10kV 야외 진공 회로 차단기의 절연 성능 분석

소개

진공 차단기는 진공 회로 차단기에서 가장 중요한 구성 요소입니다. 이는 높은 차단 용량, 빈번한 작동 가능성, 우수한 아크 소멸 성능, 오염 없음, 컴팩트한 크기 등의 많은 장점을 가지고 있습니다. 진공 회로 차단기가 더욱 높은 전압 수준으로 발전함에 따라 야외 진공 차단기의 내부 및 외부 절연 성능에 대한 깊이 있는 연구가 더욱 필요하게 되었습니다.

차단기 내부의 전기장 분포는 진공 회로 차단기의 절연 성능에 크게 영향을 미칩니다. 불균일한 전기장 분포는 접점 간격의 파괴를 초래하여 결국 회로 차단기의 개방 실패로 이어질 수 있습니다. 진공 차단기 내부에 그레이딩 쉴드를 설치하면 내부 전기장 분포를 균일화하여 진공 차단기의 구조를 더욱 합리적이고 컴팩트하게 만들 수 있습니다.

그러나 쉴드의 추가로 인해 차단기 내부의 전기장 분포에도 변화가 생깁니다. 차단기의 절연 성능을 정확히 검증하고 쉴드가 전기장 분포에 미치는 영향을 분석하기 위해서는 야외 진공 회로 차단기의 전기장에 대한 수치 분석이 제품의 신뢰성 검증에서 중요한 단계가 됩니다.

따라서 본 논문에서는 국내 스위치 제조 기업이 독립적으로 개발 및 제조한 새로운 유형의 10kV 야외 고압 교류 진공 회로 차단기의 절연 구조를 분석하고 설계합니다.

진공 회로 차단기에 대한 정전기장 분석을 수행할 때 모델 경계에 전압을 가하고, 모델 구조에 따라 사면체 메시 요소를 사용합니다. 그리드 메시는 지능형 메시를 사용하여 수행됩니다. 진공 회로 차단기가 축대칭 구조를 가지므로, 진공 차단기는 3차원 좌표계의 X축을 따라 섹션됩니다. 지능형 메시의 장점은 그래프의 곡률이 크게 변하는 영역에서 그리드 분할이 매우 조밀하며, 구조가 더 규칙적인 영역에서는 그리드 밀도가 상대적으로 낮다는 것입니다.

회로 차단기 접점의 두 작업 위치, 즉 차단 위치와 폐쇄 위치, 그리고 차단 과정 중의 다양한 접점 개방 거리를 기반으로 각각 진공 차단기에 대한 전기장 분석을 수행합니다. 전기장 분포의 특징과 전기장 강도 집중 포인트를 결정합니다. 전기장 강도 집중 포인트는 본 논문에서 주요 분석 영역입니다. 다양한 다른 조건 하에서 얻은 전기장 결과를 비교합니다.

도 1 진공 차단기 내부 확대 구조도

도 1 - 고정 엔드 커버 플레이트; 2 - 주 쉴딩 커버; 3 - 접점; 4 - 벨로우스; 5 - 이동 엔드 커버 플레이트; 6 - 고정 도체 막대; 7 - 절연 하우징; 8 - 이동 도체 막대

계산 결과 및 분석

본 논문에서는 정격 번개 임펄스 내전압 하에서 격리 차단점 사이의 절연 성능을 검토합니다. 회로 차단기의 고정 접점에 125 kV의 고전압을 가하고, 이동 접점에는 0의 영전위를 가합니다. 접점 개방 거리가 각각 50%, 80%, 100%일 때 전체 회로 차단기의 전위 분포를 얻습니다. 전위의 단위는 V이며, 전기장 강도의 단위는 V/m입니다.

진공 차단기 내부에 쉴딩 커버가 존재함으로써 전기장 왜곡이 억제되어 접점 근처 영역에서 매우 균일하고 대칭적인 전압 분포가 이루어집니다. 쉴딩 커버의 부유 전위는 약 60 kV입니다.

