Isolasjonsytelseanalyse av 10kV utendørs vakuumbrytere

Introduksjon

Vakuumavbryteren er den viktigste komponenten i en vakuumkretsutslenger. Den har mange fordeler, som stor brytekapasitet, ofte bruk, utmerket bukslukningsyting, ingen forurensning og kompakt størrelse. Som vakuumkretsutslengere utvikler seg mot høyere spenningsnivåer, er dypgående forskning på intern og ekstern isolasjonsyting av utendørs vakuumavbrytere mer nødvendig.

Elektrisk feltfordeling inni avbryteren har betydelig innvirkning på isolasjonsytingen til vakuumkretsutslengeren. Ujevnt elektrisk feltfordeling kan føre til at kontaktspillet brytes, og resultere i at kretsutslengeren ikke kan åpnes. Ved å installere en graderte skjerm inne i vakuumavbryteren, kan det interne elektriske feltet jevnliges, noe som gjør strukturen til vakuumavbryteren mer rasjonell og kompakt.

Men legging til skjermen fører også til endringer i elektrisk feltfordeling inni avbryteren. For å nøyaktig verifisere isolasjonsytingen til avbryteren og analysere skjermens innvirkning på elektrisk feltfordeling, er numerisk analyse av elektrisk feltet i utendørs vakuumkretsutslenger en nøkkelprosess for å validere produktets pålitelighet.

Derfor analyserer og designer denne artikkelen isolasjonsstrukturen til en ny type 10kV utendørs høyspenning AC vakuumkretsutslenger som er selvutviklet og produsert av nasjonale brytelysningsprodusenter.

Når det gjelder statisk feltanalyse av vakuumkretsutslengeren, anvendes spenning på modellens grenser, og tetraedrale nettverkselementer benyttes i henhold til modellens struktur. Nettverksinndeling utføres ved hjelp av intelligent inndeling. Siden vakuumkretsutslengeren har en aksialsymmetrisk struktur, blir vakuumavbryteren dels along X-aksen i tredimensjonalt koordinatsystem. Fordelen med å bruke intelligent inndeling ligger i at der grafens krumming endrer seg betydelig, er nettverksinndelingen svært tett, mens i områder med mer regulær struktur, er nettverkstettheten relativt lav.

Basert på de to arbeidsposisjonene for kretsutslengerkontakter, nemlig brytings- og lukkingposisjon, samt ulike kontaktdistanser under brytingen, utføres en elektrisk feltanalyse på vakuumavbryteren. Karakteristika for elektrisk feltfordeling og punkter for feltstyrkekoncentrasjon fastsettes. Punkter for feltstyrkekoncentrasjon er de nøkkelpunktene for analyse i denne artikkelen. Resultatene av elektrisk felt under ulike vilkår sammenlignes.

Figur 1 Intern forstørret strukturdiagram av vakuumavbryteren

Figur 1 - Stasjonær endeplate; 2 - Hovedskjermende overflate; 3 - Kontakt; 4 - Belegningsrør; 5 - Flyttbar endeplate; 6 - Stasjonær lede stang; 7 - Isolerende beholder; 8 - Flyttbar ledestang

Beregningsresultater og analyse

Denne artikkelen undersøker isolasjonsytingen mellom isoleringsskilletepunkter under den nominerte lynimpulsmotstandsspenningen. En høy spenning på 125 kV anbringes på den stasjonære kontakten til kretsutslengeren, og et nullpotensial på 0 anbringes på den flyttbare kontakten. Potensialfordelingen for hele kretsutslengeren oppnås når kontaktdistansene er 50%, 80% og 100% henholdsvis. Enheten for potensial er V, og enheten for elektrisk feltstyrke er V/m.

På grunn av tilstedeværelsen av skjermende overflate i vakuumavbryteren, undertrykkes elektrisk feltforvrengning, noe som resulterer i en svært jevnet og symmetrisk spenningfordeling i området nær kontaktene. Det flytende potensialet på skjermende overflate er omtrent 60 kV.

