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.

 

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.

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:

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

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

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

Natężenie pola elektrycznego opisuje znany wzór:

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.

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.

 

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. Dzierżyński^1)
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