Analisi delle prestazioni di isolamento dei disgiuntori a vuoto esterni da 10kV

Introduzione

L'interruttore a vuoto è il componente più cruciale in un interruttore a vuoto. Vanta numerosi vantaggi, come una grande capacità di interruzione, operabilità frequente, eccellenti prestazioni di spegnimento dell'arco, assenza di inquinamento e dimensioni compatte. Mentre gli interruttori a vuoto si evolvono verso livelli di tensione più elevati, la ricerca approfondita sulle prestazioni di isolamento interno ed esterno degli interruttori a vuoto all'aperto diventa sempre più necessaria.

La distribuzione del campo elettrico all'interno dell'interruttore influisce significativamente sulle prestazioni di isolamento dell'interruttore a vuoto. Una distribuzione non uniforme del campo elettrico può portare al cedimento della fessura dei contatti, causando infine il fallimento dell'interruttore nel disconnettere. L'installazione di uno schermo di gradinata all'interno dell'interruttore a vuoto può omogeneizzare la distribuzione del campo elettrico interno, rendendo la struttura dell'interruttore a vuoto più razionale e compatta.

Tuttavia, l'aggiunta dello schermo causa anche cambiamenti nella distribuzione del campo elettrico all'interno dell'interruttore. Per verificare con precisione le prestazioni di isolamento dell'interruttore e analizzare l'influenza dello schermo sulla distribuzione del campo elettrico, l'analisi numerica del campo elettrico dell'interruttore a vuoto all'aperto è un passo chiave per validare l'affidabilità del prodotto.

Pertanto, questo articolo analizza e progetta la struttura di isolamento di un nuovo tipo di interruttore a vuoto AC ad alta tensione all'aperto da 10kV sviluppato e prodotto indipendentemente da aziende nazionali di produzione di interruttori.

Quando si esegue un'analisi del campo elettrostatico dell'interruttore a vuoto, viene applicata una tensione ai confini del modello, e vengono utilizzati elementi di mesh tetraedrici in base alla struttura del modello. La griglia viene realizzata utilizzando una mesh intelligente. Poiché l'interruttore a vuoto ha una struttura assialmente simmetrica, l'interruttore a vuoto viene sezionato lungo l'asse X del sistema di coordinate tridimensionale. Il vantaggio dell'utilizzo della mesh intelligente sta nel fatto che nelle aree in cui la curvatura del grafico cambia significativamente, la divisione della griglia è molto densa, mentre nelle aree con una struttura più regolare, la densità della griglia è relativamente bassa.

In base alle due posizioni di lavoro dei contatti dell'interruttore, ovvero la posizione di interruzione e la posizione di chiusura, nonché le diverse distanze aperte dei contatti durante il processo di interruzione, viene eseguita un'analisi del campo elettrico rispettivamente sull'interruttore a vuoto. Si determinano le caratteristiche della distribuzione del campo elettrico e i punti di concentrazione della forza del campo. I punti di concentrazione della forza del campo sono le aree chiave di analisi in questo articolo. I risultati del campo elettrico ottenuti in varie condizioni diverse vengono confrontati.

Figura 1 Diagramma ingrandito della struttura interna dell'interruttore a vuoto

Figura 1 - Piatto di copertura fissa; 2 - Copertura di schermo principale; 3 - Contatto; 4 - Campana; 5 - Piatto di copertura mobile; 6 - Barra conduttrice fissa; 7 - Alloggiamento isolante; 8 - Barra conduttrice mobile

Risultati del calcolo e analisi

Questo articolo esamina le prestazioni di isolamento tra i punti di interruzione sotto la tensione di impulso atmosferico nominale. Viene applicata una tensione elevata di 125 kV al contatto fisso dell'interruttore, e una potenziale zero di 0 al contatto mobile. Le distribuzioni di potenziale dell'intero interruttore vengono ottenute quando le distanze di apertura dei contatti sono rispettivamente al 50%, 80% e 100%. L'unità di potenziale è V, e l'unità di intensità del campo elettrico è V/m.

A causa della presenza della copertura di schermo nell'interruttore a vuoto, la distorsione del campo elettrico viene soppressa, risultando in una distribuzione di tensione molto uniforme e simmetrica nell'area vicino ai contatti. Il potenziale galleggiante sulla copertura di schermo è di circa 60 kV.

