10kV ulkokäyttöisten tyhjiöventtiilien eristysominaisuuksien analyysi

Johdanto

Tyhjiökatkaisija on tärkein komponentti tyhjiökiskis sulussa. Sillä on useita etuja, kuten suuri katkaistava kapasiteetti, usein käytettävyys, erinomainen kaarien sammutustehoste, ympäristöystävällisyys ja kompakti koko. Kun tyhjiökiskoja kehitetään yhä korkeampiin jännitteisiin, ulkoisen ja sisäisen eristystehon tutkiminen on entistäkin tärkeämpää.

Sähkökentän jakautuminen katkaisijan sisällä vaikuttaa merkittävästi tyhjiökiskon eristystehoon. Epätasainen sähkökenttäjakautuminen voi johtaa kontaktien välisen kuilun rikkoutumiseen, mikä lopulta aiheuttaa kiskon avaamisen epäonnistumisen. Tyhjiökatkaisijan sisälle asennettu tasauskypärä voi homogeenistää sisäisen sähkökentän jakautumista, mikä tekee tyhjiökatkaisijan rakenteesta järkevämmän ja tiiviimmän.

Kuitenkin kypärän lisäys myös muuttaa sähkökentän jakautumista katkaisijan sisällä. Katkaisijan eristystehon tarkemman vahvistamisen ja kypärän vaikutuksen sähkökentän jakautumiseen analysoimisen kannalta on keskeistä suorittaa numeerinen analyysi ulkoisen tyhjiökiskon sähkökentästä tuotteen luotettavuuden vahvistamiseksi.

Tässä artikkelissa analysoidaan ja suunnitellaan kotimaisten kytkintävalmistajien itsenäisesti kehittämän ja valmistaman uuden tyyppisen 10 kV:n ulkoisen korkeajännite-AC-tyhjiökiskon eristysteknologiaa.

Tyhjiökiskon statiseen kenttään suoritettaessa mallin rajoihin sovelletaan jännitettä, ja mallin rakenteeseen mukaisesti käytetään tetraedrisia verkosto-osia. Verkon hajoitus suoritetaan älykkään hajoituksen avulla. Koska tyhjiökisko on aksiaalisen symmetrian omaava rakenne, tyhjiökatkaisija leikataan kolmiulotteisen koordinaatiston X-akselin suuntaisesti. Älykkään hajoituksen etuna on se, että alueilla, joissa kuvan kaarevuus muuttuu huomattavasti, verkon hajoitus on hyvin tiheä, kun taas säännöllisemmällä rakenteella olevilla alueilla hajoituksen tiheyden on suhteellisen pieni.

Pohjautuen kytkintäkontaktien kahteen toimintasijaintiin, eli katkaisu- ja sulkuasentoihin, sekä eri kontaktilaittojen avaamiin etäisyyksiin katkaisuprosessissa, tyhjiökatkaisijalle suoritetaan sähkökenttäanalyysi. Määritetään sähkökentän jakautumisen ominaispiirteet ja kentän voiman konsentraatiopisteet. Kentän voiman konsentraatiopisteet ovat tämän artikkelin pääanalyysikohteet. Vertailtaan eri ehdoin saatuja sähkökenttäanalyysin tuloksia.

Kuva 1 Tyhjiökatkaisijan sisäinen suurennosrakenne

Kuva 1 - Pysyvä päällyslevy; 2 - Pääkypärä; 3 - Kontakti; 4 - Harmaa; 5 - Liukuva päällyslevy; 6 - Pysyvä johtava sauva; 7 - Eritysruumi; 8 - Liukuva johtava sauva

Laskentatulokset ja analyysi

Tässä artikkelissa tutkitaan eristyseristystehoa kytkinnän katkaisupisteiden välillä nimellisessä ukkosjännitteessä. Kytkinnän pysyvään kontaktiin sovelletaan 125 kV:n korkeaa jännitettä, ja liukuvan kontaktin potentiaali asetetaan nollaksi. Saadaan koko kytkimen potentiaalijakautumat, kun kontaktien avaamat etäisyydet ovat 50 %, 80 % ja 100 %. Potentiaalin yksikkönä on V, ja sähkökentän voiman yksikkönä V/m.

Tyhjiökatkaisijan kypärän läsnäolosta johtuen sähkökentän vääristyminen hillitään, mikä johtaa hyvin tasaiseen ja symmetriseen jännitejakautumaan kontaktien lähellä. Kypärän kiintymäpotentiaali on noin 60 kV.

