Analiza wydajności izolacji 10kV zewnętrznych wakuumowych przekaźników obwodowych

Wstęp

Przerywacz próżniowy jest najważniejszym elementem w przekaźniku próżniowym. Posiada wiele zalet, takich jak duża zdolność przerwy, częsta operacyjność, doskonała wydajność gaszenia łuku, brak zanieczyszczeń i kompaktowe wymiary. W miarę jak przekaźniki próżniowe ewoluują w kierunku wyższych napięć, szczegółowe badania nad wewnętrzną i zewnętrzną izolacją przerywaczy próżniowych na zewnątrz stają się bardziej konieczne.

Rozkład pola elektrycznego w przerywaczu znacząco wpływa na wydajność izolacji przekaźnika próżniowego. Nierównomierny rozkład pola elektrycznego może prowadzić do przebicia luki kontaktowej, co ostatecznie powoduje niepowodzenie otwarcia przekaźnika. Montaż tarczy gradacyjnej wewnątrz przerywacza próżniowego może zrównomiernić wewnętrzny rozkład pola elektrycznego, czyniąc strukturę przerywacza próżniowego bardziej racjonalną i kompaktową.

Jednak dodanie tarczy również powoduje zmiany w rozkładzie pola elektrycznego w przerywaczu. Aby dokładnie zweryfikować wydajność izolacji przerywacza i przeanalizować wpływ tarczy na rozkład pola elektrycznego, przeprowadzenie analizy numerycznej pola elektrycznego przekaźnika próżniowego na zewnątrz jest kluczowym krokiem w walidacji niezawodności produktu.

Dlatego niniejszy artykuł analizuje i projektuje strukturę izolacji nowego typu 10kV zewnętrznych wysokonapięciowych przekaźników próżniowych AC, które zostały samodzielnie opracowane i wyprodukowane przez krajowe przedsiębiorstwa produkujące przełączniki.

Podczas przeprowadzania analizy pola elektrostatycznego przekaźnika próżniowego, napięcie jest zastosowane do granic modelu, a elementy siatki tetraedralnej są stosowane zgodnie ze strukturą modelu. Siatkowanie sieci jest realizowane przy użyciu inteligentnego siatkowania. Ponieważ przekaźnik próżniowy ma symetryczną strukturę osiową, przerywacz próżniowy jest przekrojony wzdłuż osi X układu współrzędnych trójwymiarowych. Zaleta stosowania inteligentnego siatkowania polega na tym, że w obszarach, gdzie krzywizna wykresu ulega znacznym zmianom, podział siatki jest bardzo gęsty, podczas gdy w obszarach o bardziej regularnej strukturze gęstość siatki jest względnie niska.

Na podstawie dwóch pozycji pracy kontaktów przekaźnika, czyli pozycji przerwy i zamknięcia, oraz różnych odległości otwarcia kontaktów podczas procesu przerwy, przeprowadzono analizę pola elektrycznego przerywacza próżniowego. Określono charakterystykę rozkładu pola elektrycznego i punkty skupienia natężenia pola. Punkty skupienia natężenia pola są kluczowymi obszarami analizy w niniejszym artykule. Porównano wyniki pola elektrycznego uzyskane w różnych warunkach.

Rysunek 1 Zwiększony diagram wewnętrznej struktury przerywacza próżniowego

Rysunek 1 - Stalowa płyta końcowa; 2 - Główna tarcza ekranująca; 3 - Kontakt; 4 - Falownik; 5 - Ruchoma płyta końcowa; 6 - Stalowy pręt przewodzący; 7 - Izolująca obudowa; 8 - Ruchomy pręt przewodzący

Wyniki obliczeń i analiza

Niniejszy artykuł bada wydajność izolacji między punktami przerwy izolacji pod napotkanym napięciem impulsu grzmieniowego. Do nieruchomego kontaktu przekaźnika zastosowano wysokie napięcie 125 kV, a do ruchomego kontaktu zastosowano potencjał zero 0. Otrzymano rozkłady potencjału całego przekaźnika dla odległości otwarcia kontaktów odpowiednio 50%, 80% i 100%. Jednostką potencjału jest V, a jednostką natężenia pola elektrycznego jest V/m.

Ze względu na obecność tarczy ekranującej w przerywaczu próżniowym, zniekształcenie pola elektrycznego jest tłumione, co powoduje bardzo równomierny i symetryczny rozkład napięcia w okolicy kontaktów. Potencjał pływający na tarczy ekranującej wynosi około 60 kV.

