Analyse des performances d'isolation des disjoncteurs à vide extérieurs de 10 kV

Introduction

L'interrupteur à vide est le composant le plus crucial dans un disjoncteur à vide. Il présente de nombreux avantages, tels qu'une grande capacité de coupure, une opérabilité fréquente, d'excellentes performances d'extinction d'arc, l'absence de pollution et une taille compacte. Alors que les disjoncteurs à vide évoluent vers des niveaux de tension plus élevés, la recherche approfondie sur les performances d'isolation interne et externe des interrupteurs à vide pour extérieur devient encore plus nécessaire.

La distribution du champ électrique à l'intérieur de l'interrupteur a un impact significatif sur les performances d'isolation du disjoncteur à vide. Une distribution inégale du champ électrique peut entraîner la rupture de l'écart entre les contacts, aboutissant finalement à l'échec de l'ouverture du disjoncteur. L'installation d'un bouclier de gradation à l'intérieur de l'interrupteur à vide peut homogénéiser la distribution du champ électrique interne, rendant la structure de l'interrupteur à vide plus rationnelle et compacte.

Cependant, l'ajout du bouclier provoque également des changements dans la distribution du champ électrique à l'intérieur de l'interrupteur. Pour vérifier avec précision les performances d'isolation de l'interrupteur et analyser l'influence du bouclier sur la distribution du champ électrique, la réalisation d'une analyse numérique du champ électrique du disjoncteur à vide pour extérieur est une étape clé pour valider la fiabilité du produit.

Par conséquent, cet article analyse et conçoit la structure d'isolation d'un nouveau type de disjoncteur à vide AC haute tension 10kV pour extérieur, développé et fabriqué indépendamment par des entreprises nationales de production de disjoncteurs.

Lors de l'analyse du champ électrostatique du disjoncteur à vide, une tension est appliquée aux limites du modèle, et des éléments de maillage tétraédriques sont utilisés en fonction de la structure du modèle. Le maillage de la grille est effectué en utilisant un maillage intelligent. Étant donné que le disjoncteur à vide a une structure axiale symétrique, l'interrupteur à vide est sectionné le long de l'axe X du système de coordonnées tridimensionnel. L'avantage du maillage intelligent réside dans le fait que, dans les zones où la courbure du graphique change considérablement, la division de la grille est très dense, tandis que dans les zones ayant une structure plus régulière, la densité de la grille est relativement faible.

Sur la base des deux positions de travail des contacts du disjoncteur, à savoir les positions de coupure et de fermeture, ainsi que des différentes distances d'ouverture des contacts pendant le processus de coupure, une analyse du champ électrique est réalisée respectivement sur l'interrupteur à vide. Les caractéristiques de la distribution du champ électrique et les points de concentration de l'intensité du champ sont déterminés. Les points de concentration de l'intensité du champ sont les zones clés d'analyse dans cet article. Les résultats du champ électrique obtenus sous diverses conditions différentes sont comparés.

Figure 1 Diagramme agrandi de la structure interne de l'interrupteur à vide

Figure 1 - Plaque de couvercle fixe ; 2 - Couvercle principal de blindage ; 3 - Contact ; 4 - Cloche ; 5 - Plaque de couvercle mobile ; 6 - Tige conductrice fixe ; 7 - Logement isolant ; 8 - Tige conductrice mobile

Résultats et analyse des calculs

Cet article examine les performances d'isolation entre les points de coupure d'isolement sous la tension de tenue impulsionnelle foudre nominale. Une haute tension de 125 kV est appliquée au contact fixe du disjoncteur, et un potentiel nul de 0 est appliqué au contact mobile. Les distributions de potentiel de l'ensemble du disjoncteur sont obtenues lorsque les distances d'ouverture des contacts sont respectivement de 50 %, 80 % et 100 %. L'unité de potentiel est V, et l'unité de l'intensité du champ électrique est V/m.

En raison de la présence du bouclier de blindage dans l'interrupteur à vide, la distorsion du champ électrique est supprimée, ce qui entraîne une distribution de tension très uniforme et symétrique dans la zone près des contacts. Le potentiel flottant sur le bouclier de blindage est d'environ 60 kV.

