Análise do rendemento da aislación de interruptores de vacío ao aire libre de 10kV

Introdución

O interrumpidor de vacío é o compoñente máis crucial nun interruptor de circuito de vacío. Ten numerosas vantaxes, como gran capacidade de corte, operabilidade frecuente, excelente rendemento de extinción do arco, ausencia de contaminación e tamaño compacto. A medida que os interruptores de circuito de vacío evolucionan cara a niveis de tensión máis altos, a investigación en profundidade sobre o desempeño de aislamento interno e externo dos interrumpidores de vacío ao aire libre é cada vez máis necesaria.

A distribución do campo eléctrico dentro do interrumpidor ten un impacto significativo no desempeño de aislamento do interruptor de circuito de vacío. Unha distribución desigual do campo eléctrico pode levar ao fallo da separación entre contactos, resultando finalmente na incapacidade do interruptor para abrir. A instalación dun escudo de gradiente dentro do interrumpidor de vacío pode homogeneizar a distribución do campo eléctrico interno, facendo que a estrutura do interrumpidor de vacío sexa máis racional e compacta.

No entanto, a adición do escudo tamén provoca cambios na distribución do campo eléctrico dentro do interrumpidor. Para verificar con precisión o desempeño de aislamento do interrumpidor e analizar a influencia do escudo na distribución do campo eléctrico, realizar un análise numérica do campo eléctrico do interruptor de circuito de vacío ao aire libre é un paso clave para validar a fiabilidade do produto.

Por tanto, este artigo analiza e diseña a estrutura de aislamento dun novo tipo de interruptor de circuito de vacío AC de alta tensión ao aire libre de 10kV desenvolvido e fabricado de forma independente por empresas nacionais de produción de interruptores.

Ao realizar unha análise de campo electrostático do interruptor de circuito de vacío, aplícase unha tensión aos límites do modelo, e empreganse elementos de malla tetraédrica segundo a estrutura do modelo. A malla da rede realiza-se mediante malla intelixente. Dado que o interruptor de circuito de vacío ten unha estrutura axial simétrica, o interrumpidor de vacío seccionase ao longo do eixe X do sistema de coordenadas tridimensional. A ventaxe de empregar a malla intelixente reside no feito de que nas áreas onde a curvatura do gráfico cambia significativamente, a división da malla é moi densa, mentres que nas áreas con unha estrutura máis regular, a densidade da malla é relativamente baixa.

Baseándose nas dúas posicións de traballo dos contactos do interruptor, nomeadamente as posicións de apertura e pechado, así como nas diferentes distancias de apertura dos contactos durante o proceso de apertura, realiza-se unha análise de campo eléctrico no interrumpidor de vacío. Determinanse as características da distribución do campo eléctrico e os puntos de concentración de intensidade de campo. Os puntos de concentración de intensidade de campo son as áreas clave de análise neste artigo. Compáranse os resultados do campo eléctrico obtidos en varias condicións diferentes.

Figura 1 Diagrama Estructural Ampliado Interno do Interrumpidor de Vacío

Figura 1 - Placa de cubrición fixa; 2 - Cubrición principal de escudo; 3 - Contacto; 4 - Fuelle; 5 - Placa de cubrición móbil; 6 - Varilla conductora fixa; 7 - Caixa aislante; 8 - Varilla conductora móbil

Resultados e Análise do Cálculo

Este artigo examina o desempeño de aislamento entre os puntos de ruptura de isolamento baixo a tensión de impulso de raio nominal. Aplicase unha alta tensión de 125 kV ao contacto fixo do interruptor, e un potencial cero de 0 ao contacto móbil. Obtéñense as distribucións de potencial de todo o interruptor cando as distancias de apertura dos contactos son do 50%, 80% e 100% respectivamente. A unidade de potencial é V, e a unidade de intensidade de campo eléctrico é V/m.

