Konferencje

Analiza rozkładu pola elektrycznego w rozdzielnicy kompaktowej 24 kV w kontekście zastąpienia gazu SF6 suchym powietrzem

Wykonano obliczenia rozkładu pola elektrycznego w rozdzielnicy kompaktowej 24 kV, wyposażonej w rozłącznik dobezpieczony bezpiecznikami ŚN oraz uziemnik. Obliczenia przeprowadzono dla obszaru połączeń szynowych i przepustów oddzielających przedziały wewnętrzne rozdzielnicy. Przedmiotowa rozdzielnica w swoim pierwotnym rozwiązaniu była izolowana gazem SF6. Głównym celem przedstawionego modelowania numerycznego była analiza możliwości zastąpienia izolacji SF6 przez ekologiczne suche powietrze, które niestety charakteryzuje się niższą wytrzymałością elektryczną. Wyniki obliczeń pozwoliły na ustalenie punktów o maksymalnym natężeniu pola elektrycznego i w konsekwencji na wprowadzenie zmian w celu zmniejszenia naprężeń elektrycznych dla uniknięcia przeskoku w izolacji gazowej.

Wstęp

Dynamiczny, w ostatnich latach, wzrost możliwości sprzętu komputerowego oraz rozwój numerycznych technik analizy pól umożliwiają wykonanie szczegółowej identyfikacji pola elektrycznego wewnątrz obiektów elektroenergetycznych, np. [1–4], w tym rozdzielnic hermetycznych izolowanych gazem lub suchym powietrzem, np. [5]. Taka analiza może być bardzo użyteczna w projektowaniu i przeprojektowywaniu rozdzielnic kompaktowych. Powyższe podejście może przyczynić się do zmniejszenia kosztów opracowania prototypów urządzeń oraz ograniczyć niezbędne badania laboratoryjne. Obliczenia rozkładu pola elektrycznego wykonano dla wybranego przedziału rozdzielnicy wnętrzowej 24 kV (rys. 1) produkowanej przez polską firmę ZPUE SA. Analiza została przeprowadzona przy użyciu profesjonalnego pakietu oprogramowania Maxwell (ANSYS), wykorzystującego metodę elementów skończonych (MES). W przedmiotowej rozdzielnicy izolacja SF6 będzie zastąpiona przez suche powietrze, ekologiczne, choć o 2,5 do 3-krotnie mniejszej wytrzymałości elektrycznej niż SF6. Przedstawiona analiza dotyczy przedziału z uziemnikiem oraz połączeniami szynowymi i przepustami. (rys. 2). Rozkłady pola elektrycznego w sąsiedztwie gołych przewodów są szczególnie interesujące, gdyż na ich powierzchni może być inicjowany przeskok lub mogą pojawiać się wyładowania niezupełne.

Rys_1b

Rys_1a

Rys. 1 Rozdzielnica kompaktowa 24 kV produkcji ZPUE S.A., Włoszczowa

 

Opis rozdzielnicy

Analizowana w artykule rozdzielnica TPM [6] jest urządzeniem energetycznym spełniającym funkcje związane z przyłączeniem do sieci i z zasilaniem lub zabezpieczeniem jednego względnie dwóch transformatorów pracujących w obwodzie pierścieniowym lub promieniowym sieci elektroenergetycznej miejskiej. Dane techniczne rozdzielnicy podano w tabeli 1. Wspomniany wyżej przedział uziemnika badanej rozdzielnicy pokazano na rysunku 2.

Rys_2b

Rys. 2. Przedział uziemnika (osłona i urządzenia); części pozostające pod napięciem zaznaczono kolorem amarantowym

Rys. 2. Przedział uziemnika (osłona i urządzenia); części pozostające pod napięciem zaznaczono kolorem amarantowym

Tabela 1. Podstawowe parametry techniczne rozdzielnicy

Znamionowe napięcie sieci 20 kV
Górne napięcie łączeniowe 24 kV
Znamionowa częstotliwość 50 Hz
Znamionowe wytrzymywane napięcie izolacji 50 kV/60 kV
Znamionowe wytrzymywane napięcie udarowe

