa hoàn toàn vào môi trường không khí để cách điện. Là một thành phần kết nối di động, thiết kế cấu trúc của nó bao gồm các bộ phận kim loại như chốt, lò xo, lò xo đĩa và vòng giữ để tăng áp lực tiếp xúc giữa các tiếp điểm cách ly. Tuy nhiên, do hình dạng đặc biệt của các bộ phận kim loại này, chúng có thể gây ra sự phân bố điện trường rất không đồng đều, dẫn đến phóng điện cục bộ. Điều này tạo ra nguy cơ phóng điện phá hủy, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất cách điện tại vị trí này. Do đó, thiết kế cấu trúc điện tại đây đặc biệt quan trọng.

Theo yêu cầu thiết kế sản phẩm, khe cách ly phải chịu được điện áp chịu đựng ngắn hạn tần số công nghiệp định mức là 50kV. Khoảng cách điện tối thiểu cho khe cách ly được thiết kế là 100mm. Xem xét sự phức tạp của cấu trúc lưỡi cách ly, các tấm chắn phân cấp đã được thêm vào hai bên lưỡi cách ly để cải thiện độ đồng đều của điện trường và giảm sự xảy ra của phóng điện cục bộ. Mô hình 3D của công tắc ba vị trí được hiển thị trong Hình 2. Theo đó, bài viết này tiến hành phân tích mô phỏng điện trường đối với khe cách ly.

Phần mềm phần tử hữu hạn đã được sử dụng để mô phỏng điện trường của RMU, phân tích sự phân bố cường độ điện trường qua khe cách ly dưới điện áp chịu đựng ngắn hạn tần số công nghiệp định mức 50kV. Hai kịch bản mô phỏng tĩnh điện đã được xác định:

• ​Kịch bản 1:​​ Phía thanh cái (phía có ghế tiếp xúc tĩnh cách ly) kết nối với điện thế thấp (0V), phía đường dây (phía có đầu lưỡi cách ly) kết nối với điện thế cao (50kV).
• ​Kịch bản 2:​​ Phía thanh cái (phía có ghế tiếp xúc tĩnh cách ly) kết nối với điện thế cao (50kV), phía đường dây (phía có đầu lưỡi cách ly) kết nối với điện thế thấp (0V).

Sự phân bố điện trường tại vị trí có cường độ điện trường lớn nhất trong khe cách ly cho cả hai kịch bản đã được thu được từ mô phỏng. Sự phân bố cường độ điện trường tại đầu lưỡi cách ly cho Kịch bản 1 được hiển thị trong Hình 3, và tại ghế tiếp xúc tĩnh cách ly cho Kịch bản 2 được hiển thị trong Hình 4. Cường độ điện trường lớn nhất trong Kịch bản 1 xảy ra ở cuối tấm chắn phân cấp, đo được là 7,07 kV/mm. Cường độ lớn nhất trong Kịch bản 2 là ở mép bo của ghế tiếp xúc tĩnh cách ly, đo được là 4,90 kV/mm.

Cường độ điện trường phá hủy quan trọng của không khí trong điều kiện tiêu chuẩn thường là 3 kV/mm. Hình 3 và Hình 4 cho thấy mặc dù các khu vực cục bộ trong khe cách ly vượt quá 3 kV/mm, cường độ điện trường ở các khu vực khác vẫn dưới ngưỡng này, khiến phóng điện phá hủy không có khả năng xảy ra. Tuy nhiên, phóng điện cục bộ sẽ xảy ra ở các vị trí cục bộ có cường độ điện trường vượt quá 3 kV/mm.

