Anàlisi del rendiment d'aislament de dipòsits de circuit tret a vaixell de 10kV

Introducció

L'interrupidor al buit és el component més crucial en un interruptor de circuit de buit. Aquest disposa de nombroses avantatges, com una gran capacitat de ruptura, operabilitat freqüent, excel·lent rendiment d'extinció d'arc, no contaminació i un tamany compacte. Com els interruptors de circuit de buit evolucionen cap a nivells de tensió més alts, la recerca en profunditat sobre el rendiment d'aislament intern i extern dels interrupidors de buit exteriors és més necessària.

La distribució del camp elèctric dins de l'interrupidor té un impacte significatiu sobre el rendiment d'aislament de l'interruptor de circuit de buit. Una distribució desigual del camp elèctric pot portar a la ruptura de la fenda de contacte, resultant finalment en el fracàs de l'interruptor per obrir-se. L'instal·lació d'un escut de graduació dins de l'interrupidor de buit pot homogeneïtzar la distribució interna del camp elèctric, fent que la estructura de l'interrupidor de buit sigui més racional i compacta.

No obstant això, l'afegit de l'escut també provoca canvis en la distribució del camp elèctric dins de l'interrupidor. Per verificar amb precisió el rendiment d'aislament de l'interrupidor i analitzar l'influència de l'escut sobre la distribució del camp elèctric, realitzar un anàlisi numèrica del camp elèctric de l'interruptor de circuit de buit exterior és un pas clau per validar la fiabilitat del producte.

Per tant, aquest article analitza i dissenya la estructura d'aislament d'un nou tipus d'interruptor de circuit de buit AC d'alta tensió exterior de 10kV, desenvolupat i fabricat independentment per empreses nacionals de producció de commutadors.

Quan s'analitza el camp electroestàtic de l'interruptor de circuit de buit, es pot aplicar una tensió als límits del model, i es fan servir elements de malles tetraèdriques segons l'estructura del model. La mallectura de la graella es duu a terme mitjançant una mallectura intel·ligent. Atès que l'interruptor de circuit de buit té una estructura axissimètrica, l'interrupidor de buit es secciona al llarg de l'eix X del sistema de coordenades tridimensional. L'avantatge d'utilitzar una mallectura intel·ligent resideix en el fet que, en les zones on la curvatura del gràfic canvien significativament, la divisió de la graella és molt densa, mentre que en les zones amb una estructura més regular, la densitat de la graella és relativament baixa.

Basant-nos en les dues posicions de treball dels contactes de l'interruptor, és a dir, les posicions d'obertura i tancament, així com les diferents distàncies d'obertura dels contactes durant el procés d'obertura, es realitza una anàlisi del camp elèctric respectiva sobre l'interrupidor de buit. Es determinen les característiques de la distribució del camp elèctric i els punts de concentració de la força del camp. Els punts de concentració de la força del camp són les àrees clau d'anàlisi en aquest article. Es comparen els resultats del camp elèctric obtinguts sota diverses condicions diferents.

Figura 1 Diagrama Ampliat de la Estructura Interna de l'Interrupidor de Buit

Figura 1 - Placa de Cobertura Fixa; 2 - Cobertura Principal d'Escut; 3 - Contacte; 4 - Campana; 5 - Placa de Cobertura Mòbil; 6 - Barra Conductora Fixa; 7 - Caixa Aïllant; 8 - Barra Conductora Mòbil

Resultats del Càlcul i Anàlisi

Aquest article examina el rendiment d'aislament entre els punts de ruptura d'isolació sota la tensió d'impuls de raig mort de ràtio nominal. S'aplica una alta tensió de 125 kV al contacte fix de l'interruptor, i un potencial zero de 0 al contacte mòbil. Es obtenen les distribucions de potencial de tot l'interruptor quan les distàncies d'obertura dels contactes són respectivament el 50%, 80% i 100%. La unitat de potencial és V, i la unitat de força del camp elèctric és V/m.

