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.
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 данного 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, профессор кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Коржов А.В.