Khi không khí thay đổi từ khô sang ẩm, khả năng cách điện của nó giảm. Cường độ điện trường phá hủy quan trọng trong điều kiện điện trường đồng đều giảm xuống dưới 3 kV/mm. Ngoài ra, sự phân bố điện trường cực kỳ không đồng đều cũng làm giảm cường độ điện trường phá hủy quan trọng của không khí. Cả hai yếu tố này đều tăng khả năng và rủi ro của phóng điện phá hủy. Để giảm tác động của điều kiện môi trường bên ngoài đối với môi trường cách điện không khí và cải thiện hệ số đồng đều của điện trường, bài viết này nhằm xác định mức độ đồng đều của điện trường qua khe cách ly và giá trị điện áp chịu đựng của khe. Điều này là cơ sở để nâng cao khả năng cách điện của khe cách ly.

​3 Đặc tính Cách Điện Bằng Không Khí​

​3.1 Xác Định Hệ Số Không Đồng Đều Của Điện Trường​

Điện trường hoàn toàn đồng đều không tồn tại trong thực tế; tất cả các điện trường đều không đồng đều. Dựa trên hệ số không đồng đều f, điện trường được phân loại thành hai loại: điện trường hơi không đồng đều khi f ≤ 4; và điện trường cực kỳ không đồng đều khi f > 4. Hệ số không đồng đều điện trường f được xác định bằng f = E_max / E_avg, trong đó E_max là cường độ điện trường cục bộ lớn nhất, có thể lấy từ kết quả mô phỏng, và E_avg là cường độ điện trường trung bình, được tính bằng điện áp áp dụng chia cho khoảng cách điện tối thiểu.

Từ Hình 3, E_max = 7,07 kV/mm và E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Do đó, hệ số không đồng đều cho khe cách ly f = 14,14 > 4, phân loại nó là điện trường cực kỳ không đồng đều. Hiện tượng phóng điện cục bộ ổn định có thể hình thành gần điện trường cực kỳ không đồng đều. Độ không đồng đều càng lớn, phóng điện cục bộ càng rõ rệt, và cường độ phóng điện càng lớn. Đối với RMU 12kV, yêu cầu là tổng phóng điện cục bộ của toàn bộ tủ phải nhỏ hơn 20pC. Giảm hệ số không đồng đều f có lợi cho việc giảm cường độ phóng điện cục bộ.

​3.2 Xác Định Điện Áp Chịu Đựng Của Không Khí​

Hệ số không đồng đều ảnh hưởng đến điện áp chịu đựng của không khí khô. Khi điện trường hơi không đồng đều, điện áp chịu đựng là:
​Công thức (1)​​

Trong đó:

• U là điện áp chịu đựng.
• d là khoảng cách điện tối thiểu giữa các điện cực.
• k là hệ số tin cậy, thường nằm trong khoảng từ 1,2 đến 1,5 dựa trên kinh nghiệm.
• E₀ là cường độ điện trường phá hủy của khí. Trong thực tế, giá trị này liên quan đến cấu trúc điện cực. Cường độ điện trường phá hủy của không khí thay đổi theo các cấu trúc và khoảng cách điện cực khác nhau. Đối với phân tích so sánh trong bài viết này, E₀ = 3 kV/mm được tạm thời đặt.

Từ Công thức (1), tăng khoảng cách điện tối thiểu d hoặc giảm hệ số không đồng đều f có thể cải thiện điện áp chịu đựng của không khí. Khi điện trường cực kỳ không đồng đều, đối với các điện cực có khoảng cách tối thiểu d xung quanh 100mm, điện áp chịu đựng được xác định bằng:
​Công thức (2)​​

Trong đó U_50%(d) là điện áp phá hủy 50% xung sét cho điện cực có khoảng cách điện d. Trong điện trường cực kỳ không đồng đều, điện áp phá hủy có sự phân tán đáng kể và thời gian trễ phóng điện dài, khiến nó rất không ổn định.

Trong thực tế kỹ thuật, U_50%(d) được xác định thông qua nhiều thử nghiệm xung sét: điện áp áp dụng khi phá hủy xảy ra với xác suất 50% được định nghĩa là U_50%(d). Giá trị này phụ thuộc vào cấu trúc sản phẩm và mức độ đồng đều của điện trường. Được xác nhận rằng hệ số không đồng đều thấp hơn dẫn đến sự phân tán điện áp phá hủy nhỏ hơn, điện áp phá hủy cao hơn, và do đó, điện áp chịu đựng cao hơn. Do đó, giảm hệ số không đồng đều f cải thiện điện áp chịu đựng của khe cách ly.

