Analiza performansi izolacije 10kV vanjskih vakuumskih prekidnika

Uvod

Vakuumska prekidna jedinica je najvažniji sastavni dio vakuumskog prekidača. Ima mnogo prednosti, poput velike kapaciteta prekida, česte upotrebe, odlične performanse u gasenju luku, nema zagađenja i kompaktna je. S obzirom na to da se vakuumski prekidači razvijaju prema višim naponima, potrebno je dublje istraživanje unutarnjih i vanjskih izolacijskih performansi vakuumskih prekidnih jedinica za vanjsku upotrebu.

Distribucija električnog polja unutar prekidne jedinice značajno utječe na izolacijske performanse vakuumskog prekidača. Neuniformna distribucija električnog polja može dovesti do propadanja međuprostora kontakta, što konačno može dovesti do neuspjeha u otvaranju prekidača. Ugradnja štitnog stita unutar vakuumske prekidne jedinice može homogenizirati unutarnju distribuciju električnog polja, čime se struktura vakuumske prekidne jedinice čini racionalnijom i kompaktnijom.

Međutim, dodatak štita također uzrokuje promjene u distribuciji električnog polja unutar prekidne jedinice. Da bi se precizno verificirale izolacijske performanse prekidne jedinice i analizirao utjecaj štita na distribuciju električnog polja, numerička analiza električnog polja vakuumskog prekidača za vanjsku upotrebu jest ključan korak u provjeri pouzdanosti proizvoda.

Stoga ovaj rad analizira i dizajnira izolacijsku strukturu novog tipa 10kV vakuumskog visokonaponskog AC prekidača za vanjsku upotrebu koji je samostalno razvijen i proizveden domaćim tvrtkama za proizvodnju prekidača.

Pri provedbi elektrostatske analize vakuumskog prekidača, napon se primjenjuje na granice modela, a tetraedarski mrežni elementi se koriste prema strukturi modela. Mreženje se vrši pomoću inteligentnog mreženja. Budući da vakuumski prekidač ima osnosimetričnu strukturu, vakuumska prekidna jedinica se presije duž X-osi trodimenzionalnog koordinatnog sustava. Prednost korištenja inteligentnog mreženja leži u tome što je mreženje veoma gusto u područjima gdje se zakrivljenost grafa značajno mijenja, dok je gustoca mreže relativno niska u područjima s regularnom strukturom.

Na temelju dvaju radnih položaja kontakata prekidača, to jest položaja prekida i zatvaranja, te različitih udaljenosti otvaranja kontakata tijekom procesa prekida, analiza električnog polja se pojedinačno provodi na vakuumskoj prekidnoj jedinici. Određuju se karakteristike distribucije električnog polja i točke koncentracije jakosti polja. Točke koncentracije jakosti polja su ključne područja analize u ovom radu. Rezultati električnog polja dobiveni pri različitim uvjetima uspoređuju se.

Slika 1 Povećana interna struktura vakuumske prekidne jedinice

Slika 1 - Stacionarna poklopna ploča; 2 - Glavni štitni poklopac; 3 - Kontakt; 4 - Grijanje; 5 - Pokretna poklopna ploča; 6 - Stacionarno vodljiva štap; 7 - Izolacijska kućište; 8 - Pokretno vodljivo štap

Rezultati računanja i analiza

Ovaj rad ispituje izolacijske performanse između točaka prekida izolacije pod nominiranim naponom blesne impulsnosti. Visoki napon od 125 kV primjenjuje se na stacionarni kontakt prekidača, a nul-potencijal od 0 primjenjuje se na pokretni kontakt. Dobi se distribucija potencijala cijelog prekidača kada su udaljenosti otvaranja kontakata 50%, 80% i 100%. Jedinka potencijala je V, a jedinka jakosti električnog polja je V/m.

Zahvaljujući prisutnosti štitnog poklopa u vakuumskoj prekidnoj jedinici, distorzija električnog polja je suzbijena, što rezultira vrlo uniformnom i simetričnom distribucijom napona u području blizu kontakata. Plivajući potencijal na štitnom poklopu iznosi približno 60 kV.

