10 kV külső vákuum kapcsolók izolációs teljesítményének elemzése

Bevezetés

A vákuumban működő szakadási elem a legfontosabb komponens a vákuumszakítóban. Számos előnye van, mint például a nagy töréskapacitás, a gyakori üzemképesség, kiváló ívkioltó teljesítmény, a szennyezés hiánya és a kompakt mérete. Mivel a vákuumszakítók fokozatosan magasabb feszültségi szintek felé fejlődnek, a külső és belső izolációs teljesítmény részletes kutatása a szabadteri vákuumban működő szakadási elemek esetén egyre nagyobb szükséglet.

A szakadási elem belső elektromos mező eloszlása jelentősen befolyásolja a vákuumszakító izolációs teljesítményét. Egy egyenletesen elosztott elektromos mező elkerülheti a kapcsolókapcsolat megszakítását, ami végül a szakító hibás működéséhez vezethet. A szakadási elem belső részébe telepített osztófedél homogenizálhatja a belső elektromos mező eloszlást, ezzel a vákuumszakító szerkezetét racionálisabbá és kompaktabbá téve.

Azonban a fedél hozzáadása is változtatja a szakadási elem belső elektromos mezőjének eloszlását. A szakadási elem izolációs teljesítményének pontos ellenőrzéséhez és az osztófedél hatásának elektromos mező eloszlásra gyakorolt hatásának elemzéséhez a szabadteri vákuumszakító elektromos mezőjének numerikus elemzése kulcsfontosságú lépés a termék megbízhatóságának ellenőrzésében.

Ezért a tanulmány analizálja és tervezi a hazai kapcsológyárak által önállóan fejlesztett és gyártott új típusú 10 kV-os szabadteri magfeszültségű AC vákuumszakító izolációs szerkezetét.

A vákuumszakító elektrostatisztikus mezőelemzése során feszültséget alkalmaznak a modell határain, és tetraéderes hálózatelemeket használnak a modell szerkezetének megfelelően. A hálózatot intelligens hálózatráccsal hajtják végre. Mivel a vákuumszakító tengelyszimmetrikus szerkezetű, a szakadási elemet a háromdimenziós koordinátarendszer X-tengelyével szektálják. Az intelligens hálózatrács előnye, hogy a grafikon görbületének jelentős változásainak területein a hálózat sűrűbb, míg a rendszeresebb szerkezetű területeken a hálózatsűrűség alacsonyabb.

A kapcsolókapcsolat két munkaállapotának, azaz a szakítási és záróállapotnak, valamint a szakítási folyamat során különböző nyitott távolságoknak megfelelően külön-külön elektromos mezőelemzést végeznek a szakadási elemen. Megállapítják az elektromos mező eloszlásának jellemzőit és a mezőerő koncentrációjának pontjait. A mezőerő koncentrációjának pontjai a tanulmány kulcsterületei. Különböző feltételek mellett elért elektromos mező eredményeket hasonlítanak össze.

1. ábra A szakadási elem belső nagyított szerkezeti rajza

1 - Állandó vég fedőlap; 2 - Főosztófedél; 3 - Kapcsoló; 4 - Harang; 5 - Mozgó vég fedőlap; 6 - Állandó vezető rud; 7 - Izoláló háza; 8 - Mozgó vezető rud

Számítási eredmények és elemzés

A tanulmány a szabványos villámlódási tűrőfeszültség melletti izolációs teljesítményt vizsgálja a szakítási pontok között. 125 kV-os magfeszültséget alkalmaznak a szakító álló kapcsolójára, és 0-as potenciált a mozgó kapcsolójára. A kapcsoló nyitott távolságai 50%, 80% és 100% esetén a teljes szakító potenciál-eloszlását számítják ki. A potenciál egysége V, az elektromos mezőerő egysége V/m.

A szakadási elem osztófedélének jelenléte miatt az elektromos mező torzulása csökkent, ami egy nagyon egyenletes és szimmetrikus feszültségeloszlást eredményez a kapcsolók közelében. Az osztófedél lebegő potenciálja körülbelül 60 kV.