• 접점 개방 거리 50%에서의 진공 차단기 전위 분포

• 접점 개방 거리 80%에서의 진공 차단기 전위 분포

•  접점 개방 거리 100%에서의 진공 차단기 전위 분포

도 2에서 (a) - (c)는 위 세 가지 다른 접점 개방 거리에서의 진공 차단기 내부의 전기장 강도 분포 등고선도입니다.

접점 개방 거리가 50%인 진공 회로 차단기의 경우, 최대 전기장 강도는 쉴딩 커버의 끝에서 25.4 kV/mm로 나타납니다. 이때 접점 사이의 전기장 강도는 이전 두 개의 개방 거리보다 현저히 높습니다. 그레이딩 쉴딩 커버는 접점 근처의 전압이 기울기 분포를 보이고, 전기장 강도가 균일하게 분포되며, 접점 사이에 상대적으로 큰 전기장 강도가 있습니다.

진공 회로 차단기의 접점 개방 거리가 80%와 100%일 때, 최대 전기장 강도는 각각 21.2 kV/mm와 18.1 kV/mm입니다. 접점 근처의 전압은 기울기 분포를 보이고, 전기장 강도는 균일하게 분포됩니다.

• 접점 개방 거리 50%에서의 진공 차단기 전기장 등고선도

• 접점 개방 거리 80%에서의 진공 차단기 전기장 등고선도

• 접점 개방 거리 100%에서의 진공 차단기 전기장 등고선도

도에서 볼 수 있듯이 외부 절연 매체가 일정하고 균일할 때, 진공 차단기 내부에서 상대적으로 큰 전기장 분포 강도가 있는 영역은 주로 이동 접점과 고정 접점의 단면과 쉴딩 커버의 상하단에 집중됩니다. 이러한 절연 취약 영역은 절연 파괴에 취약합니다. 따라서 실제 제품 설계 시, 이동 접점과 고정 접점의 단면 곡률을 증가시키거나 쉴딩 커버 양단의 날카로운 모서리를 둥글게 하는 등의 최적화 설계 방법을 통해 집중된 전기장 분포 포인트의 전기장 분포를 개선할 수 있습니다.

진공 차단기 외부 표면의 전기장 강도는 상대적으로 작습니다. 도에서 볼 수 있듯이, 진공 차단기의 세라믹 하우징의 양끝과 차단기의 엔드 커버 플레이트 근처에서 전기장 강도 값이 표면의 다른 위치보다 큽니다.

진공 회로 차단기의 접점이 폐쇄되었을 때, 중앙 도체에 125 kV의 고전압을 가하고 무한히 먼 경계의 전위를 0으로 설정합니다. 로딩 후 계산 결과, 회로 차단기 내외부의 전기장 강도는 매우 작으며, 최대 전기장 강도는 0.8 kV/mm입니다. 전기장 강도는 균일하게 분포되며, 접점 주변의 전압은 접점을 중심으로 기울기 분포 경향을 보입니다.

• (a) 접점 개방 거리 50%에서의 진공 차단기 전기장 등고선도

• (b) 접점 개방 거리 80%에서의 진공 차단기 전기장 등고선도

• (c) 접점 개방 거리 100%에서의 진공 차단기 전기장 등고선도

결론

10kV 야외 고압 교류 진공 회로 차단기의 전기장에 대한 분석 및 연구를 통해 다양한 경계 조건 하에서 회로 차단기의 전기장 강도와 전위의 변화를 얻었습니다. 위의 결과에서 명확하게 드러나듯이, ANSYS를 사용하여 객체의 프로토타입을 정확하게 시뮬레이션하고 유한 요소법을 적용하여 전기장과 전위에 대한 수치 계산을 수행함으로써, 진공 차단기 내부의 전기장과 전위의 변화를 정확하게 계산할 수 있습니다.