Ανάλυση της απόδοσης της μόνωσης 10kV εξωτερικών βακουομέτριων αποσπαστών

Εισαγωγή

Το βακουομετρικό διακόπτη είναι ο πιο σημαντικός συστατικός ενός βακουομετρικού διακόπτη. Διαθέτει πολλά πλεονεκτήματα, όπως μεγάλη δυνατότητα διακοπής, συχνή λειτουργικότητα, εξαιρετική απόδοση στην κατάσβεση της φωτοειδούς, απουσία ρύπανσης και μικρά διαστάτικα. Καθώς οι βακουομετρικοί διακόπτες εξελίσσονται προς υψηλότερες επίπεδα τάσης, είναι απαραίτητη η ενδελεχής έρευνα για την εσωτερική και εξωτερική απομόνωση των εξωτερικών βακουομετρικών διακόπτων.

Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στον διακόπτη επηρεάζει σημαντικά την απομονωτική απόδοση του βακουομετρικού διακόπτη. Μια μη ομοιόμορφη κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να οδηγήσει στην κατάρρευση της διαστάσης των επαφών, οποίος τελικά θα οδηγήσει στην αποτυχία του διακόπτη να ανοίξει. Η εγκατάσταση ενός καταναλωτή κατανομής μέσα στον βακουομετρικό διακόπτη μπορεί να ομοιομορφίσει την κατανομή του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, κάνοντας τον διακόπτη πιο λογικό και κομψό.

Ωστόσο, η προσθήκη του καταναλωτή κατανομής προκαλεί επίσης αλλαγές στην κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στον διακόπτη. Για να επαληθευτεί ακριβώς η απομονωτική απόδοση του διακόπτη και να αναλυθεί η επιρροή του καταναλωτή κατανομής στην κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου, η διεξαγωγή αριθμητικής ανάλυσης του ηλεκτρικού πεδίου του εξωτερικού βακουομετρικού διακόπτη είναι ένα βασικό βήμα για την επαλήθευση της αξιοπιστίας του προϊόντος.

Επομένως, αυτή η εργασία αναλύει και σχεδιάζει την απομονωτική δομή ενός νέου τύπου 10kV εξωτερικού υψηλής τάσης AC βακουομετρικού διακόπτη που αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε ανεξάρτητα από εγχώριες επιχειρήσεις παραγωγής σταδίων.

Κατά την ανάλυση του ηλεκτροστατικού πεδίου του βακουομετρικού διακόπτη, εφαρμόζεται ένα χαμηλό στοιχείο τάσης στα σύνορα του μοντέλου, και χρησιμοποιούνται τετράεδρα στοιχεία διαφύλαξης σύμφωνα με τη δομή του μοντέλου. Η διαφύλαξη του πλέγματος γίνεται με χρήση νοηματικής διαφύλαξης. Επειδή ο βακουομετρικός διακόπτης έχει αξονική συμμετρία, ο βακουομετρικός διακόπτης διατομεύεται κατά μήκος του άξονα X του τρισδιάστατου συστήματος συντεταγμένων. Το πλεονέκτημα της χρήσης νοηματικής διαφύλαξης είναι ότι σε περιοχές όπου η καμπυλότητα του γραφήματος αλλάζει σημαντικά, η διαίρεση του πλέγματος είναι πολύ σφοδρή, ενώ σε περιοχές με πιο κανονική δομή, η πυκνότητα του πλέγματος είναι σχετικά χαμηλή.

Βάσει των δύο λειτουργικών θέσεων των επαφών του διακόπτη, δηλαδή της θέσης διακοπής και της θέσης σύνδεσης, καθώς και των διαφορετικών αποστάσεων ανοίγματος των επαφών κατά τη διαδικασία διακοπής, γίνεται ανάλυση του ηλεκτρικού πεδίου στον βακουομετρικό διακόπτη. Ορίζονται τα χαρακτηριστικά της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου και τα σημεία συγκέντρωσης της ισχύος του πεδίου. Τα σημεία συγκέντρωσης της ισχύος του πεδίου είναι τα βασικά σημεία ανάλυσης σε αυτή την εργασία. Συγκρίνονται τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού πεδίου που έχουν προκύψει υπό διάφορες διαφορετικές συνθήκες.

Σχήμα 1: Διαγράμματος Αυξημένης Δομής Εσωτερικής Συστοιχίας του Βακουομετρικού Διακόπτη

Σχήμα 1 - Σταθερή Πλάκα Κάλυψης; 2 - Κύρια Πλάκα Προστασίας; 3 - Επαφή; 4 - Αυλάκι; 5 - Κινητή Πλάκα Κάλυψης; 6 - Σταθερό Ηλεκτροδότημα; 7 - Απομονωτικό Κάλυμμα; 8 - Κινητό Ηλεκτροδότημα

Αποτελέσματα Υπολογισμών και Ανάλυση

Αυτή η εργασία εξετάζει την απομονωτική απόδοση μεταξύ των σημείων διακοπής απομόνωσης υπό την ονομαστική τάση καταναλωτή κατανομής. Εφαρμόζεται υψηλή τάση 125 kV στη σταθερή επαφή του διακόπτη, και μηδενικό δυναμικό 0 στην κινητή επαφή. Παίρνονται οι κατανομές δυναμικού του ολοκληρωμένου διακόπτη όταν οι αποστάσεις ανοίγματος των επαφών είναι 50%, 80% και 100% αντίστοιχα. Το μονάδα δυναμικού είναι V, και η μονάδα ισχύος του πεδίου είναι V/m.

