Analyse af isoleringsydelse for 10kV udendørs vakuumbrydere
Introduktion
Vakuumafbryderen er den mest kritiske komponent i en vakuumkredsløbsbryder. Den har mange fordele, såsom stor afbrydelseskapacitet, hyppig drift, fremragende bueudslukningsydeevne, ingen forurening og kompakt størrelse. Da vakuumkredsløbsbrydere udvikler sig mod højere spændingsniveauer, er dybere forskning i den interne og eksterne isoleringsydeevne af udendørs vakuumafbrydere mere nødvendig.
Elektrisk feltfordeling indeni afbryderen har en betydelig indvirkning på isoleringsydeevnen af vakuumkredsløbsbryderen. En ulige elektrisk feltfordeling kan føre til nedbrud af kontaktspillet, hvilket sidst ender med, at kredsløbsbryderen ikke kan åbnes. Ved installation af en gradationsskjold indeni vakuumafbryderen kan det interne elektriske felt ligeformiggøres, hvilket gør strukturen af vakuumafbryderen mere rationel og kompakt.
Tilføjelsen af skjoldet forårsager dog også ændringer i den elektriske feltfordeling indeni afbryderen. For at præcist verificere isoleringsydeevnen af afbryderen og analysere skjoldets indflydelse på den elektriske feltfordeling, er numerisk analyse af det elektriske felt i udendørs vakuumkredsløbsbryderen et vigtigt trin i bekræftelsen af produktets pålidelighed.
Derfor analyserer og designer denne artikel isoleringsstrukturen af en ny type 10kV udendørs højspænding AC vakuumkredsløbsbryder, der er uafhængigt udviklet og produceret af hjemlige skifteproduktionsvirksomheder.
Når man foretager en elektrostatisk feltanalyse af vakuumkredsløbsbryderen, anvendes en spænding på modellens grænser, og tetraedrale mesh-elementer anvendes i overensstemmelse med modellens struktur. MESH'ningen af gridet udføres ved hjælp af intelligent MESH'ning. Eftersom vakuumkredsløbsbryderen har en akset symmetrisk struktur, bliver vakuumafbryderen sektioneret langs X-aksen i det tredimensionale koordinatsystem. Fordele ved brug af intelligent MESH'ning ligger i, at i områder, hvor grafens kurve ændrer sig betydeligt, er grid-opdelingen meget tæt, mens i områder med en mere regulær struktur er gridtettheden relativt lav.
Baseret på de to arbejdspunkter for kredsløbsbryderkontakter, nemlig åbnings- og lukningspositionerne, samt de forskellige åbne afstande mellem kontakterne under åbningsprocessen, udføres en elektrisk feltanalyse henholdsvis på vakuumafbryderen. Karakteristikkerne af den elektriske feltfordeling og punkterne for feltstyrkekoncentration fastsættes. Punkterne for feltstyrkekoncentration er de vigtigste områder for analyse i denne artikel. De elektriske felteresultater, som er opnået under forskellige betingelser, sammenlignes.
Figur 1 Forstørret intern strukturdiagram af vakuumafbryderen
Figur 1 - Fast endeplade; 2 - Hovedskjoldede dæk; 3 - Kontakt; 4 - Bølgemand; 5 - Bevægeligt endeplade; 6 - Fast leddende stang; 7 - Isolerende hus; 8 - Bevægeligt leddende stang
Beregning Resultater og Analyse
Denne artikel undersøger isoleringsydeevnen mellem isoleringsbrydningspunkterne under den nominerede lynimpulsmodstandsdygtighed. En høj spænding på 125 kV anvendes på den faste kontakt af kredsløbsbryderen, og et nulpotential på 0 anvendes på den bevægelige kontakt. Potentielfordelingen for hele kredsløbsbryderen opnås, når kontaktåbningerne er 50%, 80% og 100% henholdsvis. Enheden for potential er V, og enheden for elektrisk feltstyrke er V/m.
På grund af tilstedeværelsen af skjoldede dæk i vakuumafbryderen, undertrykkes elektriske feltforvrængninger, hvilket resulterer i en meget jævn og symmetrisk spændingsfordeling i området nær kontakterne. Det flydende potential på skjoldede dæk er cirka 60 kV.
