آنالیز عملکرد عایق در قطع کننده های خلاء بیرونی ۱۰kV

مقدمه

قطعه مانع خلاء مهم‌ترین مؤلفه در قطعکننده خلاء است. این قطعه مزایای متعددی دارد، از جمله ظرفیت قطع بالا، قابلیت عملکرد مکرر، عملکرد مناسب در خاموش کردن قوس الکتریکی، عدم آلودگی و حجم کوچک. با توجه به روند تکامل قطعکننده‌های خلاء به سمت ولتاژهای بالاتر، پژوهش عمیق بر روی عملکرد عایق داخلی و خارجی مانع‌های خلاء بیرونی ضرورت بیشتری دارد.

توزیع میدان الکتریکی در داخل مانع خلاء تأثیر قابل توجهی بر عملکرد عایق قطعکننده خلاء دارد. توزیع نامساوی میدان الکتریکی می‌تواند منجر به شکست فاصله تماس شود که در نهایت باعث شکست قطعکننده در باز شدن می‌شود. نصب یک محافظ تقسیم‌کننده در داخل مانع خلاء می‌تواند توزیع میدان الکتریکی داخلی را یکنواخت کند و ساختار مانع خلاء را منطقی‌تر و فشرده‌تر کند.

با این حال، افزودن محافظ همچنین باعث تغییرات در توزیع میدان الکتریکی در داخل مانع خلاء می‌شود. برای تأیید دقیق عملکرد عایق مانع خلاء و تحلیل تأثیر محافظ بر توزیع میدان الکتریکی، انجام تحلیل عددی میدان الکتریکی قطعکننده خلاء بیرونی گام مهمی در تأیید قابلیت اطمینان محصول است.

بنابراین، این مقاله به تحلیل و طراحی ساختار عایق نوع جدیدی از قطعکننده خلاء AC بیرونی 10kV ولتاژ بالا می‌پردازد که توسط شرکت‌های تولیدی سوئیچ داخلی به طور مستقل توسعه یافته و تولید شده است.

در زمان انجام تحلیل میدان الکترواستاتیکی قطعکننده خلاء، ولتاژی به مرزهای مدل اعمال می‌شود و عناصر شبکه‌بندی تترائدریک با توجه به ساختار مدل استفاده می‌شود. شبکه‌بندی شبکه با استفاده از شبکه‌بندی هوشمند انجام می‌شود. چون قطعکننده خلاء ساختار محوری‌تقارنی دارد، مانع خلاء طبق سیستم مختصات سه‌بعدی در امتداد محور X برش می‌خورد. مزیت استفاده از شبکه‌بندی هوشمند در این است که در مناطقی که انحنا تصویر تغییر قابل توجهی دارد، تقسیم‌بندی شبکه بسیار چگال است، در حالی که در مناطقی با ساختار منظم‌تر، چگالی شبکه نسبتاً کمتر است.

بر اساس دو موقعیت کاری تماس‌ها، یعنی موقعیت‌های قطع و بسته شدن، و فواصل مختلف باز شدن تماس‌ها در طول فرآیند قطع، تحلیل میدان الکتریکی به ترتیب بر روی مانع خلاء انجام می‌شود. مشخصات توزیع میدان الکتریکی و نقاط تمرکز قوت میدان تعیین می‌شوند. نقاط تمرکز قوت میدان موضوع اصلی تحلیل در این مقاله هستند. نتایج میدان الکتریکی تحت شرایط مختلف مقایسه می‌شوند.

شکل 1 - نمودار ساختار بزرگنمایی داخلی مانع خلاء

شکل 1 - صفحه پوشش ثابت؛ 2 - پوشش محافظ اصلی؛ 3 - تماس؛ 4 - لوله جنبانی؛ 5 - صفحه پوشش متحرک؛ 6 - میله هادی ثابت؛ 7 - پوشش عایق؛ 8 - میله هادی متحرک

نتایج محاسبات و تحلیل

این مقاله به عملکرد عایق بین نقاط قطع جداگانه تحت ولتاژ تحمل ضربه برق در ولتاژ اسمی می‌پردازد. ولتاژ بالای 125 kV به تماس ثابت قطعکننده اعمال می‌شود و پتانسیل صفر (0) به تماس متحرک اعمال می‌شود. توزیع پتانسیل کل قطعکننده وقتی فاصله باز شدن تماس‌ها به ترتیب 50٪، 80٪ و 100٪ است، به دست می‌آید. واحد پتانسیل V و واحد قوت میدان الکتریکی V/m است.