• Distribuzione del potenziale dell'interruttore a vuoto a 50% della distanza di apertura dei contatti

• Distribuzione del potenziale dell'interruttore a vuoto a 80% della distanza di apertura dei contatti

•  Distribuzione del potenziale dell'interruttore a vuoto a 100% della distanza di apertura dei contatti

Nella Figura 2, le figure (a) - (c) sono le mappe di contorno della distribuzione dell'intensità del campo elettrico nell'interruttore a vuoto nelle tre diverse distanze di apertura dei contatti menzionate sopra.

Per l'interruttore a vuoto a 50% della distanza di apertura dei contatti, l'intensità massima del campo elettrico appare all'estremità della copertura di schermo, con un valore di 25,4 kV/mm. In questo caso, l'intensità del campo elettrico tra i contatti è significativamente superiore a quella nelle prime due distanze di apertura. La copertura di schermo graduale fa sì che la tensione vicino ai contatti mostri una distribuzione a gradiente, e l'intensità del campo elettrico è distribuita in modo uniforme, con un'intensità del campo elettrico relativamente elevata tra i contatti.

Quando le distanze di apertura dei contatti dell'interruttore a vuoto sono al 80% e al 100%, le intensità massime del campo elettrico sono rispettivamente 21,2 kV/mm e 18,1 kV/mm. La tensione vicino ai contatti mostra una distribuzione a gradiente, e l'intensità del campo elettrico è distribuita in modo uniforme.

• Mappa di contorno del campo elettrico dell'interruttore a vuoto a 50% della distanza di apertura dei contatti

• Mappa di contorno del campo elettrico dell'interruttore a vuoto a 80% della distanza di apertura dei contatti

• Mappa di contorno del campo elettrico dell'interruttore a vuoto a 100% della distanza di apertura dei contatti

Si può vedere dalle figure che, quando il mezzo isolante esterno è costante e uniforme, le aree con una distribuzione di intensità del campo elettrico relativamente elevata nell'interruttore a vuoto sono principalmente concentrate sulle superfici terminali dei contatti mobili e fissi e sugli estremi superiori e inferiori della copertura di schermo. Queste aree vulnerabili all'isolamento sono soggette a rotture dell'isolamento. Pertanto, nel design effettivo del prodotto, la distribuzione del campo elettrico nei punti di concentrazione della forza del campo può essere migliorata attraverso metodi di progettazione ottimizzata, come l'aumento della curvatura delle superfici terminali dei contatti mobili e fissi e l'arrotondamento degli spigoli agli estremi della copertura di schermo.

L'intensità del campo elettrico sulla superficie esterna dell'interruttore a vuoto è relativamente piccola. Si può vedere dalla figura che nelle aree vicine ai due estremi dell'alloggiamento ceramico dell'interruttore a vuoto e vicino ai piatti di copertura dell'interruttore, i valori dell'intensità del campo elettrico sono maggiori rispetto ad altre posizioni lungo la superficie.

Quando i contatti dell'interruttore a vuoto sono chiusi, viene applicata una tensione elevata di 125 kV al conduttore centrale, e il potenziale al confine infinitamente lontano è impostato a 0. Dopo il caricamento, il calcolo mostra che l'intensità del campo elettrico è molto piccola sia all'interno che all'esterno dell'interruttore, con l'intensità massima del campo elettrico di 0,8 kV/mm. L'intensità del campo elettrico è distribuita in modo uniforme, e la tensione intorno ai contatti mostra una tendenza di distribuzione a gradiente centrata sui contatti.

• (a) Mappa di contorno del campo elettrico dell'interruttore a vuoto a 50% della distanza di apertura dei contatti

• (b) Mappa di contorno del campo elettrico dell'interruttore a vuoto a 80% della distanza di apertura dei contatti

• (c) Mappa di contorno del campo elettrico dell'interruttore a vuoto a 100% della distanza di apertura dei contatti

Conclusione

Attraverso l'analisi e la ricerca sul campo elettrico dell'interruttore a vuoto AC ad alta tensione all'aperto da 10kV, sono stati ottenuti i cambiamenti nell'intensità del campo elettrico e nel potenziale dell'interruttore in diverse condizioni al bordo. Dai risultati sopra, è chiaro che utilizzando ANSYS per simulare con precisione il prototipo dell'oggetto e applicando il metodo degli elementi finiti per i calcoli numerici del campo elettrico e del potenziale, è possibile ottenere calcoli precisi dei cambiamenti nel campo elettrico e nel potenziale all'interno dell'interruttore a vuoto.