• Distribution de potentiel de l'interrupteur à vide à 50 % de distance d'ouverture des contacts

• Distribution de potentiel de l'interrupteur à vide à 80 % de distance d'ouverture des contacts

•  Distribution de potentiel de l'interrupteur à vide à 100 % de distance d'ouverture des contacts

Dans la Figure 2, les figures (a) - (c) sont les cartes de contour de la distribution de l'intensité du champ électrique dans l'interrupteur à vide sous les trois différentes distances d'ouverture des contacts mentionnées ci-dessus.

Pour le disjoncteur à vide à 50 % de distance d'ouverture des contacts, l'intensité du champ électrique maximale apparaît à l'extrémité du bouclier de blindage, avec une valeur de 25,4 kV/mm. À ce moment-là, l'intensité du champ électrique entre les contacts est significativement plus élevée que celle des deux distances d'ouverture précédentes. Le bouclier de gradation fait que la tension près des contacts montre une distribution de gradient, et l'intensité du champ électrique est distribuée de manière uniforme, avec une intensité de champ électrique relativement importante entre les contacts.

Lorsque les distances d'ouverture des contacts du disjoncteur à vide sont de 80 % et 100 %, les intensités du champ électrique maximales sont respectivement de 21,2 kV/mm et 18,1 kV/mm. La tension près des contacts montre une distribution de gradient, et l'intensité du champ électrique est distribuée de manière uniforme.

• Carte de contour du champ électrique de l'interrupteur à vide à 50 % de distance d'ouverture des contacts

• Carte de contour du champ électrique de l'interrupteur à vide à 80 % de distance d'ouverture des contacts

• Carte de contour du champ électrique de l'interrupteur à vide à 100 % de distance d'ouverture des contacts

On peut voir sur les figures que, lorsque le milieu d'isolation externe est constant et uniforme, les zones de la distribution de l'intensité du champ électrique relativement importante dans l'interrupteur à vide sont principalement concentrées sur les surfaces d'extrémité des contacts mobiles et fixes et sur les extrémités supérieures et inférieures du bouclier de blindage. Ces zones vulnérables à l'isolation sont susceptibles de subir une rupture d'isolation. Par conséquent, dans la conception réelle du produit, la distribution du champ électrique aux points de concentration de l'intensité du champ peut être améliorée par des méthodes de conception optimisée, telles que l'augmentation de la courbure des surfaces d'extrémité des contacts mobiles et fixes et l'arrondissement des coins pointus aux deux extrémités du bouclier de blindage.

L'intensité du champ électrique sur la surface extérieure de l'interrupteur à vide est relativement faible. On peut voir sur la figure que, dans les zones proches des deux extrémités du logement céramique de l'interrupteur à vide et près des plaques de couvercle de l'interrupteur, les valeurs de l'intensité du champ électrique sont plus grandes que celles des autres positions le long de la surface.

Lorsque les contacts du disjoncteur à vide sont fermés, une haute tension de 125 kV est appliquée au conducteur central, et le potentiel à la limite infiniment éloignée est fixé à 0. Après le chargement, le calcul montre que l'intensité du champ électrique est très faible à l'intérieur comme à l'extérieur du disjoncteur, avec une intensité du champ électrique maximale de 0,8 kV/mm. L'intensité du champ électrique est distribuée de manière uniforme, et la tension autour des contacts montre une tendance de distribution de gradient centrée sur les contacts.

• (a) Carte de contour du champ électrique de l'interrupteur à vide à 50 % de distance d'ouverture des contacts

• (b) Carte de contour du champ électrique de l'interrupteur à vide à 80 % de distance d'ouverture des contacts

• (c) Carte de contour du champ électrique de l'interrupteur à vide à 100 % de distance d'ouverture des contacts

Conclusion

Grâce à l'analyse et la recherche sur le champ électrique du disjoncteur à vide AC haute tension 10kV pour extérieur, les variations de l'intensité du champ électrique et du potentiel du disjoncteur sous différentes conditions de bordure ont été obtenues. À partir des résultats ci-dessus, il est clair que, en utilisant ANSYS pour simuler précisément le prototype de l'objet et en appliquant la méthode des éléments finis pour les calculs numériques du champ électrique et du potentiel, des calculs précis des variations du champ électrique et du potentiel à l'intérieur de l'interrupteur à vide peuvent être réalisés.