Isolierleistungsanalyse von 10kV-Außenluft-Vakuumschaltgeräten

Einführung

Der Vakuumschalter ist das wichtigste Bauteil in einem Vakuumschaltgerät. Er bietet zahlreiche Vorteile, wie eine hohe Schaltkapazität, häufige Betriebstauglichkeit, exzellente Bögenlöscheigenschaften, keine Verschmutzung und eine kompakte Größe. Da Vakuumschaltgeräte sich in Richtung höherer Spannungsebenen entwickeln, ist eine eingehende Untersuchung der inneren und äußeren Isolierleistung von Außenvakuumschaltern von größerer Notwendigkeit.

Die elektrische Feldverteilung im Schalter beeinflusst erheblich die Isolierleistung des Vakuumschalters. Eine ungleichmäßige elektrische Feldverteilung kann zum Durchschlagen der Kontaktlücke führen, was letztendlich dazu führt, dass der Schalter nicht geöffnet werden kann. Die Installation eines Grading-Schildes im Vakuumschalter kann die innere elektrische Feldverteilung homogenisieren und die Struktur des Vakuumschalters rationaler und kompakter gestalten.

Allerdings verursacht die Hinzufügung des Schildes auch Veränderungen in der elektrischen Feldverteilung im Schalter. Um die Isolierleistung des Schalters präzise zu überprüfen und den Einfluss des Schildes auf die elektrische Feldverteilung zu analysieren, ist die numerische Analyse des elektrischen Feldes des Außenvakuumschalters ein entscheidender Schritt zur Überprüfung der Zuverlässigkeit des Produkts.

Daher analysiert und entwirft dieser Artikel die Isolierstruktur eines neuartigen 10kV-Außenhochspannungs-Wechselstrom-Vakuumschalters, der von inländischen Schaltanlagenerzeugern selbstständig entwickelt und hergestellt wurde.

Bei der statischen Feldanalyse des Vakuumschalters wird an den Modellgrenzen eine Spannung angelegt und es werden Tetraeder-Netzelemente gemäß der Modellstruktur verwendet. Das Netz wird mithilfe intelligenter Netzbildung durchgeführt. Da der Vakuumschalter eine achsensymmetrische Struktur hat, wird der Vakuumschalter entlang der X-Achse des dreidimensionalen Koordinatensystems geschnitten. Der Vorteil der intelligenten Netzbildung liegt darin, dass in Bereichen, in denen sich die Krümmung des Graphen stark ändert, die Netzabtastung sehr dicht ist, während in Bereichen mit einer regelmäßigeren Struktur die Netzdicke relativ gering ist.

Basierend auf den beiden Arbeitspositionen der Schaltkontakte, nämlich der Trenn- und Schlussposition, sowie den verschiedenen Öffnungsabständen der Kontakte während des Trennvorgangs, wird jeweils eine elektrische Feldanalyse am Vakuumschalter durchgeführt. Die Charakteristika der elektrischen Feldverteilung und die Punkte der Feldstärkekonzentration werden bestimmt. Die Punkte der Feldstärkekonzentration sind die Schlüsselbereiche der Analyse in diesem Artikel. Die elektrischen Feldergebnisse, die unter verschiedenen Bedingungen erhalten wurden, werden verglichen.

Abbildung 1 Vergrößerte innere Struktur des Vakuumschalters

Abbildung 1 - Festes Enddeckelblech; 2 - Hauptabschirmdeckel; 3 - Kontakt; 4 - Faltenbalg; 5 - Bewegliches Enddeckelblech; 6 - Fester Leiterstab; 7 - Isoliergehäuse; 8 - Beweglicher Leiterstab

Berechnungsergebnisse und Analyse

Dieser Artikel untersucht die Isolierleistung zwischen den Trennpunkten unter der Nennblitzimpulswiderstandsspannung. Eine Hochspannung von 125 kV wird am festen Kontakt des Schalters angelegt, und ein Nullpotential von 0 wird am beweglichen Kontakt angelegt. Die Potentialverteilungen des gesamten Schalters werden für Kontaktöffnungsabstände von 50%, 80% und 100% erhalten. Die Einheit des Potentials ist V, und die Einheit der elektrischen Feldstärke ist V/m.

Aufgrund der Anwesenheit des Abschirmschilds im Vakuumschalter wird die Verzerrung des elektrischen Feldes unterdrückt, was zu einer sehr gleichmäßigen und symmetrischen Spannungsverteilung in der Nähe der Kontakte führt. Das schwebende Potential auf dem Abschirmschild beträgt etwa 60 kV.

