Análise do desempenho da isolação de disjuntores a vácuo externos de 10kV

Introdução

O interrompedor a vácuo é o componente mais crucial em um disjuntor a vácuo. Ele possui numerosas vantagens, como grande capacidade de interrupção, operabilidade frequente, excelente desempenho de extinção do arco, ausência de poluição e tamanho compacto. À medida que os disjuntores a vácuo evoluem para níveis de tensão mais altos, a pesquisa aprofundada sobre o desempenho de isolamento interno e externo dos interrompedores a vácuo para uso externo torna-se cada vez mais necessária.

A distribuição do campo elétrico dentro do interrompedor tem um impacto significativo no desempenho de isolamento do disjuntor a vácuo. Uma distribuição desigual do campo elétrico pode levar à quebra da lacuna de contato, resultando na falha do disjuntor em abrir. A instalação de um escudo de graduação dentro do interrompedor a vácuo pode homogeneizar a distribuição do campo elétrico interno, tornando a estrutura do interrompedor a vácuo mais racional e compacta.

No entanto, a adição do escudo também causa mudanças na distribuição do campo elétrico dentro do interrompedor. Para verificar com precisão o desempenho de isolamento do interrompedor e analisar a influência do escudo na distribuição do campo elétrico, a realização de uma análise numérica do campo elétrico do disjuntor a vácuo para uso externo é um passo-chave na validação da confiabilidade do produto.

Portanto, este artigo analisa e projeta a estrutura de isolamento de um novo tipo de disjuntor a vácuo AC de alta tensão para uso externo de 10kV, desenvolvido e fabricado independentemente por empresas nacionais de produção de interruptores.

Ao realizar uma análise do campo eletrostático do disjuntor a vácuo, uma tensão é aplicada aos limites do modelo, e elementos de malha tetraédrica são empregados de acordo com a estrutura do modelo. A malha da grade é realizada usando malhagem inteligente. Como o disjuntor a vácuo possui uma estrutura axissimétrica, o interrompedor a vácuo é seccionado ao longo do eixo X do sistema de coordenadas tridimensional. A vantagem de usar malhagem inteligente reside no fato de que, nas áreas onde a curvatura do gráfico muda significativamente, a divisão da grade é muito densa, enquanto nas áreas com uma estrutura mais regular, a densidade da grade é relativamente baixa.

Com base nas duas posições de trabalho dos contatos do disjuntor, ou seja, as posições de abertura e fechamento, bem como as diferentes distâncias de abertura dos contatos durante o processo de interrupção, uma análise do campo elétrico é realizada respectivamente no interrompedor a vácuo. As características da distribuição do campo elétrico e os pontos de concentração da intensidade do campo são determinados. Os pontos de concentração da intensidade do campo são as áreas-chave de análise neste artigo. Os resultados do campo elétrico obtidos sob várias condições diferentes são comparados.

Figura 1 Diagrama Ampliado da Estrutura Interna do Interrompedor a Vácuo

Figura 1 - Tampão Fixo; 2 - Capa de Escudo Principal; 3 - Contato; 4 - Mola Acordeão; 5 - Tampão Móvel; 6 - Barra Conduzível Fixa; 7 - Caixa Isolante; 8 - Barra Conduzível Móvel

Resultados e Análise do Cálculo

Este artigo examina o desempenho de isolamento entre os pontos de interrupção de isolamento sob a tensão de impulso de raio nominal. Uma alta tensão de 125 kV é aplicada ao contato fixo do disjuntor, e um potencial zero de 0 é aplicado ao contato móvel. As distribuições de potencial de todo o disjuntor são obtidas quando as distâncias de abertura dos contatos são 50%, 80% e 100% respectivamente. A unidade de potencial é V, e a unidade de intensidade do campo elétrico é V/m.

Devido à presença da capa de escudo no interrompedor a vácuo, a distorção do campo elétrico é suprimida, resultando em uma distribuição de tensão muito uniforme e simétrica na área próxima aos contatos. O potencial flutuante na capa de escudo é aproximadamente 60 kV.

