Analýza vlastností izolace 10kV venkovních vakuových vypínačů

Úvod

Vakuový přerušovač je nejdůležitější komponentou vakuového vypínače. Nabízí mnoho výhod, jako je velká vypínací kapacita, častá použitelnost, vynikající vlastnosti pro uhašení oblouku, absence znečištění a kompaktní rozměry. Vzhledem k tomu, že vakuové vypínače se vyvíjejí směrem k vyšším napětím, je hluboké zkoumání vnitřní a vnější izolační vlastnosti venkovních vakuových přerušovačů stále nutnější.

Rozdělení elektrického pole uvnitř přerušovače má významný dopad na izolační vlastnosti vakuového vypínače. Nerovnoměrné rozdělení elektrického pole může vést k prolomení mezery mezi styky, což nakonec může způsobit selhání vypínání vypínače. Instalace stupňovacího štítu uvnitř vakuového přerušovače může homogenizovat vnitřní rozdělení elektrického pole a tím udělat strukturu vakuového přerušovače více racionální a kompaktní.

Nicméně, přidání štítu také způsobuje změny v rozdělení elektrického pole uvnitř přerušovače. Pro přesné ověření izolačních vlastností přerušovače a analýzu vlivu štítu na rozdělení elektrického pole je numerická analýza elektrického pole venkovního vakuového vypínače klíčovým krokem pro ověření spolehlivosti produktu.

Proto tento článek analyzuje a navrhuje izolační strukturu nového typu 10kV venkovního vysokého napěťového AC vakuového vypínače, který byl samostatně vyvinut a vyráběn domácími výrobními podniky výrobou vypínačů.

Při provádění elektrostatické analýzy vakuového vypínače se na hranice modelu aplikuje napětí a používají se tetraedrické sítové prvky podle struktury modelu. Síťování je provedeno inteligentním síťováním. Protože vakuový vypínač má ossově symetrickou strukturu, je vakuový přerušovač sekcionován podél X-ové osy třírozměrné souřadnicové soustavy. Výhoda použití inteligentního síťování spočívá v tom, že v oblastech, kde se prudce mění křivost grafu, je síťování velmi husté, zatímco v oblastech s pravidelnější strukturou je hustota sítě relativně nízká.

Na základě dvou pracovních poloh styků vypínače, tedy polohy při vypnutí a zapnutí, a různých otevřených vzdáleností styků během procesu vypnutí, je provedena analýza elektrického pole vakuového přerušovače. Jsou určeny charakteristiky rozdělení elektrického pole a body koncentrace intenzity pole. Body koncentrace intenzity pole jsou klíčovými oblastmi analýzy v tomto článku. Jsou porovnány výsledky elektrického pole získané za různých různých podmínek.

Obrázek 1 Zvětšený vnitřní strukturní diagram vakuového přerušovače

Obrázek 1 - Stacionární konečná deska; 2 - Hlavní štítová krytina; 3 - Styk; 4 - Lano; 5 - Pohyblivá konečná deska; 6 - Stacionární vodič; 7 - Izolační obal; 8 - Pohyblivý vodič

Výsledky výpočtů a analýza

Tento článek zkoumá izolační vlastnosti mezi izolačními přerušovacími body za nominálního hromového impulsního odolného napětí. Na stacionární styk vypínače se aplikuje vysoké napětí 125 kV a na pohyblivý styk se aplikuje nulové potenciální napětí 0. Jsou získány potenciální distribuce celého vypínače pro otevřené vzdálenosti styků 50%, 80% a 100%. Jednotkou potenciálu je V a jednotkou intenzity elektrického pole je V/m.

Díky přítomnosti štítové krytiny v vakuovém přerušovači je potlačena deformace elektrického pole, což vede k velmi rovnoměrné a symetrické distribuci napětí v oblasti poblíž styků. Plovoucí potenciál na štítové krytině je přibližně 60 kV.

