Производители комплектных распределительных устройств (КРУ) регулярно сталкиваются с вопросами, которые не имеют однозначного ответа в нормативной документации. И это не смотря на то, что электроэнергетика считается одной из самых зарегламентированных отраслей. И всё же в огромном массиве норм и положений находятся «белые пятна», которые при ближайшем рассмотрении оказываются не такими уж и «белыми». Скорее, «черными», и не пятнами, а «дырами» – в них пропадает и время конструкторов, мучающихся над каверзным вопросом, и бюджеты заказчиков.
Один из таких вопросов – толщина диэлектрических перегородок внутри ячейки КРУ.
Действующие нормы прописывают изоляционные расстояния в воздухе, электрическую прочность материалов в кВ/мм, требования к механической прочности. Но они не дают четкого ответа на вопрос «сколько будет в миллиметрах?», как не дают и формул для нахождения конкретных конструктивных решений.
«Нет такого ГОСТа, где написано: бери столько-то миллиметров. Есть свойства материала на единицу площади, а как их применить к реальной ячейке – оставалось вопросом. Данные не давали целостного понимания: достаточно ли пяти миллиметров для кабельного отсека конкретного габарита, не возникнет ли пробоя по воздуху между фазами или на корпус?», – комментирует Руководитель направления перспективных конструкторских разработок Андрей Патраков.
Между тем изоляционный материал поставляется по весу, и переход с 10 мм на 5 мм напрямую влияет на себестоимость конечного изделия. В условиях, когда цена энергооборудования становится для заказчика таким же решающим фактором выбора, как и надежность, отмахнуться от этого было бы для производителя недальновидно.
В итоге инженер оказывается перед выбором: закладывать избыточный запас и увеличивать конечную стоимость изделия, или рисковать, сокращая толщину твердой изоляции. Но до какого предела? «Сколько вешать в граммах?».
Перевести выбор в научно-обоснованную плоскость взялись специалисты Челябинского завода электрооборудования (ЧЗЭО) совместно с учёными Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ). Завод выступил заказчиком и поставил задачу, актуальную для всей отрасли: определить минимально допустимую толщину диэлектрических перегородок для ячейки КРУ Нексус 35 кВ. Для решения задачи была выбрана технология трёхмерного цифрового моделирования методом конечных элементов.
Что показали расчёты и почему это меняет отраслевой подход
Для получения обоснованного ответа была построена трёхмерная цифровая модель ячейки КРУ Нексус 35 кВ. Модель учитывала все токоведущие части, заземлённые элементы, воздушные промежутки и твёрдую изоляцию. Каждому объёмному домену были присвоены электрофизические свойства в соответствии с реальным материалом: для исследуемого композита были приняты диэлектрическая проницаемость 4,5 и удельная проводимость 0,3 пСм/м.
Расчёт выполнялся в квазистационарной постановке для промышленной частоты 50 Гц. Для токоведущих частей каждой фазы заданы граничные условия, соответствующие максимальному рабочему напряжению 40,5 кВ (действующее значение). Все заземлённые нетоковедущие части приняты с нулевым потенциалом. После построения расчётной сетки, состоящей примерно из 30 миллионов конечных элементов, была решена система дифференциальных уравнений электромагнитного поля.
Результаты моделирования показали, что напряжённость электрического поля в исследуемом материале не превышает 0,3 кВ/мм, что многократно ниже его электрической прочности (12 кВ/мм перпендикулярно слоям). Таким образом, с точки зрения пробоя самого диэлектрика, толщина 5 мм является допустимой с большим запасом.
В то же время моделирование выявило локальные области внутри ячейки, где напряжённость в воздухе достигает значений 1–2 кВ/мм – порога возникновения коронных разрядов. Это означает, что опасность кроется не в толщине диэлектрика, а в геометрии токоведущих частей – острых кромках и углах, искажающих поле.
На основе полученных данных специалисты ЧЗЭО приняли решение о возможности безопасного применения перегородок исследуемого композита толщиной 5 мм в ячейках КРУ Нексус 35 кВ. В качестве рекомендации для дальнейшего улучшения конструкции было предложено устранить на токоведущих частях острые углы и кромки, которые являются источниками повышенной напряжённости и потенциальными очагами коронирования.
Значение исследования для отрасли
Результаты этой работы выходят далеко за рамки одного предприятия. Отрасль в целом получила ещё один наглядный пример того, как цифровые методы расчёта позволяют определить истинные границы допустимого, снизить материалоёмкость оборудования и найти оптимальное соотношение изоляционных, механических и стоимостных показателей изделия без снижения его надёжности.
В перспективе широкое внедрение цифрового моделирования в практику проектирования КРУ позволит перейти от принципа «сделаем потолще и с запасом» к научно обоснованным, экономически эффективным решениям. Это особенно актуально в условиях импортозамещения и жёсткой конкуренции, где каждый рубль, сэкономленный на материалах без потери качества, укрепляет позиции отечественного производителя.
Автор исследования – доц. каф. «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» ЮУрГУ, к.т.н. Лонзингер П.В.
Руководитель научной группы – Первый проректор-проректор по научной работе ЮУрГУ, профессор кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Коржов А.В.