به دلیل وجود پوشش محافظ در مانع خلاء، تحریف میدان الکتریکی کاهش می‌یابد که منجر به توزیع ولتاژ بسیار یکنواخت و متقارن در ناحیه نزدیک تماس‌ها می‌شود. پتانسیل شناور روی پوشش محافظ حدود 60 kV است.

• توزیع پتانسیل مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 50٪

• توزیع پتانسیل مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 80٪

• توزیع پتانسیل مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 100٪

در شکل 2، شکل‌های (a) - (c) نقشه‌های میزان توزیع قوت میدان الکتریکی در مانع خلاء تحت سه فاصله باز شدن تماس مختلف فوق هستند.

برای قطعکننده خلاء با فاصله باز شدن تماس 50٪، بیشترین قوت میدان الکتریکی در انتهای پوشش محافظ ظاهر می‌شود که مقدار آن 25.4 kV/mm است. در این زمان، قوت میدان الکتریکی بین تماس‌ها به طور قابل توجهی بیشتر از دو فاصله باز شدن قبلی است. محافظ تقسیم‌کننده باعث می‌شود که ولتاژ نزدیک تماس‌ها نمایش گرادیانی داشته باشد و قوت میدان الکتریکی به طور یکنواخت توزیع شود، با قوت میدان الکتریکی نسبتاً بزرگ بین تماس‌ها.

وقتی فاصله باز شدن تماس‌های قطعکننده خلاء 80٪ و 100٪ است، بیشترین قوت میدان‌های الکتریکی به ترتیب 21.2 kV/mm و 18.1 kV/mm هستند. ولتاژ نزدیک تماس‌ها نمایش گرادیانی دارد و قوت میدان الکتریکی به طور یکنواخت توزیع شده است.

• نقشه میزان توزیع میدان الکتریکی مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 50٪

• نقشه میزان توزیع میدان الکتریکی مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 80٪

• نقشه میزان توزیع میدان الکتریکی مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 100٪

از شکل‌ها مشخص است که وقتی رسانه عایق خارجی ثابت و یکنواخت است، مناطق با توزیع قوت میدان الکتریکی نسبتاً بزرگ در مانع خلاء عمدتاً در سطوح انتهایی تماس‌های متحرک و ثابت و انتهای بالا و پایین پوشش محافظ متمرکز هستند. این مناطق آسیب‌پذیر عایق می‌توانند به راحتی به شکست عایقی برسند. بنابراین، در طراحی واقعی محصول، می‌توان توزیع میدان الکتریکی در نقاط تمرکز قوت میدان را از طریق روش‌های طراحی بهینه‌سازی مانند افزایش انحنای سطوح انتهایی تماس‌های متحرک و ثابت و دوختن گوشه‌های تیز در دو انتها پوشش محافظ بهبود داد.

قوت میدان الکتریکی روی سطح خارجی مانع خلاء نسبتاً کوچک است. از شکل مشخص است که در نواحی نزدیک دو انتها کاسه سرامیکی مانع خلاء و نزدیق صفحه‌های پوشش مانع، مقادیر قوت میدان الکتریکی بزرگتر از سایر مکان‌های سطحی هستند.

وقتی تماس‌های قطعکننده خلاء بسته شده‌اند، ولتاژ بالای 125 kV به هادی مرکزی اعمال می‌شود و پتانسیل مرز نامحدود به صفر تنظیم می‌شود. پس از بارگذاری، محاسبات نشان می‌دهد که قوت میدان الکتریکی هم در داخل و هم در خارج قطعکننده بسیار کوچک است، با بیشترین قوت میدان الکتریکی 0.8 kV/mm. قوت میدان الکتریکی به طور یکنواخت توزیع شده و ولتاژ در اطراف تماس‌ها نمایش گرادیانی متمرکز بر تماس‌ها دارد.

• (a) نقشه میزان توزیع میدان الکتریکی مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 50٪

• (b) نقشه میزان توزیع میدان الکتریکی مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 80٪

• (c) نقشه میزان توزیع میدان الکتریکی مانع خلاء در فاصله باز شدن تماس 100٪

نتیجه‌گیری

از طریق تحلیل و تحقیق در مورد میدان الکتریکی قطعکننده خلاء AC بیرونی 10kV ولتاژ بالا، تغییرات در قوت میدان الکتریکی و پتانسیل قطعکننده تحت شرایط مرزی مختلف به دست آمده است. از نتایج فوق مشخص است که با استفاده از ANSYS برای شبیه‌سازی دقیق پروتوتیپ شیء و اعمال روش المان محدود برای محاسبات عددی میدان الکتریکی و پتانسیل، می‌توان محاسبات دقیق تغییرات در میدان الکتریکی و پتانسیل در داخل مانع خلاء را به دست آورد.