• Rozkład potencjału przerywacza próżniowego przy 50% odległości otwarcia kontaktów

• Rozkład potencjału przerywacza próżniowego przy 80% odległości otwarcia kontaktów

•  Rozkład potencjału przerywacza próżniowego przy 100% odległości otwarcia kontaktów

Na Rysunku 2, figury (a) - (c) to mapy konturowe rozkładu natężenia pola elektrycznego w przerywaczu próżniowym pod powyższymi trzema różnymi odległościami otwarcia kontaktów.

Dla przekaźnika próżniowego przy 50% odległości otwarcia kontaktów, maksymalne natężenie pola elektrycznego pojawia się na końcu tarczy ekranującej, z wartością 25,4 kV/mm. W tym czasie natężenie pola elektrycznego między kontaktami jest znacznie wyższe niż przy dwóch poprzednich odległościach otwarcia. Tarcza gradacyjna sprawia, że napięcie w pobliżu kontaktów ma gradientowy rozkład, a natężenie pola elektrycznego jest równomiernie rozłożone, z większym natężeniem pola elektrycznego między kontaktami.

Gdy odległości otwarcia kontaktów przekaźnika próżniowego wynoszą 80% i 100%, maksymalne natężenia pola elektrycznego wynoszą odpowiednio 21,2 kV/mm i 18,1 kV/mm. Napięcie w pobliżu kontaktów ma gradientowy rozkład, a natężenie pola elektrycznego jest równomiernie rozłożone.

• Mapa konturowa pola elektrycznego przerywacza próżniowego przy 50% odległości otwarcia kontaktów

• Mapa konturowa pola elektrycznego przerywacza próżniowego przy 80% odległości otwarcia kontaktów

• Mapa konturowa pola elektrycznego przerywacza próżniowego przy 100% odległości otwarcia kontaktów

Z rysunków wynika, że gdy zewnętrzna izolująca średnica jest stała i jednorodna, obszary o stosunkowo dużym rozkładzie natężenia pola elektrycznego w przerywaczu próżniowym są głównie skoncentrowane na końcowych powierzchniach ruchomych i nieruchomych kontaktów oraz górnych i dolnych końcach tarczy ekranującej. Te obszary podatne na przebicie izolacji są narażone na przebicie izolacji. Dlatego w rzeczywistym projektowaniu produktu, rozkład pola elektrycznego w punktach skupienia natężenia pola można poprawić za pomocą metod optymalizacji, takich jak zwiększenie krzywizny końcowych powierzchni ruchomych i nieruchomych kontaktów oraz stępianie ostrych krawędzi na obu końcach tarczy ekranującej.

Natężenie pola elektrycznego na zewnętrznej powierzchni przerywacza próżniowego jest stosunkowo małe. Widoczne jest, że w obszarach w pobliżu obu końców ceramicznej obudowy przerywacza próżniowego i blisko płyt końcowych przerywacza, wartości natężenia pola elektrycznego są większe niż w innych miejscach wzdłuż powierzchni.

Gdy kontakty przekaźnika próżniowego są zamknięte, do centralnego przewodnika zastosowano wysokie napięcie 125 kV, a potencjał na granicy w nieskończoności ustawiono na 0. Po obciążeniu obliczenia pokazują, że natężenie pola elektrycznego zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz przekaźnika jest bardzo małe, z maksymalnym natężeniem pola elektrycznego 0,8 kV/mm. Natężenie pola elektrycznego jest równomiernie rozłożone, a napięcie wokół kontaktów ma tendencję do gradientowego rozkładu skupionego wokół kontaktów.

• (a) Mapa konturowa pola elektrycznego przerywacza próżniowego przy 50% odległości otwarcia kontaktów

• (b) Mapa konturowa pola elektrycznego przerywacza próżniowego przy 80% odległości otwarcia kontaktów

• (c) Mapa konturowa pola elektrycznego przerywacza próżniowego przy 100% odległości otwarcia kontaktów

Wnioski

Poprzez analizę i badania nad polem elektrycznym 10kV zewnętrznych wysokonapięciowych przekaźników próżniowych AC, uzyskano zmiany w natężeniu pola elektrycznego i potencjale przekaźnika w różnych warunkach brzegowych. Na podstawie powyższych wyników widać, że używając ANSYS do dokładnej symulacji prototypu obiektu i zastosowania metody elementów skończonych do numerycznych obliczeń pola elektrycznego i potencjału, można dokonać precyzyjnych obliczeń zmian natężenia pola elektrycznego i potencjału wewnątrz przerywacza próżniowego.