چکیده

این مقاله به مسائل مربوط به محاسبه­­ی میدان الکتریکی و تجزیه و تحلیل سطح سرریز مخزن گاز SF6 دژنکتور مربوط می­شود. برای مثال شکاف بین واحد مخزن زمین شده، یک سیستم فیلتر و یک سیستم عایقی که برای دریافت توان ورودی می­باشد. این مقاله همچنین توصیه هایی را برای تغییر طراحی دژنکتور SF6 ارائه می­دهد.

کلمات کلیدی: دژنکتور SF6، تخلیه، شکاف گاز، سطح جرقه، قدرت الکتریکی

1. مقدمه

طراحی سیستم عایقی دژنکتور SF6 می تواند به دو نوع با شکاف گاز یا در امتداد سطوح دی الکتریک­های جامد باشد. شرایط تخلیه در امتداد سطوح دی­الکتریک های جامد به طور قابل توجهی با شرایط تخلیه­ی شکاف گاز متفاوت است و می­تواند عامل اصلی تعیین ابعاد هندسی دژنکتور باشد. در عمل، سیستم عایقی باید بتواند ولتاژ AC یکایی شده و اضافه ولتاژ­ های یکایی شده را تحمل کند.امروزه عایق SF6 به دلیل ویژگی­های فیزیکی – شیمیایی و الکتریکی بالا، پذیرش  و جایگاه گسترده­ای در دستگاه­های ولتاژ بالا به عنوان عایق داخلی به دست آورده­است. بنابراین، تقاضا برای روش های محاسبه­ی دقیق و قابل اطمینان برای تجزیه و تحلیل قدرت الکتریکی سازه با شکاف­های اصلی بوجود آمد. با این حال، معیارهایی در دسترس هستند که اغلب تجربی یا نیمه تجربی و برای برنامه­های کاربردی خاص می­باشند، در نتیجه کاربرد آن­ها محدود شده است [۱]. بنابراین ارزیابی عملکرد ساخت و ساز آن در ولتاژ بالا بسیار پیچیده است.

2. طرح مسئله و پاسخ

مکانیزم تخلیه در امتداد سطوح دی الکتریک هنوز موضوع بسیاری از تحقیقات است [۲، ۳، ۴] اما توصیف نظری مناسب برای محاسبات مهندسی در حال حاضر در دسترس نیست. بنابراین لازم است از انواع مختلف ساده سازی­ها استفاده شود [۵].بر اساس تکنیک­های محاسبه­ی در دسترس، تجزیه و تحلیل قدرت الکتریکی گره واحد کلیدزنی تحت ولتاژ بالا با عایق داخلی در مطالعه­ی حاضر انجام شده است. نمای کلی از گره واحد کلیدزنی در شکل ۱ داده شده­است [۶]. گره­ها به شرح زیر می باشند:۱ – محفظه­ی زمین شده ؛ ۲ – عایق اپوکسی ؛ ۳ – سیستم پاکسازی SF6 (فیلتر) ؛ ۴- المان گیره برای هادی جریان ۷ و عایق ۲ ؛ ۵ – صفحه­ی هادی جریان در سیستم شکاف ؛ ۶ – صفحه­ی هادی جریان محفظه­ی شکاف با سیستم زمین شده ؛ ۷ – هادی جریان. جریان گاز، توسط فلش ​​نشان داده شده­است.

شکل ۱٫ گره واحد SF6 ولتاژ بالا

ولتاژ نامی ۲۲۰ کیلوولت، فشار تورم SF6 (مطلق) ۰٫۷ MPa است. هدف از مطالعه­ی پیش رو، تعيين علل بالقوه­ی ايجاد جرقه­ی عايق ۲ در داخل و در بعضي موارد از طريق سطح بيروني، در طول آزمايشات با استفاده از پالس­هاي صاعقه­ی یکایی شده، به ويژه براي از بين بردن نقايص ممکن ساخت است.

۲٫۱  روش­های محاسبه

الگوی توزیع میدان الکتریکی در گره تحت بررسی (شکل ۲) برای محاسبه­ی تحلیلی در بسته­ی نرم­افزاری Elcut 5.5 (منطقه­ی مربوطه در شکل ۱ که توسط قاب مستطیلی مشخص شده­است) بدست آمده است. با این کار مشکل الکترواستاتیکی محور تقارن حل شد. توزیع میدان با خطوط هم پتانسیل نشان داده شده­است. شدت توزیع توسط فلش­هایی قابل مشاهده می­باشد. تعیین عناصر مطابق با شکل ۱ داده می­شود. خطوط واصل ( a – b ) و (c – d – e – f ) جهت تخلیه را نشان می­دهند.تنظیم مشکل محور تقارن کمی دقت محاسبات را کاهش می­دهد (در مقایسه با مدل سه بعدی)، اما اجازه می­دهد تا انجام تجزیه و تحلیل به شکل ارزیابی صورت پذیرد. بیشترین مسیرهای احتمالی شکل­گیری تخلیه­ی مورد محاسبه، در شکل ۲ داده شده­است. پارامترهای اصلی شکاف تحت بررسی، در جدول ۱ آمده است. دو نوع شکاف اصلی در ساخت قضیه­ی مورد بررسی وجود دارد: شکاف با عایق گازی خالص ( a-b ،  c-d ،  e-f ) و شکاف بین سطح عایق ( d-e ).

