Анализ изоляционных характеристик 10-киловольтных наружных вакуумных выключателей

Введение

Вакуумный прерыватель является наиболее важным компонентом вакуумного выключателя. Он обладает множеством преимуществ, таких как большая отключающая способность, частота операций, отличные дугогасящие характеристики, отсутствие загрязнений и компактные размеры. По мере того, как вакуумные выключатели развиваются в сторону более высоких уровней напряжения, детальное исследование внутренней и внешней изоляционной производительности наружных вакуумных прерывателей становится еще более необходимым.

Распределение электрического поля внутри прерывателя значительно влияет на изоляционную производительность вакуумного выключателя. Неравномерное распределение электрического поля может привести к пробою зазора между контактами, что в конечном итоге приводит к отказу выключателя при открывании. Установка экрана градиентного распределения внутри вакуумного прерывателя может уравнить внутреннее распределение электрического поля, делая структуру вакуумного прерывателя более рациональной и компактной.

Однако добавление экрана также вызывает изменения в распределении электрического поля внутри прерывателя. Для точной проверки изоляционной производительности прерывателя и анализа влияния экрана на распределение электрического поля проведение численного анализа электрического поля наружного вакуумного выключателя является ключевым шагом в подтверждении надежности продукта.

Таким образом, в данной работе анализируется и проектируется изоляционная структура нового типа 10-киловольтного наружного высоковольтного переменного тока вакуумного выключателя, разработанного и изготовленного отечественными предприятиями по производству выключателей.

При проведении электростатического анализа вакуумного выключателя к границам модели применяется напряжение, и согласно структуре модели используются тетраэдрические элементы сетки. Разбиение сетки проводится с использованием интеллектуального разбиения. Поскольку вакуумный выключатель имеет осесимметричную структуру, вакуумный прерыватель разрезается вдоль оси X трехмерной системы координат. Преимущество использования интеллектуального разбиения заключается в том, что в областях, где кривизна графика существенно изменяется, сетка очень плотная, тогда как в областях с более регулярной структурой плотность сетки относительно низкая.

На основе двух рабочих положений контактов выключателя, а именно положений размыкания и замыкания, а также различных открытых расстояний между контактами во время процесса размыкания, проводится электрический анализ вакуумного прерывателя. Определяются характеристики распределения электрического поля и точки концентрации напряженности поля. Точки концентрации напряженности поля являются ключевыми областями анализа в данной работе. Сравниваются результаты электрического поля, полученные при различных условиях.

Рисунок 1 Внутренняя увеличенная структурная схема вакуумного прерывателя

Рисунок 1 - Неподвижная концевая крышка; 2 - Главный экранирующий колпак; 3 - Контакт; 4 - Гофрированный кожух; 5 - Подвижная концевая крышка; 6 - Неподвижный проводник; 7 - Изолирующий корпус; 8 - Подвижный проводник

Результаты расчетов и анализ

В данной работе исследуется изоляционная производительность между точками разрыва изоляции при номинальном импульсном напряжении молнии. На неподвижный контакт выключателя подается высокое напряжение 125 кВ, а на подвижный контакт — потенциал 0. Получены распределения потенциала всего выключателя при расстояниях между контактами 50%, 80% и 100% соответственно. Единица потенциала — В, единица напряженности электрического поля — В/м.

Благодаря наличию экранирующего колпака в вакуумном прерывателе, искажение электрического поля подавляется, что приводит к очень равномерному и симметричному распределению напряжения в области около контактов. Плавающий потенциал на экранирующем колпаке составляет примерно 60 кВ.

• Распределение потенциала вакуумного прерывателя при 50% расстояния между контактами

• Распределение потенциала вакуумного прерывателя при 80% расстояния между контактами

•  Распределение потенциала вакуумного прерывателя при 100% расстояния между контактами

На рисунке 2, фигуры (a) - (c) представляют собой карты контуров распределения напряженности электрического поля в вакуумном прерывателе при вышеуказанных трех разных расстояниях между контактами соответственно.

Для вакуумного выключателя при 50% расстояния между контактами максимальная напряженность электрического поля появляется на конце экранирующего колпака, со значением 25,4 кВ/мм. В этот момент напряженность электрического поля между контактами значительно выше, чем при предыдущих двух расстояниях. Экранирующий колпак градиентного распределения делает напряжение вблизи контактов градиентным, и напряженность электрического поля равномерно распределена, с относительно большой напряженностью между контактами.

Когда расстояние между контактами вакуумного выключателя составляет 80% и 100%, максимальные напряженности электрического поля составляют 21,2 кВ/мм и 18,1 кВ/мм соответственно. Напряжение вблизи контактов показывает градиентное распределение, и напряженность электрического поля равномерно распределена.

• Контурная карта электрического поля вакуумного прерывателя при 50% расстояния между контактами

• Контурная карта электрического поля вакуумного прерывателя при 80% расстояния между контактами

• Контурная карта электрического поля вакуумного прерывателя при 100% расстояния между контактами

Из фигур видно, что когда внешняя изоляционная среда постоянна и однородна, области с относительно большим распределением напряженности электрического поля в вакуумном прерывателе сосредоточены в основном на торцевых поверхностях подвижных и неподвижных контактов, а также на верхних и нижних концах экранирующего колпака. Эти участки, уязвимые для изоляции, склонны к пробою изоляции. Поэтому, в реальном дизайне продукта, распределение электрического поля в точках концентрации напряженности можно улучшить путем оптимизации, такой как увеличение кривизны торцевых поверхностей подвижных и неподвижных контактов и сглаживание острых углов на обоих концах экранирующего колпака.

Напряженность электрического поля на внешней поверхности вакуумного прерывателя относительно мала. Из рисунка видно, что в областях, близких к двум концам керамического корпуса вакуумного прерывателя и к концевым крышкам прерывателя, значения напряженности электрического поля больше, чем на других участках поверхности.

Когда контакты вакуумного выключателя замкнуты, на центральный проводник подается высокое напряжение 125 кВ, а потенциал на бесконечно удаленном граничном условии установлен на 0. После нагрузки расчет показывает, что напряженность электрического поля как внутри, так и снаружи выключателя очень мала, с максимальной напряженностью 0,8 кВ/мм. Напряженность электрического поля равномерно распределена, а напряжение вокруг контактов показывает градиентное распределение, центрированное на контактах.

• (a) Контурная карта электрического поля вакуумного прерывателя при 50% расстояния между контактами

• (b) Контурная карта электрического поля вакуумного прерывателя при 80% расстояния между контактами

• (c) Контурная карта электрического поля вакуумного прерывателя при 100% расстояния между контактами

Заключение

Через анализ и исследование электрического поля 10-киловольтного наружного высоковольтного переменного тока вакуумного выключателя, были получены изменения напряженности электрического поля и потенциала выключателя при различных граничных условиях. Из вышеуказанных результатов ясно, что с помощью ANSYS, точно моделируя прототип объекта и применяя метод конечных элементов для численных расчетов электрического поля и потенциала, можно достичь точных расчетов изменений электрического поля и потенциала внутри вакуумного прерывателя.