ANALIZA POLA ELEKTRYCZNEGO

Transkrypt

1 Wojciech KRAJEWSKI Henryk SIBILSKI Robert WOJCIECHOWSKI ANALIZA POLA ELEKTRYCZNEGO W STRESZCZENIE elektrycznego w wybranym przedziale rozdzielnicy a, zastosowania w niej suchego powietrza w miejsce SF 6. (MES) przydatne w procesie dostosowania j rozdzielnicy do bardziej ekologicznej izolacji gazowej, ej mniejsz wytrzy- elektryczn. Podobna analiza pola powinna stosowana w procesie projektowania nowych Numeryczne modelowanie niach wysokiego i do a kosztów budowy prototypów oraz ratoryjnych. M do powstawania bardziej materi -, a co za tym idzie, elektroenergetycznych. rozdzielnice elektroenergetyczne, pole elektryczne, metoda Wojciech KRAJEWSKI, prof. IEl w.krajewski@iel.waw.pl prof. dr hab. Henryk SIBILSKI h.sibilski@iel.waw.pl Instytut Elektrotechniki -703 Warszawa Robert WOJCIECHOWSKI robert.wojciechowski@zpue.pl ZPUE S.A. - zowa PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 263, 2013

2 34 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski U nia elektroenergetyczne, poza - [1], s odpowiednie wymagania w zakresie odpor- [2] oraz udarowe piorunowe [2]. zwykle z wykonywania kosztownych prototypów, które odpowiednim badaniom laboratoryjnym, na Konstruktorzy,, zwykle specjalnymi wytycznymi do ich projektowania, czy metodykami obliczeniowymi, gw cia, zarówno udarowe, jak i sinusoidalnie zmienne. Jednak zachowanie wspomnianych co czyni je nadmiernie D, nie, powoduje nast przeskok w izolacji gazowej prototypu. Miejsce i przyczyna tego przeskoku trudne do ej kamery. Innym zagadnieniem,, dzenia od stosowania w nich SF 6 sowanie, w miejsce SF 6 uchego powietrza, które jednak nie [3]. tam, liwe, próby przeprojektowania produkowanych isf 6 suchym powietrzem. Dla uzyskania projektowaniu nowych, bardziej ekologicznych i oenergetycznych SN i WN, bardzo numeryczna analiza pola elektrycznego w ich przestrzeniach izolacyjnych. komputerów oraz rozwój numerycznych metod analizy pól. W niniejszym artykule prze rycznego we fragmencie rozdzielnicy SN (24 kv) 6 zastosowania w niej suchego powietrza jako izolacji gazowej. 2. CHARAKTERYSTYKA ROZDZIELNICY Zgodnie z ami, w niniejszym artykule przeprowadzono w rozdzielnicy SN (produkcji ZPUE S.A.) typu TPM, wariant TLL, z dwoma polami liniowymi i jednym polem transformatorowym. Widok nicy pokazano na rysunku 1, a jej wybrane parametry podano w tabeli 1. Rozdzielnica ta -

3 Analiza pola elektrycznego w 35 ach ych promieniowych sieci miejskich. TABELA 1 Wybrane parametry analizowanej rozdzielnicy SN Znamionowe wytrzymywalne udarowe we 1,2/50 μs 20 kv 24 kv 50 Hz 50 kv/60 kv 125 kv/145 kv z szynami zbiorczymi. Rys. 1. Rozdzielnica TPM wariant TLL (obudowa i aparatura) - do przedzi pokazano na rysunku i dlatego jest ona przedmiotem przedstawionej w artykule analizy.

4 36 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski Rys. ( ) 3. ELEKTRYCZNA IZOLACYJNYCH Z DIELEKTRYKIEM GAZOWYM gazowego u izolacyjnego rozumiana jest przeskoku, które od rodzaju gazu,, 2]. stosunkowo dobrze rozpoznane, zarówno od strony teoretycznej, jak i ekspery- stanu gazu - trzenno- - - ostrze- - wieloelektrodowych o skomplikowanej geometrii, a co za tym idzie, jego wytrzymywalnego - wynosi ok. 21 zatem