1.2/50µs

125 kV/145 kV

Warunki brzegowe oraz zastosowana metoda numeryczna

Obliczanie rozkładu pola elektrycznego we wnętrzu rozpatrywanego przedziału rozdzielnicy jest zagadnieniem skomplikowanym z uwagi na konieczność wykonania analizy 3D pola generowanego przez złożony system połączeń szynowych pomiędzy bezpiecznikami i rozłącznikiem wraz z przepustami. Wspomniane pole elektryczne podlega również oddziaływaniu metalowych i uziemionych osłon i wsporników połączonych za pomocą śrub, nakrętek oraz podkładek, które w sposób istotny oddziałują na rozkład pola elektrycznego. Tego rodzaju problem można rozwiązywać wyłącznie przy zastosowaniu metod numerycznych.

Metoda elementów skończonych (MES) [7] oraz metoda elementów brzegowych (MEB) [8] to metody, które najczęściej są stosowane do analizy rozkładu pola elektrycznego i pola magnetycznego w urządzeniach elektroenergetycznych. W artykule do obliczeń i analizy rozkładu pola zastosowano MES.

Wspomniany wyżej problem opisany jest równaniem różniczkowym Laplace’a dla skalarnego potencjału elektrycznego:

Dzierzynski_Analiza_rozkladu_wzor_1

z warunkami brzegowymi Dirichleta na powierzchniach przewodzących Γ ze znanym potencjałem φ :

Dzierzynski_Analiza_rozkladu_wzor_2

oraz warunkami ciągłości pola na powierzchni Γ1 pomiędzy dielektrykami o różnych przenikalnościach elektrycznych (np. na granicy żywica – gaz):

Dzierzynski_Analiza_rozkladu_wzor_3

gdzie ε+ i ε oznaczają przenikalności elektryczne przylegających do siebie materia-łów.

Natężenie pola elektrycznego opisuje znany wzór:

Dzierzynski_Analiza_rozkladu_wzor_4

Wyniki obliczeń numerycznych

Przedstawione wyniki obliczeń rozkładów pola elektrycznego wykonano z użyciem PC z procesorem Intel Core i 7-2600K 3.4 GHz wyposażonym w 8 GB pamięci RAM.

Całkowity czas wykonywania obliczeń wyniósł 2,5 godz. Obejmuje on czas generacji siatki MES, obliczenia współczynników równań algebraicznych oraz czas odwracania macierzy zagadnienia.

Wyniki obliczeń dla układu połączeń pokazanego na rysunku 2 (przy dyskretyzacji obszaru jak na rysunku 3) pokazano na rysunkach 4 i 5.

Rys_3b

Rys. 3. Approksymacja przedziału uziemnika elementami skończonymi (obudowa i urządzenia)

Rys. 3. Approksymacja przedziału uziemnika elementami skończonymi (obudowa i urządzenia)

Rozkłady natężenia pola elektrycznego w sąsiedztwie wykonanego z gołych płaskowników oszynowania pośredniego (na wysokości 70 mm od dolnej powierzchni obudowy) pokazano na rysunku 4b. Na tym poziomie, natężenie pola elektrycznego osiąga wartość równą 31,7 kV/cm. Jest to maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego w sąsiedztwie ciągów szynowych rozdzielnicy. Ta wartość natężenia pola elektrycznego znacznie przekracza 21 kV/cm, przy której to wartości występują wyładowania niezupełne w powietrzu [9, 10]. W tych warunkach może dojść do przeskoku w izolacji gazowej, tj. w suchym powietrzu. Najprostszym sposobem zmniejszenia natężenia pola elektrycznego na powierzchniach połączeń szynowych byłoby zwiększenie odległości pomiędzy elementami przewodzącymi a uziemionymi. Niestety takie rozwiązanie prowadzi do niepożądanego zwiększenia wymiarów zewnętrznych rozdzielnicy. Innym rozwiązaniem może być zastosowanie, np. połączeń szynowych wykonanych z przewodów okrągłych. Jeszcze innym sposobem pozwalającym na zmniejszenia natężenia pola elektrycznego może być zmiana drogi prowadzenia połączeń szynowych wewnątrz rozważanego przedziału rozdzielnicy.