Potentielfordeling af vakuumafbryderen ved 50% kontaktåbning
Potentielfordeling af vakuumafbryderen ved 80% kontaktåbning
Potentielfordeling af vakuumafbryderen ved 100% kontaktåbning
I figur 2 er figurer (a) - (c) konturliniekortene for den elektriske feltstyrkefordeling i vakuumafbryderen under de ovenstående tre forskellige kontaktåbninger.
For vakuumkredsløbsbryderen ved 50% kontaktåbning, optræder den maksimale elektriske feltstyrke ved skjoldede dækkets ende, med en værdi på 25,4 kV/mm. I dette tilfælde er den elektriske feltstyrke mellem kontakterne betydeligt højere end ved de to tidligere åbninger. Gradations skjoldede dæk gør, at spændingen nær kontakterne viser en gradientfordeling, og den elektriske feltstyrke er jævnt fordelt, med en relativt stor elektrisk feltstyrke mellem kontakterne.
Når kontaktåbningerne for vakuumkredsløbsbryderen er 80% og 100%, er de maksimale elektriske feltstyrker henholdsvis 21,2 kV/mm og 18,1 kV/mm. Spændingen nær kontakterne viser en gradientfordeling, og den elektriske feltstyrke er jævnt fordelt.
Elektrisk feltkonturlinie kort for vakuumafbryderen ved 50% kontaktåbning
Elektrisk feltkonturlinie kort for vakuumafbryderen ved 80% kontaktåbning
Elektrisk feltkonturlinie kort for vakuumafbryderen ved 100% kontaktåbning
Det kan ses fra figurerne, at når den eksterne isolerende medium er konstant og jævn, er områderne med relativt stor elektrisk feltstyrkefordeling i vakuumafbryderen hovedsagelig koncentreret på slutfladerne af de bevægelige og faste kontakter og øverst og nederst på skjoldede dæk. Disse isolerings-sårbarhedsområder er tilbøjelige til isoleringsnedbrydning. Derfor kan i den faktiske design af produktet, den elektriske feltfordeling på punkterne med koncentreret feltstyrke forbedres gennem optimeringsdesignmetoder som at øge kurven på slutfladerne af de bevægelige og faste kontakter og blande de spidse hjørner på begge ender af skjoldede dæk.
Den elektriske feltstyrke på den ydre overflade af vakuumafbryderen er relativt lille. Det kan ses fra figuren, at i områder nær de to ender af keramikhuset af vakuumafbryderen og tæt på endepladerne af afbryderen, er værdierne for den elektriske feltstyrke større end på andre positioner langs overfladen.
Når kontakterne for vakuumkredsløbsbryderen er lukket, anvendes en høj spænding på 125 kV på den centrale leder, og potentielt ved den uendelige grænse sættes til 0. Efter indlæsning viser beregningen, at den elektriske feltstyrke er meget lille både indeni og uden for kredsløbsbryderen, med en maksimal elektrisk feltstyrke på 0,8 kV/mm. Den elektriske feltstyrke er jævnt fordelt, og spændingen omkring kontakterne viser en gradientfordelings tendens centreret omkring kontakterne.
(a) Elektrisk feltkonturlinie kort for vakuumafbryderen ved 50% kontaktåbning
(b) Elektrisk feltkonturlinie kort for vakuumafbryderen ved 80% kontaktåbning
(c) Elektrisk feltkonturlinie kort for vakuumafbryderen ved 100% kontaktåbning
Konklusion
Gennem analyse og forskning i det elektriske felt for 10kV udendørs højspænding AC vakuumkredsløbsbryder, er variationerne i den elektriske feltstyrke og potential for kredsløbsbryderen under forskellige grænsebetingelser blevet opnået. Fra de ovenstående resultater er det klart, at ved at bruge ANSYS til præcis simulering af objektets prototype og anvendelse af den finit element metode til numeriske beregninger af det elektriske felt og potential, kan præcise beregninger af variationerne i det elektriske felt og potential indeni vakuumafbryderen opnås.
