Analiza izolacijske zmogljivosti 10kV zunanjih vakuumskih preklopnikov

Predstavitev

Vakuumski prekidišče je najpomembnejša komponenta vakuumskih preklopnikov. Ima veliko prednosti, kot so velika prekinitvena moč, pogosta uporabnost, odlična zmogljivost za ugasanje lok, brez onesnaževanja in kompakten obseg. S tem, ko se vakuumski preklopniki razvijajo proti višjim naponom, je globlja raziskava notranje in zunanje izolacijske zmogljivosti zunanje vakuumskih prekidišč še bolj potrebna.

Razporeditev električnega polja znotraj prekidišča bistveno vpliva na izolacijsko zmogljivost vakuumskih preklopnikov. Neenakomerna razporeditev električnega polja lahko vodi do prekinitve kontaktne vrzeli, kar končno povzroči neuspeh preklopnika pri odpiranju. Namestitev gradijenčne ščitnice znotraj vakuumskih prekidišč lahko enakomerne razporedi notranje električno polje, kar strukturo vakuumskih prekidišč naredi bolj racionalno in kompaktno.

Toda dodajanje ščitnice tudi povzroča spremembe v razporeditvi električnega polja znotraj prekidišča. Za točno preverjanje izolacijske zmogljivosti prekidišča in analizo vpliva ščitnice na razporeditev električnega polja je ključen korak numerična analiza električnega polja zunanje vakuumskih preklopnikov, ki omogoča preverjanje zanesljivosti izdelka.

Zato ta članek analizira in oblikuje izolacijsko strukturo novega tipa 10 kV zunanje visokonaponskega AC vakuumskih preklopnika, ki ga je samostojno razvil in proizvedel domači proizvajalci preklopnikov.

Pri analizi elektrostatičnega polja vakuumskih preklopnikov se nanese napetost na meje modela, uporablja se tetraederski mrežni element glede na strukturo modela. Mreženje omrežja se izvaja z inteligentnim mreženjem. Ker ima vakuumski preklopnik osnosimetrično strukturo, se vakuumsko prekidišče prereže po X-osi trirazsežnega koordinatnega sistema. Prednost uporabe inteligentnega mreženja je v tem, da v območjih, kjer se zakrivljenost grafika bistveno spremeni, mrežno delitev postane zelo gosta, medtem ko v območjih z bolj pravilno strukturo gosto mreže ni tako visoko.

Na podlagi dveh delovnih leg kontaktov preklopnika, namreč položaja prekinitve in zapiranja, ter različnih odprtih razdalj kontaktov med postopkom prekinitve, se izvaja analiza električnega polja vakuumskih prekidišč. Določene so karakteristike razporeditve električnega polja in točke koncentracije jakosti polja. Točke koncentracije jakosti polja so ključne oblasti analize v tem članku. Rezultati električnega polja, pridobljeni v različnih razmerah, so primerjani.

Slika 1 Podrobna notranja struktura vakuumskih prekidišč

Slika 1 - Stacionarna pokrovna plošča; 2 - Glavna ščitna pokrovna plošča; 3 - Kontakt; 4 - Gume; 5 - Pokrovnica premika; 6 - Stacionarni vodilni trak; 7 - Izolacijska kužel; 8 - Vodilni trak premika

Izračuni in analiza

Ta članek preučuje izolacijsko zmogljivost med izolacijskimi prekinišči pod nominalno trdnostjo udarnega napačnega naboja. Na stacionarni kontakt preklopnika se nanese visok napon 125 kV, na premikajoči se kontakt pa se nanese nulna napetost 0. Potencialne porazdelitve celotnega preklopnika so pridobljene, ko so odprti prostori kontaktov 50%, 80% in 100% redno. Enota potenciala je V, enota jakosti električnega polja pa V/m.

Iz-za prisotnosti ščitnice v vakuumskem prekidišču je deformacija električnega polja zmanjšana, kar vodi do zelo enakomernega in simetričnega razporeditve napetosti v območju blizu kontaktov. Plavajoči potencial na ščitnici je približno 60 kV.