Rozkład pola elektrycznego na górnej i dolnej powierzchni obudowy badanego przedziału rozdzielnicy pokazano na rysunku 5. Szczególnie interesujący jest rozkład pola elektrycznego w sąsiedztwie przepustów. Na rysunku 5 można zauważyć, że natężenie pola w dolnej części przedziału rozdzielnicy, pomiędzy przepustami a obudową (w izolatorach z żywicy epoksydowej) wynosi 240 kV/cm i jest znacznie większa od wartości natężenia pola wokół przepustów w górnej części obudowy (36 kV/cm). Wynika to z różnicy średnic przepustów. Obliczona wartość natężenia pola elektrycznego wokół przepustów jest znacznie mniejsza od wytrzymałości elektrycznej materiału, z którego wykonane są otaczające je izolatory.

Rys. 4a. Rozkład pola elektrycznego w przedziale rozłącznika na poziomie 35 mm

Rys. 4a. Rozkład pola elektrycznego w przedziale rozłącznika na poziomie 35 mm

Rys. 4b. Rozkład pola elektrycznego w przedziale rozłącznika na poziomie 70 mm

Rys. 4b. Rozkład pola elektrycznego w przedziale rozłącznika na poziomie 70 mm

 

Rys. 5a. Rozkład pola elektrycznego w uziemniku na poziomie 0 mm

Rys. 5a. Rozkład pola elektrycznego w uziemniku na poziomie 0 mm

Rys. 5b. Rozkład pola elektrycznego w uziemniku na poziomie 280 mm

Rys. 5b. Rozkład pola elektrycznego w uziemniku na poziomie 280 mm

Wnioski

W artykule przedstawiono sposób postępowania pozwalający na wyznaczenie miejsc o największych natężeniach pola elektrycznego w rozważanym przedziale rozdzielnicy kompaktowej. W sąsiedztwie izolatorów epoksydowych natężenie pola elektrycznego jest znacznie mniejsze od wytrzymałości elektrycznej tychże izolatorów.

Z kolei, w sąsiedztwie wykonanych z gołych płaskowników połączeń szynowych natężenie pola elektrycznego znacznie przekracza wartość 21 kV/cm, przy której to wartości w suchym powietrzu powstają wyładowania niezupełne. W suchym powietrzu w miejscach tych może także nastąpić przeskok. W przypadku miejscowego przekroczenia wartości natężenia pola elektrycznego możliwe jest wprowadzenie stosunkowo prostych zmian w celu uniknięcia przeskoku w izolacji gazowej (suche powietrze).

Krajewski1), H. Sibilski1),
R. Wojciechowski2)
, A. Dzierżyński1)
1) Instytut Elektrotechniki, ul. Pożaryskiego 28, 04-703 Warszawa;
2) ZPUE S.A., ul. Jędrzejowska 79c, 29-100 Włoszczowa

Literatura

  1. Krajewski, „Numerical modelling of the electric field in HV substations”, IEE Proc. Sci. Meas. Technol., Vol. 151, No. 4, 2004, s. 267–272
  2. Trkulja, Ž. Štih, „Computation of electric fields inside large substations” IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 24, No. 4, 2009, s. 1898-1902
  3. Ranković, M.S. Savić, „Generalized charge simulation method for the calculation of the electric field in high voltage substations”, Electrical Engineering, Vol. 92, No. 2, July 2010, s. 69–77
  4. Zhang, X. Xie, L. Li, D. Xiao, W. He, „Super-fast multipole method for power frequency electric field in substations”, COMPEL, Vol. 33, No. 1-2, 2014, s. 594–610
  5. Krajewski, „Numerical evaluation of the electric field in the compact switchgear of medium voltage”, Prace Instytutu Elektrotechniki, Zeszyt 267, 2014, s. 35–48
  6. http://zpue.pl/en/mv-switchgear/tpm/information.html
  7. O.C. Zienkiewicz, „The Finite Element in Engineering Science”, McGraw-Hill, New York, 1971
  8. C.A. Brebbia, J.C.F Telles, L.C. Wrobel, „Boundary Element Techniques”, Springer, Berlin Heidelberg New York, 1984
  9. W.F. Peak, „Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering”, McGraw-Hill, 1929
  10. Flisowski, „Technika Wysokich Napięć”’ WNT, Warszawa, 1992
Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top