شکل ۲٫ مدل و محاسبه­ی نتایج میدان الکتریکی تحت ولتاژ اعمال شده­ی ۱۰۰ کیلوولت

۲٫۲ شکاف­هایی با عایق گازی خالص

به طور کلی، روش محاسبه از شکاف­های عایق بندی شده با گاز خالص شامل موارد زیر می­باشد:·       تعریف وضعیت عدم وابستگی تخلیه در حالت­های شکل­گیری تخلیه به صورت خطی و یا با مکانیزم بهمنی ؛·       تعریف وابستگی تحلیلی توزیع شدت در یک شکاف (در مورد میدان های ناهمگن) ؛·       تعریف عبارت نتیجه برای محاسبه­ی ولتاژ اولیه با استفاده از وابستگی تقریبی ضریب تأثیر یونیزاسیون بر شدت میدان الکتریکی.

جدول ۱٫ پارامترهای اصلی شکاف تحت تحلیل

شرایط استقلال تخلیه به شرح زیر اعمال شده است: که در آن  اثر مؤثر ضریب یونیزاسیون؛  طول بحرانی خط نیروی میدان، که در آن:   و  .توزیع شدت میدان در تمامی شکاف ها با وابستگی فعلی تقریب زده می­شود: مطابق با [۲]، که در آن  – شدت بر روی سطح الکترود بر حسب kV / mm؛ و R – شعاع موثر الکترود دایره­ای بر حسب میلی متر می­باشد.برای محاسبه­ی شکاف a – b تقریب دقیق با بیان رابطه­ی فعلی اعمال شد: مطابق با [۸، ۹]، مقادیر شدت میدان در سطح الکترودها عبارتند از: در آخرین معادله  هماهنگ در طول خط نیروی نقطه­ی مورد بررسی بر حسب mm؛  – ابعاد مشخصه بر حسب میلیمتر (شعاع کروی صفحه­ی ۵ و فیلتر ۳ به عنوان ابعاد مشخص پذیرفته شدند)؛ d – طول خط نیرو بر حسب میلی متر؛ شدت میدان  .بیان نتیجه برای ولتاژ تخلیه برای اولین مورد، با توجه به تقریب خطی وابستگی ضریب تأثیر یونیزاسیون بر شدت میدان الکتریکی، به شرح زیر است: که در آن  برابر با ۸۹ کیلوولت بر میلی­متر مگاپاسکال- مقدار بحرانی شدت کاهش یافته، در حالی که  و   می­باشد.بیان تحلیلی برای مورد دوم در این مقاله به دلیل سختی و عدم مطلوبیت آن بیان نشده­است.

۲٫۳ سطح عایقی اپوکسی شده در امتداد شکاف

برای محاسبه­ی قدرت الکتریکی یک شکاف عایقی اپوکسی d – e، وابستگی تجربی زیر مورد استفاده قرار گرفته است [۱۱]: که P – فشار SF6 بر حسب atm –  ضریب ظرفیت میدان؛ d – طول شکاف بر حسب سانتی­متر می­باشدمقادیر محاسبه شده­ی قدرت الکتریکی شکاف تحت بررسی در جدول ۲ آمده است.

جدول ۲٫ نتایج محاسبات

نتایج به دست آمده نشان می­دهد که در شرایط خالص در یک شکاف، یک قدرت الکتریکی ساختاری وجود دارد که تشریحات در باره­ی آن­ها درست است. ما همچنین می توانیم نتیجه بگیریم که وابستگی تقریبی فرم ساده تر برای توزیع شدت در یک شکاف در مورد مناطق بیش از حد ناهمگن می­تواند مورد استفاده قرار گیرد. تفاوت در مقادیر محاسبه حدود ۳٪ است.نتایج بدست آمده نشان دهنده­ی طراحی قدرت دی الکتریک ناکافی، حتی برای یک شکاف در ذرات غیر آلوده و محتویات تجزیه شده در SF6، می­باشد. قدرت دی الکتریک شکاف گاز a – b کمی بیشتر از ولتاژ آستانه تحمل تست است. ولتاژ تخلیه در امتداد سطح دی الکتریک جامد ۰٫۷۷ ولتاژ آستانه تحمل تست است. مسیر تخلیه­ی احتمالی c – d – e – f  از خط نیروی الکتریکی در شکاف مورد بررسی نشان داده شده­است، اما همانگونه که در شکل ۵ نشان داده­ شده شکاف تخلیه در امتداد سطح دی الکتریک ممکن است دارای مسیر دیگری باشد. بنابراین احتمال زیادی برای تخلیه­ی الکتریکی در شکافa – b  یاe – f – c – d  وجود دارد.

۳٫     نتیجه گیری

اين مقاله براساس معيار ابتكاري تخليه­ی خطی نيروي الکتریکی دژنکتور محاسبه شده­است. نتایج بدست آمده قدرت دی الکتریک ناکافی برای این طراحی را نشان می­دهد. نتایج نظری که در طول آزمون پالس صاعقه به دست آمده، به صورت آزمایشی تأیید شده است. در حال حاضر قدرت دی الکتریک با تغییر فاصله بین ۸۲ تا ۱۰۰ میلی متر افزایش می­یابد.

منبع: ۲۰۱۸ ۲nd AASRI Conference on Power and Energy Systems