Анализ на изолационната ефективност на 10кВ външни вакуумни прекъсвачи

Въведение

Вакуумният прекъсвач е най-важната компонента в вакуумния брекер. Разполага с много предимства, като голяма разцепителна способност, честа оперативност, отлична дугова изолация, без замърсяване и компактен размер. С развитието на вакуумните брекери към по-високи напрежения, дълбокото проучване на вътрешната и външната изолационна способност на вакуумните прекъсвачи за открито става още по-необходимо.

Разпределението на електричното поле в прекъсвача значително влияе върху изолационната способност на вакуумния брекер. Неравномерното разпределение на електричното поле може да доведе до пробой на контактната пропаст, което в крайна сметка води до невъзможността брекера да се отвори. Установяването на щит за равномерно разпределение на напрежението вътре в вакуумния прекъсвач може да хомогенизира вътрешното разпределение на електричното поле, правейки структурата на вакуумния прекъсвач по-рационална и компактна.

Освен това добавянето на щита също причинява промени в разпределението на електричното поле в прекъсвача. За да се потвърди точно изолационната способност на прекъсвача и да се анализира влиянието на щита върху разпределението на електричното поле, провеждането на числен анализ на електричното поле на вакуумния брекер за открито е ключов етап в потвърждаването на надеждността на продукта.

Следователно, настоящата работа анализира и проектира изолационната структура на нов тип 10кВ високонапрегован вакуумен брекер за открито, независимо разработен и произведен от домакински производители на комутатори.

При проведението на анализ на електростатичното поле на вакуумния брекер, напрежението се прилага на границите на модела, а тетраедрални сетови елементи се използват според структурата на модела. Решетката се изгражда чрез интелигентно мрежуване. Тъй като вакуумният брекер има осесиметрична структура, вакуумният прекъсвач се разделя във връзка с X-ос на тримерната координатна система. Предимството на използването на интелигентно мрежуване се състои в това, че в области, където кривината на графика изменя значително, решетката е много плътна, докато в области с по-регуларна структура, плътността на решетката е относително ниска.

На базата на двата работни положения на контактите на брекера, а именно разцепителното и затварящото положение, както и различните разстояния между контактите при разцепяването, се извършва анализ на електричното поле във вакуумния прекъсвач. Определят се характеристиките на разпределението на електричното поле и точки на концентрация на напрежението. Точки на концентрация на напрежението са ключови области за анализа в настоящата работа. Резултатите от електричното поле, получени при различни условия, се сравняват.

Фигура 1 Вътрешно увеличено структурно чертеж на вакуумния прекъсвач

Фигура 1 - Фиксирана покривка; 2 - Главен щит; 3 - Контакт; 4 - Гънка; 5 - Движеща се покривка; 6 - Фиксиран проводник; 7 - Изолационна обвивка; 8 - Движещ се проводник

Резултати от изчисленията и анализ

Настоящата работа разглежда изолационната способност между точките на разцепяване под номиналното напрежение за удари от мълнии. Високо напрежение от 125 кВ се прилага на фиксираните контакти на брекера, а потенциал 0 се прилага на движещите се контакти. Получават се потенциалните разпределения на целия брекер, когато разстоянията между контактите са 50%, 80% и 100% съответно. Единицата за потенциала е В, а единицата за напрежението на електричното поле е В/м.

Благодарение на наличието на щит в вакуумния прекъсвач, деформацията на електричното поле се ограничава, което води до много равномерно и симетрично разпределение на напрежението в областта близо до контактите. Плаващият потенциал на щита е около 60 кВ.

• Разпределение на потенциала в вакуумния прекъсвач при 50% разстояние между контактите

• Разпределение на потенциала в вакуумния прекъсвач при 80% разстояние между контактите

•  Разпределение на потенциала в вакуумния прекъсвач при 100% разстояние между контактите

В Фигура 2, фигури (a) - (c) са контурни карти на разпределението на напрежението на електричното поле в вакуумния прекъсвач при гореспоменатите три различни разстояния между контактите.

За вакуумния брекер при 50% разстояние между контактите, максималното напрежение на електричното поле се появява в края на щита, със стойност 25.4 кВ/мм. В този момент, напрежението на електричното поле между контактите е значително по-високо от това при предходните две разстояния. Щитът за равномерно разпределение на напрежението прави напрежението близо до контактите да има градиентно разпределение, а напрежението на електричното поле е равномерно разпределено, с относително голямо напрежение между контактите.

Когато разстоянията между контактите на вакуумния брекер са 80% и 100%, максималните напрежения на електричното поле са 21.2 кВ/мм и 18.1 кВ/мм съответно. Напрежението близо до контактите има градиентно разпределение, а напрежението на електричното поле е равномерно разпределено.

• Контурна карта на електричното поле в вакуумния прекъсвач при 50% разстояние между контактите

• Контурна карта на електричното поле в вакуумния прекъсвач при 80% разстояние между контактите

• Контурна карта на електричното поле в вакуумния прекъсвач при 100% разстояние между контактите

От фигурите може да се види, че когато външната изолационна среда е постоянна и равномерна, области с относително голямо разпределение на напрежението на електричното поле в вакуумния прекъсвач са главно съсредоточени върху краевите повърхности на движещите се и фиксираните контакти и върху горните и долните краища на щита. Тези области, уязвими за изолация, са склонни към пробой на изолацията. Следователно, в реалния дизайн на продукта, разпределението на електричното поле в точки на концентрация на напрежението може да бъде подобрено чрез оптимизационни методи, като увеличаване на кривината на краевите повърхности на движещите се и фиксираните контакти и закръгляване на остри краища на двете края на щита.

Напрежението на електричното поле на външната повърхност на вакуумния прекъсвач е относително малко. От фигурата може да се види, че в области близо до двете края на керамичната обвивка на вакуумния прекъсвач и близо до покривките на прекъсвача, стойностите на напрежението на електричното поле са по-големи от тези в други места по повърхността.

Когато контактите на вакуумния брекер са затворени, високо напрежение от 125 кВ се прилага на централния проводник, а потенциалът на безкрайно далечната граница е зададен като 0. След прилагането, изчисленията показват, че напрежението на електричното поле е много малко както вътре, така и извън брекера, с максимално напрежение на електричното поле 0.8 кВ/мм. Напрежението на електричното поле е равномерно разпределено, а напрежението около контактите показва тенденция към градиентно разпределение, центрирано около контактите.

• (a) Контурна карта на електричното поле в вакуумния прекъсвач при 50% разстояние между контактите

• (b) Контурна карта на електричното поле в вакуумния прекъсвач при 80% разстояние между контактите

• (c) Контурна карта на електричното поле в вакуумния прекъсвач при 100% разстояние между контактите

Заключение

Чрез анализа и изследването на електричното поле на 10кВ високонапреговия вакуумен брекер за открито, са получени вариациите в напрежението и потенциала на брекера при различни гранични условия. От горепосочените резултати е ясно, че чрез използването на ANSYS за точна симулация на прототипа на обекта и прилагането на метода на крайните елементи за числено изчисление на електричното поле и потенциала, могат да бъдат постигнати точни изчисления на вариациите в електричното поле и потенциала във вакуумния прекъсвач.