• Porazdelitev potenciala vakuumskih prekidišč pri 50% odprtih prostorih kontaktov

• Porazdelitev potenciala vakuumskih prekidišč pri 80% odprtih prostorih kontaktov

•  Porazdelitev potenciala vakuumskih prekidišč pri 100% odprtih prostorih kontaktov

Na sliki 2 so slike (a) - (c) konturne mape porazdelitve jakosti električnega polja v vakuumskem prekidišču pod zgornjimi tremi različnimi odprtimi prostori kontaktov.

Za vakuumski preklopnik pri 50% odprtih prostorih kontaktov največja jakost električnega polja nastopa na koncu ščitnice, z vrednostjo 25,4 kV/mm. V tem trenutku je jakost električnega polja med kontakti bistveno višja kot pri prejšnjih dveh odprtih prostorih. Gradijenčna ščitnica naredi, da napetost blizu kontaktov kaže gradientno porazdelitev, in jakost električnega polja je enakomerno porazdeljena, z relativno veliko jakostjo električnega polja med kontakti.

Ko so odprti prostori kontaktov vakuumskih preklopnikov 80% in 100%, so največje jakosti električnega polja 21,2 kV/mm in 18,1 kV/mm. Napetost blizu kontaktov kaže gradientno porazdelitev, in jakost električnega polja je enakomerno porazdeljena.

• Konturna mapa električnega polja vakuumskih prekidišč pri 50% odprtih prostorih kontaktov

• Konturna mapa električnega polja vakuumskih prekidišč pri 80% odprtih prostorih kontaktov

• Konturna mapa električnega polja vakuumskih prekidišč pri 100% odprtih prostorih kontaktov

Iz slik je razvidno, da, ko je zunanjega izolacijskega medija stalno in enakomerno, so območja z relativno veliko porazdelitvijo jakosti električnega polja v vakuumskem prekidišču predvsem koncentrirana na končnih površinah premikalnih in stacionarnih kontaktov ter zgornjih in spodnjih koncih ščitnice. Ta izolacijsko ranljiva območja so podvržena izolacijskemu prekidu. Zato v dejanski dizajniranji izdelka lahko porazdelitev električnega polja v točkah koncentracije jakosti izboljšate z optimizacijskimi metodi, kot so povečanje zakrivljenosti končnih površin premikalnih in stacionarnih kontaktov in zgladitev ostrih robov na obeh koncih ščitnice.

Jakost električnega polja na zunanji površini vakuumskih prekidišč je relativno majhna. Iz slike je razvidno, da v območjih blizu dveh koncev keramične kužele vakuumskih prekidišč in bližnje pokrovne plošče prekidišča so vrednosti jakosti električnega polja večje kot na drugih mestih po površini.

Ko so kontakti vakuumskih preklopnikov zaprti, se na centralni vodilni trak nanaša visok napon 125 kV, in se potencial na neskončno oddaljeni meji nastavi na 0. Po naložbi izračun kaže, da je jakost električnega polja zelo majhna znotraj in zunaj preklopnika, največja jakost električnega polja pa je 0,8 kV/mm. Jakost električnega polja je enakomerno porazdeljena, in napetost okoli kontaktov kaže trend gradientne porazdelitve, centrirane na kontaktih.

• (a) Konturna mapa električnega polja vakuumskih prekidišč pri 50% odprtih prostorih kontaktov

• (b) Konturna mapa električnega polja vakuumskih prekidišč pri 80% odprtih prostorih kontaktov

• (c) Konturna mapa električnega polja vakuumskih prekidišč pri 100% odprtih prostorih kontaktov

Zaključek

Skupaj s posvetovanjem in raziskovanjem električnega polja 10 kV zunanje visokonaponskega AC vakuumskih preklopnikov, so bili pridobljeni spremembe jakosti električnega polja in potenciala preklopnika v različnih mejnih pogoji. Iz zgornjih rezultatov je jasno, da z uporabo ANSYS-a za točno simulacijo prototipa objekta in uporabo metode končnih elementov za numerične izračune električnega polja in potenciala, lahko dosežemo točne izračune sprememb električnega polja in potenciala znotraj vakuumskih prekidišč.