Analyse van de isolatieprestaties van 10kV buitenverbruik vacuümschakelaars

Inleiding

De vacuümonderbreker is het belangrijkste onderdeel in een vacuümschakelaar. Het heeft tal van voordelen, zoals een grote onderbrekingscapaciteit, frequente bedrijfsbereidheid, uitstekende booguitdovingsprestaties, geen vervuiling en een compacte afmeting. Aangezien vacuümschakelaars zich ontwikkelen naar hogere spanningniveaus, is gedetailleerd onderzoek naar de interne en externe isolatieprestaties van buitenluifelvacuümonderbrekers van groter belang.

De verdeling van het elektrisch veld binnen de onderbreker heeft een significante invloed op de isolatieprestaties van de vacuümschakelaar. Een ongelijkmatige verdeling van het elektrisch veld kan leiden tot de doorbraak van de contactkloof, wat uiteindelijk resulteert in het falen van de schakelaar om open te gaan. Het installeren van een gradatieve schild binnen de vacuümonderbreker kan de interne elektrische veldverdeling homogeniseren, waardoor de structuur van de vacuümonderbreker rationeler en compacter wordt.

Het toevoegen van het schild veroorzaakt echter ook veranderingen in de verdeling van het elektrisch veld binnen de onderbreker. Om de isolatieprestaties van de onderbreker nauwkeurig te verifiëren en de invloed van het schild op de verdeling van het elektrisch veld te analyseren, is numerieke analyse van het elektrisch veld van de buitenluifelvacuümschakelaar een cruciale stap bij het valideren van de betrouwbaarheid van het product.

Daarom analyseert en ontwerpt dit artikel de isolatiestructuur van een nieuw type 10kV buitenluifelhoge-spannings AC-vacuümschakelaar, die onafhankelijk is ontwikkeld en geproduceerd door nationale schakelaarproducenten.

Bij de elektrostatische veldanalyse van de vacuümschakelaar wordt een spanning toegepast op de grenzen van het model, en worden tetraëdermesh-elementen gebruikt volgens de structuur van het model. De gridopmaak wordt uitgevoerd met behulp van intelligente gridopmaak. Aangezien de vacuümschakelaar een axiaalsymmetrische structuur heeft, wordt de vacuümonderbreker langs de X-as van het driedimensionale coördinatenstelsel gesectioneerd. Het voordeel van het gebruik van intelligente gridopmaak ligt in het feit dat in gebieden waar de kromming van de grafiek sterk verandert, de gridindeling zeer dicht is, terwijl in gebieden met een meer regelmatige structuur de griddichtheid relatief laag is.

Op basis van de twee werkingposities van de schakelaarcontacten, namelijk de onderbrekings- en sluitposities, evenals de verschillende openstaande afstanden van de contacten tijdens het onderbrekingsproces, wordt een elektrisch veldanalyse apart uitgevoerd op de vacuümonderbreker. De kenmerken van de verdeling van het elektrisch veld en de punten van veldsterkteconcentratie worden bepaald. De punten van veldsterkteconcentratie zijn de kerngebieden van de analyse in dit artikel. De elektrische veldresultaten die onder verschillende omstandigheden zijn verkregen, worden vergeleken.

Figuur 1 Vergroot schema van de interne structuur van de vacuümonderbreker

Figuur 1 - Statische eindplaat; 2 - Hoofdschildkap; 3 - Contact; 4 - Plooiklep; 5 - Bewegende eindplaat; 6 - Statische geleidingsstang; 7 - Isolerende behuizing; 8 - Bewegende geleidingsstang

Berekeningsresultaten en analyse

Dit artikel onderzoekt de isolatieprestaties tussen de isolatieonderbrekpunten onder de genoemde bliksemimpulsaanvaardingsspanning. Er wordt een hoge spanning van 125 kV aangebracht op het statische contact van de schakelaar, en een nulpotentieel van 0 op het bewegende contact. De potentieverdelingen van de hele schakelaar worden verkregen wanneer de contactopenstand 50%, 80% en 100% is. De eenheid van potentieel is V, en de eenheid van elektrisch veldsterkte is V/m.

Door het aanwezig zijn van het schild in de vacuümonderbreker wordt de vervorming van het elektrisch veld onderdrukt, wat resulteert in een zeer uniforme en symmetrische spanningverdeling in het gebied nabij de contacten. Het zwevende potentieel op het schild is ongeveer 60 kV.

