Análisis del rendimiento de aislamiento de interruptores de vacío al aire libre de 10kV

Introducción

El interructor de vacío es el componente más crucial en un interruptor de circuito de vacío. Cuenta con numerosas ventajas, como una gran capacidad de interrupción, operabilidad frecuente, excelente rendimiento de extinción del arco, no contaminación y un tamaño compacto. A medida que los interruptores de circuito de vacío evolucionan hacia niveles de voltaje más altos, la investigación en profundidad sobre el rendimiento de aislamiento interno y externo de los interructores de vacío al aire libre se vuelve de mayor necesidad.

La distribución del campo eléctrico dentro del interructor tiene un impacto significativo en el rendimiento de aislamiento del interruptor de circuito de vacío. Una distribución desigual del campo eléctrico puede llevar a la ruptura de la brecha de contacto, lo que finalmente resulta en la falla del interruptor para abrirse. La instalación de un escudo de gradiente dentro del interructor de vacío puede homogeneizar la distribución del campo eléctrico interno, haciendo que la estructura del interructor de vacío sea más racional y compacta.

Sin embargo, la adición del escudo también causa cambios en la distribución del campo eléctrico dentro del interructor. Para verificar con precisión el rendimiento de aislamiento del interructor y analizar la influencia del escudo en la distribución del campo eléctrico, realizar un análisis numérico del campo eléctrico del interruptor de circuito de vacío al aire libre es un paso clave para validar la confiabilidad del producto.

Por lo tanto, este artículo analiza y diseña la estructura de aislamiento de un nuevo tipo de interruptor de circuito de vacío AC de alta tensión al aire libre de 10kV desarrollado y fabricado de manera independiente por empresas nacionales de producción de interruptores.

Al realizar un análisis del campo electrostático del interruptor de circuito de vacío, se aplica un voltaje a los límites del modelo, y se emplean elementos de malla tetraédricos según la estructura del modelo. La malla de la cuadrícula se realiza utilizando malla inteligente. Dado que el interruptor de circuito de vacío tiene una estructura axialsimétrica, el interructor de vacío se secciona a lo largo del eje X del sistema de coordenadas tridimensional. La ventaja de usar malla inteligente radica en que, en las áreas donde la curvatura del gráfico cambia significativamente, la división de la cuadrícula es muy densa, mientras que en las áreas con una estructura más regular, la densidad de la cuadrícula es relativamente baja.

Basándose en las dos posiciones de trabajo de los contactos del interruptor, es decir, las posiciones de interrupción y cierre, así como las diferentes distancias de apertura de los contactos durante el proceso de interrupción, se realiza un análisis del campo eléctrico respectivamente en el interructor de vacío. Se determinan las características de la distribución del campo eléctrico y los puntos de concentración de la intensidad del campo. Los puntos de concentración de la intensidad del campo son las áreas clave de análisis en este artículo. Se comparan los resultados del campo eléctrico obtenidos bajo diversas condiciones diferentes.

Figura 1 Diagrama Ampliado Interno de la Estructura del Interructor de Vacío

Figura 1 - Placa de cubierta fija; 2 - Cubierta de escudo principal; 3 - Contacto; 4 - Fuelle; 5 - Placa de cubierta móvil; 6 - Barra conductora fija; 7 - Vivienda aislante; 8 - Barra conductora móvil

Resultados del Cálculo y Análisis

Este artículo examina el rendimiento de aislamiento entre los puntos de interrupción de aislamiento bajo el voltaje nominal de impulso de rayo soportado. Se aplica un alto voltaje de 125 kV al contacto fijo del interruptor, y un potencial cero de 0 al contacto móvil. Se obtienen las distribuciones de potencial de todo el interruptor cuando las distancias de apertura de los contactos son 50%, 80% y 100% respectivamente. La unidad de potencial es V, y la unidad de intensidad del campo eléctrico es V/m.

Debido a la presencia de la cubierta de escudo en el interructor de vacío, la distorsión del campo eléctrico se suprime, resultando en una distribución de voltaje muy uniforme y simétrica en el área cercana a los contactos. El potencial flotante en la cubierta de escudo es aproximadamente 60 kV.