• Distribuição de potencial do interrompedor a vácuo a 50% da distância de abertura dos contatos

• Distribuição de potencial do interrompedor a vácuo a 80% da distância de abertura dos contatos

•  Distribuição de potencial do interrompedor a vácuo a 100% da distância de abertura dos contatos

Na Figura 2, as figuras (a) - (c) são os mapas de contorno da distribuição da intensidade do campo elétrico no interrompedor a vácuo sob as três diferentes distâncias de abertura dos contatos mencionadas acima.

Para o disjuntor a vácuo a 50% da distância de abertura dos contatos, a intensidade máxima do campo elétrico aparece no final da capa de escudo, com um valor de 25,4 kV/mm. Neste momento, a intensidade do campo elétrico entre os contatos é significativamente maior do que nas duas distâncias de abertura anteriores. A capa de escudo de graduação faz com que a tensão próxima aos contatos mostre uma distribuição gradiente, e a intensidade do campo elétrico é distribuída uniformemente, com uma intensidade do campo elétrico relativamente grande entre os contatos.

Quando as distâncias de abertura dos contatos do disjuntor a vácuo são 80% e 100%, as intensidades máximas do campo elétrico são 21,2 kV/mm e 18,1 kV/mm respectivamente. A tensão próxima aos contatos mostra uma distribuição gradiente, e a intensidade do campo elétrico é distribuída uniformemente.

• Mapa de contorno do campo elétrico do interrompedor a vácuo a 50% da distância de abertura dos contatos

• Mapa de contorno do campo elétrico do interrompedor a vácuo a 80% da distância de abertura dos contatos

• Mapa de contorno do campo elétrico do interrompedor a vácuo a 100% da distância de abertura dos contatos

Pode-se ver nas figuras que, quando o meio isolante externo é constante e uniforme, as áreas com distribuição de intensidade do campo elétrico relativamente grande no interrompedor a vácuo estão principalmente concentradas nas superfícies finais dos contatos móveis e fixos e nos extremos superior e inferior da capa de escudo. Essas áreas vulneráveis ao isolamento são propensas a quebras de isolamento. Portanto, no design real do produto, a distribuição do campo elétrico nos pontos de concentração da intensidade do campo pode ser melhorada através de métodos de design otimizado, como aumentar a curvatura das superfícies finais dos contatos móveis e fixos e arredondar as bordas afiadas nos dois extremos da capa de escudo.

A intensidade do campo elétrico na superfície externa do interrompedor a vácuo é relativamente pequena. Pode-se ver na figura que nas áreas próximas aos dois extremos da caixa de cerâmica do interrompedor a vácuo e próximos às tampas de extremidade do interrompedor, os valores de intensidade do campo elétrico são maiores do que em outras posições ao longo da superfície.

Quando os contatos do disjuntor a vácuo estão fechados, uma alta tensão de 125 kV é aplicada ao condutor central, e o potencial no limite infinitamente distante é definido como 0. Após a carga, o cálculo mostra que a intensidade do campo elétrico é muito pequena tanto interna quanto externamente ao disjuntor, com a intensidade máxima do campo elétrico sendo 0,8 kV/mm. A intensidade do campo elétrico é distribuída uniformemente, e a tensão ao redor dos contatos mostra uma tendência de distribuição gradiente centrada nos contatos.

• (a) Mapa de contorno do campo elétrico do interrompedor a vácuo a 50% da distância de abertura dos contatos

• (b) Mapa de contorno do campo elétrico do interrompedor a vácuo a 80% da distância de abertura dos contatos

• (c) Mapa de contorno do campo elétrico do interrompedor a vácuo a 100% da distância de abertura dos contatos

Conclusão

Através da análise e pesquisa do campo elétrico do disjuntor a vácuo AC de alta tensão para uso externo de 10kV, foram obtidas as variações na intensidade do campo elétrico e no potencial do disjuntor sob diferentes condições de fronteira. A partir dos resultados acima, fica claro que, utilizando o ANSYS para simular com precisão o protótipo do objeto e aplicando o método de elementos finitos para cálculos numéricos do campo elétrico e do potencial, podem ser realizados cálculos precisos das variações no campo elétrico e no potencial dentro do interrompedor a vácuo.