• Distribucija potencijala vakuumske prekidne jedinice na 50% udaljenosti otvaranja kontakta

• Distribucija potencijala vakuumske prekidne jedinice na 80% udaljenosti otvaranja kontakta

•  Distribucija potencijala vakuumske prekidne jedinice na 100% udaljenosti otvaranja kontakta

Na slici 2, slike (a) - (c) su konturne karte distribucije jakosti električnog polja u vakuumskoj prekidnoj jedinici pri gore navedenim tri različite udaljenosti otvaranja kontakata.

Za vakuumski prekidač na 50% udaljenosti otvaranja kontakta, maksimalna jakost električnog polja pojavljuje se na kraju štitnog poklopa, s vrijednošću od 25.4 kV/mm. U tom trenutku, jakost električnog polja između kontakata je značajno veća od onih pri prethodnim dvama udaljenostima otvaranja. Gradijentni štitni poklopac dovodi do gradijentne distribucije napona blizu kontakata, a jakost električnog polja je ravnomjerno distribuirana, s relativno velikom jakosti električnog polja između kontakata.

Kada su udaljenosti otvaranja kontakata vakuumskog prekidača 80% i 100%, maksimalne jakosti električnog polja su 21.2 kV/mm i 18.1 kV/mm redom. Napon blizu kontakata pokazuje gradijentnu distribuciju, a jakost električnog polja je ravnomjerno distribuirana.

• Konturna karta električnog polja vakuumske prekidne jedinice na 50% udaljenosti otvaranja kontakta

• Konturna karta električnog polja vakuumske prekidne jedinice na 80% udaljenosti otvaranja kontakta

• Konturna karta električnog polja vakuumske prekidne jedinice na 100% udaljenosti otvaranja kontakta

Iz slika se može vidjeti da, kada je vanjsko izolacijsko sredstvo konstantno i uniformno, područja s relativno velikom jakosti distribucije električnog polja u vakuumskoj prekidnoj jedinici uglavnom su koncentrirana na end površine pokretnih i stacionarnih kontakata te gornjim i donjim krajevima štitnog poklopa. Ova izolacijska područja su osjetljiva na propadanje izolacije. Stoga, u stvarnom dizajnu proizvoda, distribuciju električnog polja u točkama koncentracije može se poboljšati putem optimizacijskih metoda dizajna, kao što su povećanje zakrivljenosti end površina pokretnih i stacionarnih kontakata te ublažavanje oštrih rubova na oba kraja štitnog poklopa.

Jakost električnog polja na vanjskoj površini vakuumske prekidne jedinice relativno je mala. Iz slike se može vidjeti da su vrijednosti jakosti električnog polja u područjima blizu dva kraja keramičke kućišta vakuumske prekidne jedinice i blizu poklopne ploče prekidne jedinice veće od onih na drugim pozicijama duž površine.

Kada su kontakti vakuumskog prekidača zatvoreni, visoki napon od 125 kV primjenjuje se na centralni vodnik, a potencijal na beskonačno dalekoj granici postavlja se na 0. Nakon opterećenja, računanje pokazuje da je jakost električnog polja vrlo mala unutar i van prekidača, s maksimalnom jakosti od 0.8 kV/mm. Jakost električnog polja je ravnomjerno distribuirana, a napon oko kontakata pokazuje trend gradijentne distribucije s fokusom na kontakte.

• (a) Konturna karta električnog polja vakuumske prekidne jedinice na 50% udaljenosti otvaranja kontakta

• (b) Konturna karta električnog polja vakuumske prekidne jedinice na 80% udaljenosti otvaranja kontakta

• (c) Konturna karta električnog polja vakuumske prekidne jedinice na 100% udaljenosti otvaranja kontakta

Zaključak

Putem analize i istraživanja električnog polja 10kV vakuumskog visokonaponskog AC prekidača za vanjsku upotrebu, dobiveni su varijacije jakosti električnog polja i potencijala prekidača pri različitim granicama. Iz gore navedenih rezultata jasno je da upotrebom ANSYS-a za točno simuliranje prototipa objekta i primjenom metode konačnih elemenata za numerička računanja električnog polja i potencijala, mogu se točno izračunati varijacije u električnom polju i potencijalu unutar vakuumske prekidne jedinice.