10kV屋外真空遮断器の絶縁性能分析

導入

真空遮断器は真空回路ブレーカーにおいて最も重要な部品です。大容量の切断能力、頻繁な操作性、優れた消弧性能、汚染無し、コンパクトなサイズといった多くの利点があります。真空回路ブレーカーがより高電圧レベルへと進化するにつれて、屋外真空遮断器の内部および外部絶縁性能に関する詳細な研究がますます必要となります。

遮断器内の電界分布は、真空回路ブレーカーの絶縁性能に大きく影響します。不均一な電界分布は接触ギャップの破壊につながり、最終的にはブレーカーの開閉失敗を引き起こします。真空遮断器内にグレーディングシールドを設置することで、内部の電界分布を均一化し、真空遮断器の構造をより合理的でコンパクトにすることができます。

しかし、シールドの追加により、遮断器内の電界分布も変化します。遮断器の絶縁性能を正確に検証し、シールドが電界分布に与える影響を分析するためには、屋外真空回路ブレーカーの電界に対する数値解析を行うことが製品の信頼性を確認するための鍵となるステップです。

したがって、本論文では国内のスイッチ製造企業が独自に開発・製造した新型の10kV屋外高電圧交流真空回路ブレーカーの絶縁構造について分析および設計を行います。

真空回路ブレーカーの静電場解析を行う際には、モデルの境界に電圧を適用し、モデルの構造に応じて四面体メッシュ要素を使用します。グリッドのメッシングはインテリジェントメッシングによって行われます。真空回路ブレーカーは軸対称構造を持っているため、真空遮断器は三次元座標系のX軸に沿って切断されます。インテリジェントメッシングを使用する利点は、グラフの曲率が大きく変化する領域ではグリッド分割が非常に密集しており、一方でより規則的な構造を持つ領域ではグリッド密度が比較的低いことです。

ブレーカーの接触部が切断位置と閉鎖位置という二つの作動位置にある場合、および切断過程における異なる接触間距離に基づいて、それぞれ真空遮断器に対して電界解析を行います。電界分布の特性と電界強度集中点を決定します。電界強度集中点は本論文における主要な分析エリアです。さまざまな異なる条件下で得られた電界結果を比較します。

図1 真空遮断器の内部拡大構造図

図1 - 固定端カバー板；2 - 主シールドカバー；3 - 接触部；4 - ベローズ；5 - 移動端カバー板；6 - 固定導電棒；7 - 絶縁ハウジング；8 - 移動導電棒

計算結果と分析

本論文では、定格雷衝撃耐電圧下での絶縁性能を調査しています。回路ブレーカーの固定接触部に125 kVの高電圧を、移動接触部にゼロポテンシャル（0）を適用します。接触間距離が50%、80%、100%の場合それぞれで全体の回路ブレーカーのポテンシャル分布を得ます。ポテンシャルの単位はV、電界強度の単位はV/mです。

真空遮断器内のシールドカバーの存在により、電界歪みが抑制され、接触部周辺の電圧分布が非常に均一かつ対称になります。シールドカバー上の浮遊ポテンシャルは約60 kVです。

• 接触間距離50%時の真空遮断器のポテンシャル分布

• 接触間距離80%時の真空遮断器のポテンシャル分布

•  接触間距離100%時の真空遮断器のポテンシャル分布

図2では、(a) - (c)は上記三つの異なる接触間距離における真空遮断器の電界強度分布の等高線図です。

接触間距離50%の真空回路ブレーカーにおいて、最大電界強度はシールドカバーの端で25.4 kV/mmとなり、このときの接触間の電界強度は以前の二つの開口距離よりも著しく高いです。グレーディングシールドカバーにより、接触部近傍の電圧は勾配分布を示し、電界強度は均一に分布し、接触間の電界強度が比較的大きくなります。

真空回路ブレーカーの接触間距離が80%および100%の場合、最大電界強度はそれぞれ21.2 kV/mmおよび18.1 kV/mmです。接触部近傍の電圧は勾配分布を示し、電界強度は均一に分布します。

• 接触間距離50%時の真空遮断器の電界等高線図

• 接触間距離80%時の真空遮断器の電界等高線図

• 接触間距離100%時の真空遮断器の電界等高線図

図から、外部絶縁媒体が一定かつ均一である場合、真空遮断器内の相対的に大きな電界分布強度を持つ領域は主に移動および固定接触部の端面とシールドカバーの上下端に集中しています。これらの絶縁脆弱部位は絶縁破壊に容易に陥ります。そのため、実際の製品設計では、移動および固定接触部の端面の曲率を増加させたり、シールドカバー両端の鋭角を丸めるなどの最適化設計方法を通じて、電界強度集中点での電界分布を改善することができます。

真空遮断器の外表面の電界強度は比較的小さいです。図から、真空遮断器のセラミックハウジングの両端近くおよび遮断器の端カバー板に近い領域での電界強度値は、他の表面位置よりも大きいことがわかります。

真空回路ブレーカーの接触部が閉鎖されている場合、中央導体に125 kVの高電圧を適用し、無限遠境界のポテンシャルを0に設定します。負荷後、計算により、ブレーカーの内外で電界強度は非常に小さく、最大電界強度は0.8 kV/mmとなります。電界強度は均一に分布し、接触部を中心に勾配分布傾向を示す電圧が見られます。

• (a) 接触間距離50%時の真空遮断器の電界等高線図

• (b) 接触間距離80%時の真空遮断器の電界等高線図

• (c) 接触間距離100%時の真空遮断器の電界等高線図

結論

10kV屋外高電圧交流真空回路ブレーカーの電界に関する分析と研究を通じて、異なる境界条件におけるブレーカーの電界強度とポテンシャルの変動が得られました。上記の結果から、ANSYSを使用してオブジェクトのプロトタイプを正確にシミュレーションし、有限要素法を用いて電界およびポテンシャルの数値計算を行うことで、真空遮断器内の電界およびポテンシャルの変動を精密に計算することが可能であることが明らかになりました。