• Potentialverteilung des Vakuumschalters bei 50% Kontaktöffnungsabstand

• Potentialverteilung des Vakuumschalters bei 80% Kontaktöffnungsabstand

•  Potentialverteilung des Vakuumschalters bei 100% Kontaktöffnungsabstand

In Abbildung 2 sind die Abbildungen (a) - (c) die Höhenlinien der elektrischen Feldstärkenverteilung im Vakuumschalter unter den oben genannten drei verschiedenen Kontaktöffnungsabständen.

Für den Vakuumschalter bei 50% Kontaktöffnungsabstand tritt die maximale elektrische Feldstärke am Ende des Abschirmschilds auf, mit einem Wert von 25,4 kV/mm. In diesem Fall ist die elektrische Feldstärke zwischen den Kontakten erheblich höher als bei den beiden vorherigen Öffnungsabständen. Der Grading-Abschirmschild sorgt dafür, dass die Spannung in der Nähe der Kontakte eine Gradientenverteilung zeigt, und die elektrische Feldstärke ist gleichmäßig verteilt, wobei die elektrische Feldstärke zwischen den Kontakten relativ groß ist.

Wenn die Kontaktöffnungsabstände des Vakuumschalters 80% und 100% betragen, sind die maximalen elektrischen Feldstärken 21,2 kV/mm und 18,1 kV/mm. Die Spannung in der Nähe der Kontakte zeigt eine Gradientenverteilung, und die elektrische Feldstärke ist gleichmäßig verteilt.

• Höhenlinienkarte des elektrischen Feldes des Vakuumschalters bei 50% Kontaktöffnungsabstand

• Höhenlinienkarte des elektrischen Feldes des Vakuumschalters bei 80% Kontaktöffnungsabstand

• Höhenlinienkarte des elektrischen Feldes des Vakuumschalters bei 100% Kontaktöffnungsabstand

Es kann aus den Abbildungen ersichtlich sein, dass, wenn das äußere isolierende Medium konstant und gleichmäßig ist, die Bereiche mit relativ großer elektrischer Feldverteilungsstärke im Vakuumschalter hauptsächlich auf den Endflächen der beweglichen und festen Kontakte und den oberen und unteren Enden des Abschirmschilds konzentriert sind. Diese isolierten empfindlichen Bereiche sind anfällig für Isolierungsdurchschläge. Daher können in der tatsächlichen Produktdesignphase die elektrischen Feldverteilungen an den Punkten der Feldstärkekonzentration durch Optimierungsdesignmethoden verbessert werden, wie z.B. durch die Erhöhung der Krümmung der Endflächen der beweglichen und festen Kontakte und das Abrunden der scharfen Kanten an beiden Enden des Abschirmschilds.

Die elektrische Feldstärke auf der Außenfläche des Vakuumschalters ist relativ gering. Es kann aus der Abbildung ersichtlich sein, dass in den Bereichen nahe den beiden Enden des Keramikgehäuses des Vakuumschalters und in der Nähe der Enddeckelplatten des Schalters die Werte der elektrischen Feldstärke größer sind als an anderen Positionen entlang der Oberfläche.

Wenn die Kontakte des Vakuumschalters geschlossen sind, wird eine Hochspannung von 125 kV auf den zentralen Leiter angewendet, und das Potential an der unendlich fernen Grenze wird auf 0 gesetzt. Nach der Belastung zeigt die Berechnung, dass die elektrische Feldstärke sowohl innerhalb als auch außerhalb des Schalters sehr gering ist, mit einer maximalen elektrischen Feldstärke von 0,8 kV/mm. Die elektrische Feldstärke ist gleichmäßig verteilt, und die Spannung um die Kontakte herum zeigt eine Gradientenverteilungstendenz, die sich auf die Kontakte zentriert.

• (a) Höhenlinienkarte des elektrischen Feldes des Vakuumschalters bei 50% Kontaktöffnungsabstand

• (b) Höhenlinienkarte des elektrischen Feldes des Vakuumschalters bei 80% Kontaktöffnungsabstand

• (c) Höhenlinienkarte des elektrischen Feldes des Vakuumschalters bei 100% Kontaktöffnungsabstand

Fazit

Durch die Analyse und Forschung des elektrischen Feldes des 10kV-Außenhochspannungs-Wechselstrom-Vakuumschalters wurden die Variationen der elektrischen Feldstärke und des Potentials des Schalters unter verschiedenen Randbedingungen ermittelt. Aus den obigen Ergebnissen geht klar hervor, dass durch die präzise Simulation des Prototyps des Objekts mit ANSYS und die Anwendung der Finite-Elemente-Methode für numerische Berechnungen des elektrischen Feldes und des Potentials, genaue Berechnungen der Variationen des elektrischen Feldes und des Potentials im Vakuumschalter erreicht werden können.