Debido á presenza do escudo de cubrición no interrumpidor de vacío, suprímese a distorsión do campo eléctrico, resultando nunha distribución de voltaxe moi uniforme e simétrica na área próxima aos contactos. O potencial flotante no escudo de cubrición é aproximadamente de 60 kV.

• Distribución de potencial do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 50%

• Distribución de potencial do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 80%

•  Distribución de potencial do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 100%

Na Figura 2, as figuras (a) - (c) son os mapas de contorno da distribución da intensidade de campo eléctrico no interrumpidor de vacío baixo as tres diferentes distancias de apertura de contactos mencionadas anteriormente.

Para o interruptor de circuito de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 50%, a máxima intensidade de campo eléctrico aparece no extremo do escudo de cubrición, cun valor de 25,4 kV/mm. Neste momento, a intensidade de campo eléctrico entre os contactos é significativamente maior que nos dous anteriores distanciamentos de apertura. O escudo de gradiente fai que a tensión próxima aos contactos mostre unha distribución de gradiente, e a intensidade de campo eléctrico está distribuída de forma uniforme, coa intensidade de campo eléctrico relativamente grande entre os contactos.

Cando as distancias de apertura de contactos do interruptor de circuito de vacío son do 80% e 100%, as máximas intensidades de campo eléctrico son de 21,2 kV/mm e 18,1 kV/mm respectivamente. A tensión próxima aos contactos mostra unha distribución de gradiente, e a intensidade de campo eléctrico está distribuída de forma uniforme.

• Mapa de contorno do campo eléctrico do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 50%

• Mapa de contorno do campo eléctrico do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 80%

• Mapa de contorno do campo eléctrico do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 100%

Pódese ver nas figuras que, cando o medio aislante externo é constante e uniforme, as áreas con unha distribución de campo eléctrico relativamente grande no interrumpidor de vacío están principalmente concentradas nas superficies finais dos contactos móbil e fixo e nos extremos superior e inferior do escudo de cubrición. Estas áreas vulnerables ao aislamento son propensas ao fallo de aislamento. Polo tanto, no deseño real do produto, a distribución do campo eléctrico nos puntos de concentración de intensidade de campo pódese mellorar mediante métodos de deseño optimizado, como aumentar a curvatura das superficies finais dos contactos móbil e fixo e redondear os cantos agudos nos dous extremos do escudo de cubrición.

A intensidade de campo eléctrico na superficie externa do interrumpidor de vacío é relativamente pequena. Pódese ver na figura que nas áreas próximas aos dous extremos da caixa de cerámica do interrumpidor de vacío e próximos ás placas de cubrición do interrumpidor, os valores de intensidade de campo eléctrico son maiores que nos outros puntos ao longo da superficie.

Cando os contactos do interruptor de circuito de vacío están pechados, aplícase unha alta tensión de 125 kV ao conductor central, e o potencial no límite infinitamente lexo establecése a 0. Despois da carga, o cálculo mostra que a intensidade de campo eléctrico é moi pequena tanto dentro como fóra do interruptor, sendo a máxima intensidade de campo eléctrico de 0,8 kV/mm. A intensidade de campo eléctrico está distribuída de forma uniforme, e a tensión arredor dos contactos mostra unha tendencia de distribución de gradiente centrada nos contactos.

• (a) Mapa de contorno do campo eléctrico do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 50%

• (b) Mapa de contorno do campo eléctrico do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 80%

• (c) Mapa de contorno do campo eléctrico do interrumpidor de vacío a unha distancia de apertura de contactos do 100%

Conclusión

A través da análise e investigación do campo eléctrico do interruptor de circuito de vacío AC de alta tensión ao aire libre de 10kV, obtívronse as variacións na intensidade de campo eléctrico e no potencial do interruptor baixo diferentes condicións de límite. A partir dos resultados anteriores, é claro que empregando ANSYS para simular con precisión o prototipo do obxecto e aplicando o método de elementos finitos para cálculos numéricos do campo eléctrico e do potencial, pódense realizar cálculos precisos das variacións no campo eléctrico e no potencial dentro do interrumpidor de vacío.