تحلیل عملکرد عایق‌بندی دستگاه‌های قطع کننده خلاء بیرونی ۱۰kV
مقدمه
قطعه مدارگسیل‌شکن خلاء، مهم‌ترین جزء در مدارگسیل‌شکن خلاء است. این قطعه مزایای متعددی دارد، مانند ظرفیت شکست بالا، عملکرد مکرر، عملکرد خاموش‌کننده کمان عالی، عدم آلودگی و اندازه کوچک. با توجه به اینکه مدارگسیل‌شکن‌های خلاء به سمت ولتاژهای بالاتر در حال تحول هستند، پژوهش عمیق درباره عملکرد عایق بندی داخلی و خارجی مدارگسیل‌شکن‌های خلاء بیرونی ضروری‌تر می‌شود.
توزیع میدان الکتریکی در داخل مدارگسیل‌شکن تأثیر قابل توجهی بر عملکرد عایق بندی مدارگسیل‌شکن خلاء دارد. توزیع نامساوی میدان الکتریکی می‌تواند منجر به شکست فاصله تماس شود که در نهایت باعث ناتوانی مدارگسیل‌شکن در باز شدن می‌شود. نصب یک سپر تقسیم‌کننده در داخل مدارگسیل‌شکن خلاء می‌تواند توزیع میدان الکتریکی داخلی را یکنواخت کند و ساختار مدارگسیل‌شکن خلاء را منطقی‌تر و فشرده‌تر کند.
با این حال، افزودن سپر نیز باعث تغییراتی در توزیع میدان الکتریکی در داخل مدارگسیل‌شکن می‌شود. برای تأیید دقیق عملکرد عایق بندی مدارگسیل‌شکن و تحلیل تأثیر سپر بر توزیع میدان الکتریکی، انجام تحلیل عددی میدان الکتریکی مدارگسیل‌شکن خلاء بیرونی یک مرحله کلیدی در تأیید قابلیت اطمینان محصول است.
بنابراین، این مقاله ساختار عایق بندی نوع جدید یک مدارگسیل‌شکن خلاء AC بیرونی 10kV با ولتاژ بالا که به طور مستقل توسط شرکت‌های تولیدی سوئیچ داخلی توسعه یافته و ساخته شده است را تحلیل و طراحی می‌کند.
در زمان انجام تحلیل میدان الکتریکی آرام بر روی مدارگسیل‌شکن خلاء، ولتاژی به مرزهای مدل اعمال می‌شود و عناصر شبکه‌بندی چهار وجهی بر اساس ساختار مدل استفاده می‌شوند. شبکه‌بندی با استفاده از شبکه‌بندی هوشمند انجام می‌شود. چون مدارگسیل‌شکن خلاء ساختار محوری متقارن دارد، مدارگسیل‌شکن خلاء در طول محور X سیستم مختصات سه‌بعدی برش می‌خورد. مزیت استفاده از شبکه‌بندی هوشمند این است که در مناطقی که انحنای نمودار به طور قابل توجهی تغییر می‌کند، تقسیم‌بندی شبکه بسیار متراکم است، در حالی که در مناطقی با ساختار منظم‌تر، چگالی شبکه نسبتاً کمتر است.
بر اساس دو موقعیت کاری تماس‌های مدارگسیل‌شکن، یعنی موقعیت‌های قطع و بسته شدن، و فواصل باز تماس‌ها در حین قطع، تحلیل میدان الکتریکی به ترتیب بر روی مدارگسیل‌شکن خلاء انجام می‌شود. مشخصات توزیع میدان الکتریکی و نقاط تمرکز شدت میدان تعیین می‌شوند. نقاط تمرکز شدت میدان موضوعات کلیدی تحلیل در این مقاله هستند. نتایج میدان الکتریکی تحت شرایط مختلف مقایسه می‌شوند.
شکل 1 نمودار ساختار بزرگنمایی داخلی مدارگسیل‌شکن خلاء
شکل 1 - صفحه پوشش ثابت؛ 2 - پوشش اصلی محافظ؛ 3 - تماس؛ 4 - لوله پیچان؛ 5 - صفحه پوشش متحرک؛ 6 - میله هادی ثابت؛ 7 - پوشش عایق؛ 8 - میله هادی متحرک
نتایج محاسبات و تحلیل
این مقاله عملکرد عایق بندی بین نقاط قطع جداگانه تحت ولتاژ تحمل ضربه گرمایی اسمی را بررسی می‌کند. ولتاژ بالای 125 kV به تماس ثابت مدارگسیل‌شکن اعمال می‌شود و پتانسیل صفر 0 به تماس متحرک اعمال می‌شود. توزیع پتانسیل کل مدارگسیل‌شکن وقتی فاصله باز تماس‌ها به ترتیب 50٪، 80٪ و 100٪ است به دست می‌آید. واحد پتانسیل V و واحد شدت میدان الکتریکی V/m است.