• Distribución de potencial del interructor de vacío a 50% de distancia de apertura de contacto

• Distribución de potencial del interructor de vacío a 80% de distancia de apertura de contacto

•  Distribución de potencial del interructor de vacío a 100% de distancia de apertura de contacto

En la Figura 2, las figuras (a) - (c) son los mapas de contorno de la distribución de la intensidad del campo eléctrico en el interructor de vacío bajo las tres diferentes distancias de apertura de contacto mencionadas anteriormente.

Para el interruptor de circuito de vacío a 50% de distancia de apertura de contacto, la máxima intensidad del campo eléctrico aparece en el extremo de la cubierta de escudo, con un valor de 25.4 kV/mm. En este momento, la intensidad del campo eléctrico entre los contactos es significativamente mayor que en las dos distancias de apertura anteriores. La cubierta de escudo de gradiente hace que el voltaje cerca de los contactos muestre una distribución de gradiente, y la intensidad del campo eléctrico se distribuye uniformemente, con una intensidad del campo eléctrico relativamente grande entre los contactos.

Cuando las distancias de apertura de contacto del interruptor de circuito de vacío son 80% y 100%, las máximas intensidades del campo eléctrico son 21.2 kV/mm y 18.1 kV/mm respectivamente. El voltaje cerca de los contactos muestra una distribución de gradiente, y la intensidad del campo eléctrico se distribuye uniformemente.

• Mapa de contorno del campo eléctrico del interructor de vacío a 50% de distancia de apertura de contacto

• Mapa de contorno del campo eléctrico del interructor de vacío a 80% de distancia de apertura de contacto

• Mapa de contorno del campo eléctrico del interructor de vacío a 100% de distancia de apertura de contacto

Se puede observar en las figuras que, cuando el medio aislante externo es constante y uniforme, las áreas con una distribución de intensidad del campo eléctrico relativamente grande en el interructor de vacío están principalmente concentradas en las superficies de los contactos móviles y fijos y en los extremos superior e inferior de la cubierta de escudo. Estas áreas vulnerables al aislamiento son propensas a la ruptura del aislamiento. Por lo tanto, en el diseño real del producto, la distribución del campo eléctrico en los puntos de concentración de la intensidad del campo se puede mejorar mediante métodos de diseño optimizado, como aumentar la curvatura de las superficies de los contactos móviles y fijos y redondear las esquinas agudas en ambos extremos de la cubierta de escudo.

La intensidad del campo eléctrico en la superficie externa del interructor de vacío es relativamente pequeña. Se puede observar en la figura que, en las áreas cercanas a los dos extremos de la vivienda cerámica del interructor de vacío y cerca de las placas de cubierta del interructor, los valores de la intensidad del campo eléctrico son mayores que en otras posiciones a lo largo de la superficie.

Cuando los contactos del interruptor de circuito de vacío están cerrados, se aplica un alto voltaje de 125 kV al conductor central, y se establece el potencial en el límite infinitamente lejano a 0. Después de la carga, el cálculo muestra que la intensidad del campo eléctrico es muy pequeña tanto en el interior como en el exterior del interruptor, con una máxima intensidad del campo eléctrico de 0.8 kV/mm. La intensidad del campo eléctrico se distribuye uniformemente, y el voltaje alrededor de los contactos muestra una tendencia de distribución de gradiente centrada en los contactos.

• (a) Mapa de contorno del campo eléctrico del interructor de vacío a 50% de distancia de apertura de contacto

• (b) Mapa de contorno del campo eléctrico del interructor de vacío a 80% de distancia de apertura de contacto

• (c) Mapa de contorno del campo eléctrico del interructor de vacío a 100% de distancia de apertura de contacto

Conclusión

A través del análisis y la investigación del campo eléctrico del interruptor de circuito de vacío AC de alta tensión al aire libre de 10kV, se han obtenido las variaciones en la intensidad del campo eléctrico y el potencial del interruptor bajo diferentes condiciones de límite. A partir de los resultados anteriores, queda claro que, utilizando ANSYS para simular con precisión el prototipo del objeto y aplicando el método de elementos finitos para cálculos numéricos del campo eléctrico y el potencial, se pueden lograr cálculos precisos de las variaciones en el campo eléctrico y el potencial dentro del interructor de vacío.