5 Analiza pola elektrycznego w 37 izolacyjnym (w normalnych warunkach atmosferycznych) nie zostanie przekroczona ta referencyjna, to z drugiej strony, jej przekroczenie Z tego typu (o zn nego) mamy do czynienia analizowanej rozdzielnicy. 4. ZASTOSOWANA METODA OBLICZENIOWA rozwa anym przedziale rozdzielnicy jest zagadnieniem skomplikowanym - wykonane jedynie z zastosowaniem numerycznych metod analizy pól, takich jak np. ) [4 (MEB) [5, 6 zastosowan Obliczenia, których wyniki przedstawiono w, wykonano profesjonalnym, obok wspomnianej MEB, - - o- i tacjonarnych, zarówno w zakresie pól dwuwymiarowych (2D), jak i w przypadku problemów trójwymiarowych (3D). Analizowany tutaj problem 3D opisany jest równaniem Laplace a (dla skalar- 0 (1) z war potencjale : (2) oraz warunkami I -gaz): n I n I 0 (3) MES -

6 38 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski - -, siatka tworzona jest (w naszym przypadku skalarny bardzo ieniem podczas wy- z zastosowaniem MES jest wygenerowanie dostatecznie siatki,, zastosowanie odpowiedniej aproksymacji poszukiwanej funkcji. Z drugiej strony n t, na potrzebnej wykonywania 5. DYSKRETYZACJA PRZEDZIA UZIEMNIKA W niniejszym rozdziale przedstawiono siat zastoso- w obliczeniach pola elektrycznego w przedziale uziemnika, w którym e. Przy tworzeniu numerycznego modelu zagadnienia wykorzystano ych, uziemionych przegród, fragmentów rozdzielnicy Rys. uziemnika (obudowa i aparatura)

7 Analiza pola elektrycznego w OBLICZENIA POLA ELEKTRYCZNEGO W PRZEDZIALE UZIEMNIKA nia pola elekt- kv. W obliczeniach przy- normami e piorunowe. Przeanalizowano przypadek, gdy wszystkie trzy szynoprzewody fazowe, przepusty oraz styki nieruchome uziemnika 4). Obliczenia wykonano na komputerze PC z procesorem Intel Core i7-2600k 3,4 GHz 8,04 blemu wykorzystano praktycznie czona, np. w obszarze izolatorów i przepustów. Skutkowa to pewnymi lokalnymi 4 (prawa strona) pokazano uziemnika. Rys. 4. Elementy nego na obudowie (prawa strona) 5- pola na powierzchniach x = 35 mm, 70 mm, 100 mm, 140 mm, 200 mm i 240 mm. Pierwsza i ostatnia z tych pow górne i dolne izolatory, noprzewody. Jak

8 40 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski 40 kv/cm (rys. kv/cm (rys. 7 i 8). Rys. 5. uziemnika x =35mm

9 Analiza pola elektrycznego w 41 Rys. 6. x =70mm

10 42 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski Rys. 7. x = 100 mm

11 Analiza pola elektrycznego w 43 Rys. 8. x = 140 mm

12 44 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski Rys. 9. x = 200 mm

13 Analiza pola elektrycznego w 45 Rys. 10. x = 240 mm

14 46 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski 7. PODSUMOWANIE I WNIOSKI - gazowej SF 6-6 przeskokiem. przeanalizowan nusoidalnie zmienne Zgodnie o t kv. w - zderzeniowej) wynosi dla powietrza (w normalnych warunkach atmosferycznych) ok. 21 W analizowanym obiekcie mamy do c dowym o polu silnie niejednorodnym. Precyzyjna analityczna elektrycznej takiego obiektu jest zadaniem skomplikowanym. Zaprezentowane obliczenia kv, tj. 2,5 raz lne sieciowe. Zatem, aby, kv ponad 40% progowego a ulotu (21 powietrza, w tym miejscu - dla izolacji z SF 6 apasem, co jest oczywiste w przypadku stosowania tradycyjnych (bez numerycznej analizy pola elektrycznego) metod pro ej wspomniano, zgodnie znamionowe wytrzymywalne piorunowe rozdzielnicy wynosi 125 której na pewno krytycznego pola elektrycznego 30 z przeprowadzonej analizy pola elektrycznego, w niektórych miejscach rozdzielnicy