Λόγω της παρουσίας της πλάκας προστασίας στον βακουομετρικό διακόπτη, η διαστροφή του ηλεκτρικού πεδίου περιορίζεται, κάνοντας την κατανομή της τάσης πολύ ομοιομορφή και συμμετρική στην περιοχή κοντά στις επαφές. Το πλούσιο δυναμικό στην πλάκα προστασίας είναι περίπου 60 kV.

• Κατανομή δυναμικού του βακουομετρικού διακόπτη σε 50% απόσταση ανοίγματος επαφής

• Κατανομή δυναμικού του βακουομετρικού διακόπτη σε 80% απόσταση ανοίγματος επαφής

•  Κατανομή δυναμικού του βακουομετρικού διακόπτη σε 100% απόσταση ανοίγματος επαφής

Στο Σχήμα 2, τα σχήματα (a) - (c) είναι τα διαγράμματα της κατανομής της ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου στον βακουομετρικό διακόπτη υπό τις παραπάνω τρεις διαφορετικές αποστάσεις ανοίγματος επαφής αντίστοιχα.

Για τον βακουομετρικό διακόπτη σε 50% απόσταση ανοίγματος επαφής, η μέγιστη ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου εμφανίζεται στο άκρο της πλάκας προστασίας, με τιμή 25.4 kV/mm. Σε αυτή τη στιγμή, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ των επαφών είναι σημαντικά υψηλότερη από τις προηγούμενες δύο αποστάσεις ανοίγματος. Η πλάκα προστασίας κατανομής κάνει την τάση κοντά στις επαφές να εμφανίζει μια κατανομή σε στάδια, και η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου είναι ομοιομορφή, με σχετικά μεγάλη ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ των επαφών.

Όταν οι αποστάσεις ανοίγματος επαφής του βακουομετρικού διακόπτη είναι 80% και 100%, οι μέγιστες ισχύες του ηλεκτρικού πεδίου είναι 21.2 kV/mm και 18.1 kV/mm αντίστοιχα. Η τάση κοντά στις επαφές εμφανίζει μια κατανομή σε στάδια, και η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου είναι ομοιομορφή.

• Διάγραμμα κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου του βακουομετρικού διακόπτη σε 50% απόσταση ανοίγματος επαφής

• Διάγραμμα κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου του βακουομετρικού διακόπτη σε 80% απόσταση ανοίγματος επαφής

• Διάγραμμα κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου του βακουομετρικού διακόπτη σε 100% απόσταση ανοίγματος επαφής

Από τα σχήματα, φαίνεται ότι όταν το εξωτερικό απομονωτικό μέσο είναι σταθερό και ομοιομορφό, οι περιοχές με σχετικά μεγάλη κατανομή ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου στον βακουομετρικό διακόπτη είναι κυρίως συγκεντρωμένες στις επιφάνειες των κινητών και σταθερών επαφών και στα άκρα της πλάκας προστασίας. Αυτές οι περιοχές ασθενούς απομόνωσης είναι ευάλωτες σε απομόνωση. Συνεπώς, στον πραγματικό σχεδιασμό του προϊόντος, η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στα σημεία συγκέντρωσης της ισχύος μπορεί να βελτιωθεί μέσω μεθόδων βελτιστοποίησης σχεδιασμού, όπως η αύξηση της καμπυλότητας των επιφανειών των κινητών και σταθερών επαφών και η επίσπευση των οξειών κατά τα άκρα της πλάκας προστασίας.

Η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου στην εξωτερική επιφάνεια του βακουομετρικού διακόπτη είναι σχετικά μικρή. Φαίνεται από το σχήμα ότι στις περιοχές κοντά στα δύο άκρα του κεραμικού κάλυμματος του βακουομετρικού διακόπτη και κοντά στις πλάκες κάλυψης του διακόπτη, οι τιμές της ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου είναι μεγαλύτερες από τις θέσεις παράλληλα με την επιφάνεια.

Όταν οι επαφές του βακουομετρικού διακόπτη είναι κλειστές, εφαρμόζεται υψηλή τάση 125 kV στον κεντρικό ηλεκτροδότη, και το δυναμικό στο άπειρο σύνορο ορίζεται σε 0. Μετά τη φόρτωση, οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου είναι πολύ μικρή και μέσα και έξω από τον διακόπτη, με τη μέγιστη ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου να είναι 0.8 kV/mm. Η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου είναι ομοιομορφή, και η τάση κοντά στις επαφές εμφανίζει μια κατανομή σε στάδια με κέντρο τις επαφές.

• (a) Διάγραμμα κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου του βακουομετρικού διακόπτη σε 50% απόσταση ανοίγματος επαφής

• (b) Διάγραμμα κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου του βακουομετρικού διακόπτη σε 80% απόσταση ανοίγματος επαφής

• (c) Διάγραμμα κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου του βακουομετρικού διακόπτη σε 100% απόσταση ανοίγματος επαφής

Συμπέρασμα

Μέσω της ανάλυσης και έρευνας του ηλεκτρικού πεδίου του 10kV εξωτερικού υψηλής τάσης AC βακουομετρικού διακόπτη, έχουν προκύψει οι μεταβολές της ισχύος και της τάσης του διακόπτη υπό διαφορετικές συνθήκες συνόρων. Από τα παραπάνω αποτελέσματα, είναι σαφές ότι με τη χρήση του ANSYS για ακριβή προσομοίωση του πρωτότυπου του αντικειμένου και την εφαρμογή της μέθοδου πεπερασμένων στοιχείων για αριθμητικούς υπολογισμούς του ηλεκτρικού πεδίου και της τάσης, μπορούν να επιτευχθούν ακριβείς υπολογισμοί των μεταβολών της ισχύος και της τάσης μέσα στον βακουομετρικό διακόπτη.