​4 Tối ưu hóa Cấu trúc​

Để cải thiện độ đồng đều của điện trường xung quanh đầu lưỡi cách ly và giảm hệ số không đồng đều, cấu trúc tấm chắn phân cấp đã được tối ưu hóa.

So với thiết kế ban đầu, tấm chắn phân cấp tối ưu hóa có đầu dày hơn với thiết kế góc bo tròn. Bán kính góc bo được tăng từ 0,75mm lên 4mm, tăng bán kính cong ở khu vực này, giúp đạt được sự phân bố điện trường đồng đều hơn. Sự phân bố cường độ điện trường tại đầu lưỡi cách ly tối ưu hóa được hiển thị trong Hình 7. Hình cho thấy cường độ điện trường lớn nhất tại vị trí này bây giờ là 3,66 kV/mm, khoảng một nửa giá trị trước khi tối ưu hóa, cho thấy sự cải thiện đáng kể.

Dựa trên công thức f = E_max / E_avg, hệ số không đồng đều điện trường sau khi tối ưu hóa là 7,32. So với trạng thái trước khi tối ưu hóa, giá trị này giảm xuống khoảng một nửa. Độ đồng đều của điện trường gần đầu lưỡi cách ly cũng đã được cải thiện đáng kể, chứng tỏ tính hợp lý của việc tối ưu hóa cấu trúc.

Cấu trúc tấm chắn phân cấp tối ưu hóa thực sự giảm rủi ro phóng điện phá hủy qua khe cách ly. Tuy nhiên, điện trường qua khe vẫn cực kỳ không đồng đều, và điện áp chịu đựng của nó vẫn được xác định bởi U_50%(d). Mức độ mà điện áp chịu đựng có thể được tăng cần được xác định thông qua các thử nghiệm thực địa tiếp theo.

​5 Kết luận​

Qua phân tích điện trường của khe cách ly trong RMU cách điện bằng không khí 12kV, bài viết này đi đến các kết luận sau:

1. Do khả năng cách điện kém hơn của không khí so với SF6, việc sử dụng không khí để cách điện trong công tắc ba vị trí trong RMU yêu cầu cải thiện sự phân bố điện trường để nâng cao khả năng cách điện.
2. Do sự phức tạp về cấu trúc của các bộ phận di chuyển (lưỡi cách ly) trong công tắc ba vị trí của RMU cách điện bằng không khí, sự phân bố cường độ điện trường tại các vị trí cục bộ có thể trở nên cực kỳ không đồng đều. Để giảm độ không đồng đều, có thể thêm các tấm chắn phân cấp ở hai bên lưỡi cách ly để che chắn cường độ điện trường gần các đầu nối của lưỡi cách ly, dịch chuyển cường độ điện trường cục bộ lớn nhất đến các đầu của tấm chắn phân cấp. Bài viết này đã tăng bán kính cong của đầu tấm chắn phân cấp từ 0,75mm lên 4mm. Điều này đã giảm cả cường độ điện trường cục bộ lớn nhất và hệ số không đồng đều xuống khoảng một nửa giá trị ban đầu, đạt được hiệu quả mong muốn.
3. Mức độ đồng đều của điện trường, hoặc hệ số không đồng đều, có ảnh hưởng đáng kể đến phóng điện cục bộ và phóng điện phá hủy. Điện trường cực kỳ không đồng đều dễ dàng dẫn đến phóng điện cục bộ ổn định (phóng điện corona). Đối với cả điện trường hơi không đồng đều và cực kỳ không đồng đều, hệ số không đồng đều cao hơn tương ứng với điện áp chịu đựng giữa hai điện cực thấp hơn.