• A szakadási elem potenciál-eloszlása 50%-os kapcsoló nyitásnál

• A szakadási elem potenciál-eloszlása 80%-os kapcsoló nyitásnál

• A szakadási elem potenciál-eloszlása 100%-os kapcsoló nyitásnál

A 2. ábrán (a) - (c) a szakadási elem elektromos mezőerő eloszlásának kontúr térképei a fenti három különböző kapcsoló nyitásnál.

A 50%-os kapcsoló nyitásnál a szakító esetén a legnagyobb elektromos mezőerő az osztófedél végén jelenik meg, értéke 25,4 kV/mm. Ebben az időben a kapcsolók közötti elektromos mezőerő jelentősen magasabb, mint az előző két nyitásnál. Az osztófedél a kapcsolók közelében a feszültség gradiens eloszlást mutat, és az elektromos mezőerő egyenletesen eloszlott, a kapcsolók közötti elektromos mezőerő viszont jelentősen nagyobb.

Amikor a szakító kapcsoló nyitásai 80% és 100%, a legnagyobb elektromos mezőerő értékei rendre 21,2 kV/mm és 18,1 kV/mm. A kapcsolók közelében a feszültség gradiens eloszlást mutat, és az elektromos mezőerő egyenletesen eloszlott.

• A szakadási elem elektromos mező kontúr térképe 50%-os kapcsoló nyitásnál

• A szakadási elem elektromos mező kontúr térképe 80%-os kapcsoló nyitásnál

• A szakadási elem elektromos mező kontúr térképe 100%-os kapcsoló nyitásnál

A rajzokból látható, hogy amikor a külső izoláló közeg állandó és egyenletes, a szakadási elemben a relatíve nagy elektromos mezőerő eloszlású területek elsősorban a mozgó és álló kapcsolók végfelületein, valamint az osztófedél felső és alsó végén koncentrálódnak. Ezek az izoláció gyenge területei könnyen átveszthetnek. Ezért a termék valós tervezésekor az elektromos mező eloszlását a koncentrációs pontokon javíthatják, például növelve a mozgó és álló kapcsolók végfelületeinek görbületét, illetve élesen levágva az osztófedél két végét.

A szakadási elem külső felületén az elektromos mezőerő relatíve kicsi. A rajzból látható, hogy a szakadási elem kerámia háza két végén és a szakadási elem végfedőlapjai közelében az elektromos mezőerő értékei nagyobbak, mint a felület más helyein.

Amikor a szakító kapcsolói zárva vannak, 125 kV-os magfeszültséget alkalmaznak a középső vezetőre, és a végtelen távoli határ potenciálát 0-ra állítják. A terhelés után a számítás azt mutatja, hogy a szakító belseje és külseje is nagyon kis elektromos mezőerőt mutat, a legnagyobb elektromos mezőerő 0,8 kV/mm. Az elektromos mezőerő egyenletesen eloszlott, és a kapcsolók körül a feszültség a kapcsolók körül központosított gradiens eloszlást mutat.

• (a) A szakadási elem elektromos mező kontúr térképe 50%-os kapcsoló nyitásnál

• (b) A szakadási elem elektromos mező kontúr térképe 80%-os kapcsoló nyitásnál

• (c) A szakadási elem elektromos mező kontúr térképe 100%-os kapcsoló nyitásnál

Következtetés

A 10 kV-os szabadteri magfeszültségű AC vákuumszakító elektromos mezőjének elemzése és kutatása révén kaptuk a szakító elektromos mezőerőjének és potenciáljának változásait különböző határfeltételek mellett. A fenti eredmények alapján világos, hogy az ANSYS segítségével a tárgy prototípusának pontos szimulálása és a véges elem módszerének alkalmazása az elektromos mező és potenciál numerikus számításához lehetővé teszi a vákuumszakadási elem belső elektromos mezőjének és potenciáljának pontos kiszámítását.