• Tyhjiökatkaisijan potentiaalijakautuma 50 % kontaktien avaamat etäisyydessä

• Tyhjiökatkaisijan potentiaalijakautuma 80 % kontaktien avaamat etäisyydessä

•  Tyhjiökatkaisijan potentiaalijakautuma 100 % kontaktien avaamat etäisyydessä

Kuvassa 2 (a) - (c) ovat sähkökentän voiman jakautuman kontuurikaaviot tyhjiökatkaisijassa edellä mainituilla kolmella eri kontaktien avaamat etäisyydellä.

Kun tyhjiökisko on 50 % kontaktien avaamat etäisyydessä, suurin sähkökentän voima ilmenee kypärän päässä, arvolla 25,4 kV/mm. Tällöin kontaktien välinen sähkökentän voima on huomattavasti suurempi kuin edellä mainituilla kahdella avaamat etäisyydellä. Tasauskypärä tekee jännitejakautumasta kontaktien lähellä gradienttijakautuneen, ja sähkökentän voima on tasaisesti jakautunut, mutta kontaktien välillä on suhteellisen suuri sähkökentän voima.

Kun tyhjiökisko on 80 % ja 100 % kontaktien avaamat etäisyydessä, suurimmat sähkökentän voimat ovat 21,2 kV/mm ja 18,1 kV/mm. Jännite kontaktien lähellä näyttää gradienttijakautumista, ja sähkökentän voima on tasaisesti jakautunut.

• Tyhjiökatkaisijan sähkökentän voiman kontuurikaavio 50 % kontaktien avaamat etäisyydessä

• Tyhjiökatkaisijan sähkökentän voiman kontuurikaavio 80 % kontaktien avaamat etäisyydessä

• Tyhjiökatkaisijan sähkökentän voiman kontuurikaavio 100 % kontaktien avaamat etäisyydessä

Kuvista voidaan nähdä, että kun ulkoinen eristeväesiintyvä on vakio ja tasainen, tyhjiökatkaisijan sähkökentän voiman jakautumalla on suuria alueita, jotka keskittyvät enimmäkseen liukuviin ja pysyviin kontaktien pääpuoliin ja kypärän ylä- ja alaosapuoliin. Nämä eristystehoalttiit alueet ovat alttiita eristyshäiriöille. Siksi todellisessa tuotteen suunnittelussa näiden kentän voiman konsentraatiopisteiden sähkökentän voiman jakautumaa voidaan parantaa optimointisuunnitelman avulla, kuten lisäämällä liukuvien ja pysyvien kontaktien pääpuolien kaarevuutta ja pyöristämällä kypärän molempien päiden terävät kulmat.

Tyhjiökatkaisijan ulkopinnan sähkökentän voima on suhteellisen pieni. Kuvista voidaan nähdä, että tyhjiökatkaisijan keramiikkuruumiun kummallakin päässä ja lähellä katkaisijan päällyslevyjä, sähkökentän voiman arvot ovat suurempia kuin muissa paikoissa pinnan pituudessa.

Kun tyhjiökiskon kontaktit ovat suljettuina, keskijohtoon sovelletaan 125 kV:n korkeaa jännitettä, ja äärettömän kaukaiselle rajalle asetetaan nollapotentiali. Latauksen jälkeen laskenta osoittaa, että sähkökentän voima on hyvin pieni sekä kytkimen sisä- että ulkopuolella, suurin sähkökentän voima on 0,8 kV/mm. Sähkökentän voima on tasaisesti jakautunut, ja kontaktien ympärillä oleva jännite näyttää gradienttijakautumisen trendiä kontaktien ympärillä.

• (a) Tyhjiökatkaisijan sähkökentän voiman kontuurikaavio 50 % kontaktien avaamat etäisyydessä

• (b) Tyhjiökatkaisijan sähkökentän voiman kontuurikaavio 80 % kontaktien avaamat etäisyydessä

• (c) Tyhjiökatkaisijan sähkökentän voiman kontuurikaavio 100 % kontaktien avaamat etäisyydessä

Johtopäätös

10 kV:n ulkoisen korkeajännite-AC-tyhjiökiskon sähkökentän analyysin ja tutkimuksen avulla on saatu selville sähkökentän voiman ja jännitteen vaihtelut eri rajaehtojen alla. Edellä mainituista tuloksista on selvää, että ANSYS:n avulla voidaan tarkasti simuloida objektin prototyyppiä ja soveltaa elementtimenetelmää sähkökentän ja jännitteen numeerisiin laskemiin, mikä mahdollistaa tarkan laskennan sähkökentän ja jännitteen vaihteluista tyhjiökatkaisijan sisällä.