• Potentieverdeling van de vacuümonderbreker bij 50% contactopenstand

• Potentieverdeling van de vacuümonderbreker bij 80% contactopenstand

•  Potentieverdeling van de vacuümonderbreker bij 100% contactopenstand

In figuur 2 zijn de figuren (a) - (c) de contouren van de verdeling van de elektrische veldsterkte in de vacuümonderbreker onder de bovenstaande drie verschillende contactopenstanden respectievelijk.

Voor de vacuümschakelaar bij 50% contactopenstand verschijnt de maximale elektrische veldsterkte aan het einde van het schild, met een waarde van 25,4 kV/mm. Op dat moment is de elektrische veldsterkte tussen de contacten aanzienlijk hoger dan bij de vorige twee openstanden. Het gradatieve schild zorgt ervoor dat de spanning in de buurt van de contacten een gradientverdeling toont, en de elektrische veldsterkte is gelijkmatig verdeeld, met een relatief grote elektrische veldsterkte tussen de contacten.

Wanneer de contactopenstanden van de vacuümschakelaar 80% en 100% zijn, zijn de maximale elektrische veldsterktes respectievelijk 21,2 kV/mm en 18,1 kV/mm. De spanning in de buurt van de contacten toont een gradientverdeling, en de elektrische veldsterkte is gelijkmatig verdeeld.

• Elektrisch veldcontourkaart van de vacuümonderbreker bij 50% contactopenstand

• Elektrisch veldcontourkaart van de vacuümonderbreker bij 80% contactopenstand

• Elektrisch veldcontourkaart van de vacuümonderbreker bij 100% contactopenstand

Uit de figuren blijkt dat wanneer de externe isolerende medium constant en uniform is, de gebieden met een relatief grote verdeling van de elektrische veldsterkte in de vacuümonderbreker voornamelijk geconcentreerd zijn op de eindvlakken van de bewegende en statische contacten en de boven- en onderkant van het schild. Deze isolatie-kwetsbare gebieden zijn vatbaar voor isolatie-throughbraken. Daarom kunnen in het daadwerkelijke ontwerp van het product de verdeling van het elektrisch veld op de punten van geconcentreerde veldsterkte worden verbeterd door middel van optimalisatieontwerpmethoden, zoals het vergroten van de kromming van de eindvlakken van de bewegende en statische contacten en het afvlakken van de scherpe hoeken aan beide einden van het schild.

De elektrische veldsterkte aan de buitenoppervlakte van de vacuümonderbreker is relatief klein. Uit de figuur blijkt dat in de gebieden in de buurt van de twee einden van de keramische behuizing van de vacuümonderbreker en dicht bij de eindplaten van de onderbreker, de waarden van de elektrische veldsterkte groter zijn dan op andere posities langs de oppervlakte.

Wanneer de contacten van de vacuümschakelaar gesloten zijn, wordt een hoge spanning van 125 kV aangebracht op de centrale geleider, en wordt het potentieel op de oneindig-verre grens ingesteld op 0. Na het belasten laat de berekening zien dat de elektrische veldsterkte zowel binnen als buiten de schakelaar zeer klein is, met een maximale elektrische veldsterkte van 0,8 kV/mm. De elektrische veldsterkte is gelijkmatig verdeeld, en de spanning rond de contacten toont een gradientverdelingstrend gericht op de contacten.

• (a) Elektrisch veldcontourkaart van de vacuümonderbreker bij 50% contactopenstand

• (b) Elektrisch veldcontourkaart van de vacuümonderbreker bij 80% contactopenstand

• (c) Elektrisch veldcontourkaart van de vacuümonderbreker bij 100% contactopenstand

Conclusie

Door de analyse en het onderzoek naar het elektrisch veld van de 10kV buitenluifelhoge-spannings AC-vacuümschakelaar zijn de variaties in de elektrische veldsterkte en het potentieel van de schakelaar onder verschillende randvoorwaarden verkregen. Uit de bovenstaande resultaten blijkt duidelijk dat door ANSYS te gebruiken om het prototype van het object nauwkeurig te simuleren en de eindige-elementenmethode toe te passen voor numerieke berekeningen van het elektrisch veld en het potentieel, nauwkeurige berekeningen van de variaties in het elektrisch veld en het potentieel binnen de vacuümonderbreker kunnen worden bereikt.