• Potenciální distribuce vakuového přerušovače při 50% otevřené vzdálenosti styků

• Potenciální distribuce vakuového přerušovače při 80% otevřené vzdálenosti styků

•  Potenciální distribuce vakuového přerušovače při 100% otevřené vzdálenosti styků

Na obrázku 2 jsou obrázky (a) - (c) konturové mapy distribuce intenzity elektrického pole v vakuovém přerušovači za tří různých otevřených vzdáleností styků.

Pro vakuový vypínač s 50% otevřenou vzdáleností styků se maximální intenzita elektrického pole objevuje na konci štítové krytiny s hodnotou 25,4 kV/mm. V této chvíli je intenzita elektrického pole mezi styky výrazně vyšší než u předchozích dvou otevřených vzdáleností. Stupňovací štítová krytina způsobí, že napětí poblíž styků ukazuje gradientní distribuci a intenzita elektrického pole je rovnoměrně distribuována, s relativně vysokou intenzitou elektrického pole mezi styky.

Když jsou otevřené vzdálenosti styků vakuového vypínače 80% a 100%, jsou maximální intenzity elektrického pole 21,2 kV/mm a 18,1 kV/mm. Napětí poblíž styků ukazuje gradientní distribuci a intenzita elektrického pole je rovnoměrně distribuována.

• Konturová mapa elektrického pole vakuového přerušovače při 50% otevřené vzdálenosti styků

• Konturová mapa elektrického pole vakuového přerušovače při 80% otevřené vzdálenosti styků

• Konturová mapa elektrického pole vakuového přerušovače při 100% otevřené vzdálenosti styků

Z obrázků lze vidět, že při konstantním a rovnoměrném vnějším izolačním prostředí jsou oblasti s relativně vysokou distribucí intenzity elektrického pole v vakuovém přerušovači hlavně soustředěny na koncových povrchách pohyblivých a stacionárních styků a na horních a dolních koncích štítové krytiny. Tyto oblasti s náchylností k izolačnímu průrazu jsou vystaveny riziku izolačního průrazu. Proto při skutečném návrhu produktu lze rozdělení elektrického pole v bodech koncentrace intenzity pole zlepšit pomocí optimalizačních metod, jako je zvýšení křivosti koncových povrchů pohyblivých a stacionárních styků a zaoblení ostrých hran na obou koncích štítové krytiny.

Intenzita elektrického pole na vnější povrch vakuového přerušovače je relativně malá. Z obrázku lze vidět, že v oblastech blízko k oběma koncům keramického obalu vakuového přerušovače a blízko konce krytine přerušovače jsou hodnoty intenzity elektrického pole větší než v jiných pozicích podél povrchu.

Když jsou styky vakuového vypínače zavřené, je na centrální vodič aplikováno vysoké napětí 125 kV a potenciál na nekonečně vzdálené hranici je nastaven na 0. Po zatěžování ukazují výpočty, že intenzita elektrického pole je velmi malá jak uvnitř, tak vně vypínače, s maximální intenzitou elektrického pole 0,8 kV/mm. Intenzita elektrického pole je rovnoměrně distribuována a napětí okolo styků ukazuje gradientní distribuční trend se středem v okolí styků.

• (a) Konturová mapa elektrického pole vakuového přerušovače při 50% otevřené vzdálenosti styků

• (b) Konturová mapa elektrického pole vakuového přerušovače při 80% otevřené vzdálenosti styků

• (c) Konturová mapa elektrického pole vakuového přerušovače při 100% otevřené vzdálenosti styků

Závěr

Přes analýzu a výzkum elektrického pole 10kV venkovního vysokého napěťového AC vakuového vypínače byly získány změny v intenzitě elektrického pole a potenciálu vypínače za různých okrajových podmínek. Z výše uvedených výsledků je zřejmé, že použitím ANSYS pro přesné simulaci prototypu objektu a aplikací metody konečných prvků pro numerické výpočty elektrického pole a potenciálu lze dosáhnout přesných výpočtů změn v intenzitě elektrického pole a potenciálu uvnitř vakuového přerušovače.