15 Analiza pola elektrycznego w 47 2,5 razy przekracza Bowiem tak jak poprzednio, pola elektrycznego, przy którym referencyjnej 30 2]. udarowe piorunowe prosty sposób skory-, na Korzystny efekt (bez zmiany gabarytów rozdzielnicy) przekroju przewod -. - tak, przy ich powierzchni. Jak pokazano, analiza numeryczna pola elektrycznego elektroenergetycznych doskonaleniu metod ich projektowania, przyczyni a kosztów budowy prototypów oraz powod ograni- M przyjaznych elektroenergetycznych. z modelami oraz metodami obliczeniowymi w zakresie zjawisk fizycznych w elektroizolacyjnych z dielektrykami gazowymi [7-10 lepsze rezultaty. LITERATURA 1. PN-EN 60694: Postanowienia wspólne.pkn, Flisowski Z.: Technika WNT, Warszawa, y Prace Instytutu Elektrotechniki, Zeszyt 49, 1966, s Zienkiewicz O.C.: The Finite Element in Engineering Science. McGraw-Hill, New York, Brebbia C.A., Telles J.C.F., Wrobel L.C.: Boundary Element Techniques. Springer, Berlin Heidelberg New York, Prace Instytutu Elektrotechniki, Monografia, zeszyt 224, Ficker T.: Streamer spots on dielectric barriers. IEEE Transactions on Plasma Science, VOL. 36, No. 4, 2008, s Ficker T.: Electron avalanches I Statistics of partial microdischarges in their pre-streamer stage. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 10, No. 4, 2003, s

16 48 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski 9. Ficker T.: Electron Avalanches II Fractal morphology of partial microdischarge spots on dielectric barriers. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 10, No. 4, 2003, s Ficker T.: Electron avalanche statistics. Acta Physica Polonica A, No. 6, Vol. 116, 2009, s r. ELECTRIC FIELD ANALYSIS IN A SWITCHGEAR OF MIDDLE VOLTAGE Wojciech KRAJEWSKI, Henryk SIBILSKI Robert WOJCIECHOWSKI ABSTRACT In the paper, the electric field analysis in a selected compartment of a middle voltage switchgear is presented. The analysis has been performed using a professional software package that employs the finite element method (FEM). In the considered switchgear, an insulation of SF 6 will be substituted by a dry air insulation that is more ecological, however, it is of the lower dielectric withstand. The electric field analysis (presented in the paper) can be a useful tool in the designing process of new electric power devices. Such a numerical analysis can help to reduce the costs of designed device prototypes and can limit their indispensable laboratory investigations. Such an approach can also enable to design smaller and more material-saving devices which are cheaper and more environmental friendly. Keywords: power switchgears, electric field, finite element method Dr hab. Wojciech KRAJEWSKI w 1977 studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej (spec- ). W roku 1984 na tym samym pt. Analiza pola towanych impulsem magne r. na podstawie rozprawy pt. Elementy brzegowe w Instytucie Elektrotechniki, gdzie pracuje od 1981 r., obecnie na stanowisku prof

17 Analiza pola elektrycznego w 49 kompu h oraz do brytyjskiego The Institution of Engineering and Technology. SIBILSKI - magisterskie na Politechnice Warszawskiej. Po studiach. W 1954 r. - (UNO Fellowship). W 1977 profesora nadzwyczajnego nauk technicznych. (United Nations Industrial Development Organization) w: - MEXICO Instituto de Investigationes Electricas Mexico DP, - North KOREA (Pyongyang): Ministry of Machine Industry, - Syrii Damascus. - Technical University SYDNEY. Fellowship: Australia, - Instytut fur Allgemeine Elektrotechnik und Hochspannung, - Technik. Rhein.-Westf. Technische Hochschule Aachen Visiting Professor. rozdzielczej wysokiego n konferencji naukowych. WOJCIECHOWSKI w 1997 r. studia na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na Wydziale Systemy, Maszyny. pracuje w ZPUE S.A.; najpierw na stanowisku specjalisty w Dziale Techniki i Rozwoju, od 2006 r. jako kierownik Sekcji Aparatów i Prototypów a od 2011 r. jako kierownik -, 6 itp.).

18 50 W. Krajewski, H. Sibilski, R. Wojciechowski