به دلیل وجود پوشش محافظ در مدارگسیل‌شکن خلاء، تحریف میدان الکتریکی کاهش یافته و توزیع ولتاژ بسیار یکنواخت و متقارن در ناحیه نزدیک تماس‌ها به وجود می‌آید. پتانسیل شناور روی پوشش محافظ حدود 60 kV است.
توزیع پتانسیل مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 50٪
توزیع پتانسیل مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 80٪
توزیع پتانسیل مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 100٪
در شکل 2، نمودارهای (a) - (c) نمودارهای کانتور توزیع شدت میدان الکتریکی در مدارگسیل‌شکن خلاء تحت سه فاصله باز تماس مختلف فوق هستند.
برای مدارگسیل‌شکن خلاء با فاصله باز تماس 50٪، شدت میدان الکتریکی ماکسیمم در انتهای پوشش محافظ ظاهر می‌شود که مقدار آن 25.4 kV/mm است. در این زمان، شدت میدان الکتریکی بین تماس‌ها به طور قابل توجهی بالاتر از دو فاصله باز قبلی است. پوشش محافظ تقسیم‌کننده باعث می‌شود که ولتاژ نزدیک تماس‌ها یک توزیع گرادیانی نشان دهد و شدت میدان الکتریکی به طور یکنواخت توزیع شود، با شدت میدان الکتریکی نسبتاً بالایی بین تماس‌ها.
وقتی فاصله باز تماس‌های مدارگسیل‌شکن خلاء 80٪ و 100٪ است، شدت‌های میدان الکتریکی ماکسیمم به ترتیب 21.2 kV/mm و 18.1 kV/mm هستند. ولتاژ نزدیک تماس‌ها یک توزیع گرادیانی نشان می‌دهد و شدت میدان الکتریکی به طور یکنواخت توزیع شده است.
نمودار کانتور میدان الکتریکی مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 50٪
نمودار کانتور میدان الکتریکی مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 80٪
نمودار کانتور میدان الکتریکی مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 100٪
از نمودارها می‌توان دید که وقتی مedium عایق بندی خارجی ثابت و یکنواخت است، مناطق با شدت توزیع میدان الکتریکی نسبتاً بالا در مدارگسیل‌شکن خلاء عمدتاً روی سطوح انتهایی تماس‌های متحرک و ثابت و انتهای بالا و پایین پوشش محافظ متمرکز هستند. این مناطق آسیب‌پذیر عایق بندی به راحتی ممکن است به شکست عایق بندی بیفتند. بنابراین، در طراحی واقعی محصول، می‌توان توزیع میدان الکتریکی در نقاط تمرکز شدت میدان را از طریق روش‌های بهینه‌سازی طراحی مانند افزایش انحنا در سطوح انتهایی تماس‌های متحرک و ثابت و گرد کردن گوشه‌های تیز در دو انتها پوشش محافظ بهبود داد.
شدت میدان الکتریکی روی سطح خارجی مدارگسیل‌شکن خلاء نسبتاً کم است. از نمودار می‌توان دید که در نواحی نزدیک دو انتها پوشش سرامیکی مدارگسیل‌شکن خلاء و نزدیک صفحه‌های پوششی مدارگسیل‌شکن، مقادیر شدت میدان الکتریکی بزرگتر از سایر مکان‌ها در طول سطح هستند.
وقتی تماس‌های مدارگسیل‌شکن خلاء بسته شده‌اند، ولتاژ بالای 125 kV به هادی مرکزی اعمال می‌شود و پتانسیل در مرز نامحدود به صفر تنظیم می‌شود. پس از بارگذاری، محاسبات نشان می‌دهد که شدت میدان الکتریکی هم داخل و هم خارج از مدارگسیل‌شکن بسیار کم است، با شدت میدان الکتریکی ماکسیمم 0.8 kV/mm. شدت میدان الکتریکی به طور یکنواخت توزیع شده و ولتاژ در اطراف تماس‌ها یک روند توزیع گرادیانی متمرکز بر تماس‌ها نشان می‌دهد.
(a) نمودار کانتور میدان الکتریکی مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 50٪
(b) نمودار کانتور میدان الکتریکی مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 80٪
(c) نمودار کانتور میدان الکتریکی مدارگسیل‌شکن خلاء در فاصله باز تماس 100٪
نتیجه‌گیری
از طریق تحلیل و تحقیق درباره میدان الکتریکی مدارگسیل‌شکن خلاء AC بیرونی 10kV با ولتاژ بالا، تغییرات شدت میدان الکتریکی و پتانسیل مدارگسیل‌شکن تحت شرایط مرزی مختلف به دست آمده است. از نتایج فوق واضح است که با استفاده از ANSYS برای شبیه‌سازی دقیق نمونه اصلی و اعمال روش المان محدود برای محاسبات عددی میدان الکتریکی و پتانسیل، محاسبات دقیق تغییرات میدان الکتریکی و پتانسیل در داخل مدارگسیل‌شکن خلاء ممکن است.