Degut a la presència de la cobertura d'escut a l'interrupidor de buit, la distorsió del camp elèctric s'atura, resultant en una distribució de tensió molt uniforme i simètrica a la zona propera als contactes. El potencial flotant a la cobertura d'escut és aproximadament de 60 kV.

• Distribució de potencial de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 50%

• Distribució de potencial de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 80%

•  Distribució de potencial de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 100%

En la Figura 2, les figures (a) - (c) són els mapes de contorns de la distribució de la força del camp elèctric a l'interrupidor de buit sota les tres diferents distàncies d'obertura dels contactes mencionades anteriorment.

Per a l'interruptor de circuit de buit a una distància d'obertura dels contactes del 50%, la força màxima del camp elèctric apareix al final de la cobertura d'escut, amb un valor de 25,4 kV/mm. En aquest moment, la força del camp elèctric entre els contactes és significativament més alta que en les dues distàncies d'obertura anteriors. La cobertura d'escut de graduació fa que la tensió propera als contactes mostri una distribució de gradient, i la força del camp elèctric està distribuïda uniformement, amb una força del camp elèctric relativament gran entre els contactes.

Quan les distàncies d'obertura dels contactes de l'interruptor de circuit de buit són el 80% i el 100%, les forces màximes del camp elèctric són respectivament 21,2 kV/mm i 18,1 kV/mm. La tensió propera als contactes mostra una distribució de gradient, i la força del camp elèctric està distribuïda uniformement.

• Mapa de contorns del camp elèctric de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 50%

• Mapa de contorns del camp elèctric de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 80%

• Mapa de contorns del camp elèctric de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 100%

Es pot veure a partir de les figures que quan el medi aïllant exterior és constant i uniforme, les zones amb una força de distribució del camp elèctric relatiuament gran a l'interrupidor de buit estan principalment concentrades en les superfícies finals dels contactes mòbils i fixos i als extrems superior i inferior de la cobertura d'escut. Aquestes zones vulnerables a l'aislament són propenses a la ruptura d'aislament. Per tant, en el disseny real del producte, la distribució del camp elèctric als punts de concentració de la força del camp es pot millorar mitjançant mètodes de disseny d'optimització com augmentar la curvatura de les superfícies finals dels contactes mòbils i fixos i atenuar les cantonades agudes als dos extrems de la cobertura d'escut.

La força del camp elèctric a la superfície exterior de l'interrupidor de buit és relativament petita. Es pot veure a partir de la figura que en les zones properes als dos extrems de la caixa de porcellana de l'interrupidor de buit i a prop de les plaques de cobertura de l'interrupidor, els valors de la força del camp elèctric són més grans que en altres posicions a llarg de la superfície.

Quan els contactes de l'interruptor de circuit de buit estan tancats, s'aplica una alta tensió de 125 kV al conductor central, i el potencial al límit infinitament llunyà s'estableix a 0. Després de la càrrega, el càlcul mostra que la força del camp elèctric és molt petita tant a l'interior com a l'exterior de l'interruptor, amb una força màxima del camp elèctric de 0,8 kV/mm. La força del camp elèctric està distribuïda uniformement, i la tensió a l'entorn dels contactes mostra una tendència de distribució de gradient centrada en els contactes.

• (a) Mapa de contorns del camp elèctric de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 50%

• (b) Mapa de contorns del camp elèctric de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 80%

• (c) Mapa de contorns del camp elèctric de l'interrupidor de buit a una distància d'obertura dels contactes del 100%

Conclusió

A través de l'anàlisi i la recerca sobre el camp elèctric de l'interruptor de circuit de buit AC d'alta tensió exterior de 10kV, s'han obtingut les variacions de la força del camp elèctric i el potencial de l'interruptor sota diferents condicions de límit. A partir dels resultats anteriors, queda clar que utilitzant ANSYS per simular amb precisió el prototip de l'objecte i aplicant el mètode d'elements finits per calcular numèricament el camp elèctric i el potencial, es poden aconseguir càlculs precisos de les variacions del camp elèctric i el potencial dins de l'interrupidor de buit.