• Potensialfordeling av vakuumavbryteren ved 50% kontaktdistans

• Potensialfordeling av vakuumavbryteren ved 80% kontaktdistans

•  Potensialfordeling av vakuumavbryteren ved 100% kontaktdistans

I figur 2, er figur (a) - (c) konturlinjediagrammene for elektrisk feltstyrkefordeling i vakuumavbryteren under de tre ulike kontaktdistansene ovenfor.

For vakuumkretsutslengeren ved 50% kontaktdistans, opptrer maksimal elektrisk feltstyrke ved enden av skjermende overflate, med en verdi på 25,4 kV/mm. I dette tilfellet er elektrisk feltstyrken mellom kontaktene betydelig høyere enn ved de to foregående åpningsdistansene. Graderte skjermende overflate gjør at spenningen nær kontaktene viser en gradientfordeling, og elektrisk feltstyrken er jevnt fordelt, med relativt høy elektrisk feltstyrke mellom kontaktene.

Når kontaktdistansen for vakuumkretsutslengeren er 80% og 100%, er de maksimale elektriske feltstyrkene henholdsvis 21,2 kV/mm og 18,1 kV/mm. Spenningen nær kontaktene viser en gradientfordeling, og elektrisk feltstyrken er jevnt fordelt.

• Elektrisk feltkonturlinjediagram for vakuumavbryteren ved 50% kontaktdistans

• Elektrisk feltkonturlinjediagram for vakuumavbryteren ved 80% kontaktdistans

• Elektrisk feltkonturlinjediagram for vakuumavbryteren ved 100% kontaktdistans

Det kan sees fra figurene at når den eksterne isolerende mediumet er konstant og jevnt, er områdene med relativt stor elektrisk feltstyrkefordeling i vakuumavbryteren hovedsakelig koncentrert på sluttfacetene av de flyttbare og stasjonære kontaktene og øvre og nedre ender av skjermende overflate. Disse isoleringsutsatte områdene er utsatt for isoleringsbryting. Derfor kan i den faktiske designen av produktet, elektrisk feltfordeling på punkter med koncentrert feltstyrke forbedres gjennom optimaliseringsdesignmetoder som øking av kurving av sluttfacetene av de flyttbare og stasjonære kontaktene og avrunding av skarpe hjørner på begge ender av skjermende overflate.

Elektrisk feltstyrken på den ytre overflaten av vakuumavbryteren er relativt liten. Det kan sees fra figuren at i områdene nær de to endene av keramikkbegeren til vakuumavbryteren og nær endeplater av avbryteren, er elektrisk feltstyrkeverdiene større enn de på andre posisjoner langs overflaten.

Når kontaktene i vakuumkretsutslengeren er lukket, anbringes en høy spenning på 125 kV på sentrallederen, og potensialet ved uendelig fjerne grense settes til 0. Etter belasting, viser beregninger at elektrisk feltstyrken er svært liten både innenfor og utenfor kretsutslengeren, med maksimal elektrisk feltstyrke på 0,8 kV/mm. Elektrisk feltstyrken er jevnt fordelt, og spenningen rundt kontaktene viser en gradientfordelingstrend senteret på kontaktene.

• (a) Elektrisk feltkonturlinjediagram for vakuumavbryteren ved 50% kontaktdistans

• (b) Elektrisk feltkonturlinjediagram for vakuumavbryteren ved 80% kontaktdistans

• (c) Elektrisk feltkonturlinjediagram for vakuumavbryteren ved 100% kontaktdistans

Konklusjon

Gjennom analyse og forskning på elektrisk feltet av 10kV utendørs høyspenning AC vakuumkretsutslenger, er variasjonene i elektrisk feltstyrke og potensial av kretsutslengeren under ulike grensebetingelser oppnådd. Fra de ovennevnte resultatene, er det klart at ved å bruke ANSYS til nøyaktig simulering av prototypen av objektet og anvende endeelementmetoden for numeriske beregninger av elektrisk felt og potensial, kan nøyaktige beregninger av variasjonene i elektrisk felt og potensial inni vakuumavbryteren oppnås.