Analiza performanse izolacije 10kV spoljašnjih vakuumskih prekidnih uređaja

Uvod

Vakuumska prekidna jedinica je najvažniji element vakuumskog prekidača. Ona ima mnogo prednosti, kao što su velika prekidna snaga, česta upotreba, odlične karakteristike gasenja lukove, odsustvo zagađenja i kompaktni oblik. Kako se vakuumski prekidači razvijaju u pravcu viših naponih nivoa, potrebno je dublje istraživanje interne i eksterne izolacione performanse vanjskih vakuumskih prekidnih jedinica.

Raspodela električnog polja unutar prekidne jedinice značajno utiče na izolacionu performansu vakuumskog prekidača. Nejednaka raspodela električnog polja može dovesti do propada kontaktnog rastojanja, što konačno dovodi do neuspelog otvaranja prekidača. Instalacija štitne kapuljate unutar vakuumske prekidne jedinice može omogućiti homogenizaciju interne raspodele električnog polja, čime se struktura vakuumske prekidne jedinice čini racionalnijom i kompaktnijom.

Međutim, dodatak štita takođe dovodi do promena u raspodeli električnog polja unutar prekidne jedinice. Da bi se tačno verifikovala izolaciona performansa prekidne jedinice i analizirao uticaj štita na raspodelu električnog polja, numerička analiza električnog polja vanjskog vakuumskog prekidača jeste ključni korak u potvrđivanju pouzdanosti proizvoda.

Stoga ovaj rad analizira i dizajnira izolacionu strukturu novog tipa 10kV vanjskog visokonaponskog AC vakuumskog prekidača koji je samostalno razvijen i proizveden od strane domaćih preduzeća za proizvodnju prekidača.

Kada se vrši analiza elektrostatičkog polja vakuumskog prekidača, nanosi se napad na granice modela, a tetraedarski mrežni elementi se koriste prema strukturi modela. Mreža se vrši inteligentnim mrežanjem. Budući da vakuumski prekidač ima osnosimetričnu strukturu, vakuumska prekidna jedinica se sekcioniše duž X-ose trodimenzionalnog koordinatnog sistema. Prednost inteligentnog mrežanja leži u tome što u područjima gde se zakrivljenost grafika značajno menja, mreža je veoma gustina, dok u područjima sa regularnijom strukturom gustoća mreže je relativno niska.

Na osnovu dve radne pozicije kontakata prekidača, to jest, pozicije prekida i zatvaranja, kao i različitih otvorenih rastojanja kontakata tokom procesa prekida, vrši se analiza električnog polja vakuumske prekidne jedinice. Određuju se karakteristike raspodele električnog polja i tačke koncentracije jačine polja. Tačke koncentracije jačine polja su ključne područje analize u ovom radu. Rezultati električnog polja dobijeni pod različitim uslovima se porede.

Slika 1 Unutrašnji povećani dijagram strukture vakuumske prekidne jedinice

Slika 1 - Stalni poklopac; 2 - Glavni štitni poklopac; 3 - Kontakt; 4 - Galeb; 5 - Pokretni poklopac; 6 - Stalni vodilni štap; 7 - Izolativni kućište; 8 - Pokretni vodilni štap

Rezultati računanja i analiza

Ovaj rad ispituje izolacionu performansu između tačaka prekida izolacije pod nominiranim napadnim naponom. Visoki napon od 125 kV primenjuje se na stalni kontakt prekidača, a nula potencijal od 0 primenjuje se na pokretni kontakt. Dobijene su distribucije potencijala cijelog prekidača kada su otvorena rastojanja kontakata 50%, 80% i 100% redom. Jedinka potencijala je V, a jedinka jačine električnog polja je V/m.

Zahvaljujući prisustvu štitne kapuljate u vakuumskoj prekidnoj jedinici, supresiran je distorzija električnog polja, što rezultira veoma uniformnom i simetričnom raspodelom napona u području blizu kontakata. Plutajući potencijal na štitnoj kapuljati iznosi otprilike 60 kV.

• Distribucija potencijala vakuumske prekidne jedinice pri 50% otvorenom rastojanju kontakta

• Distribucija potencijala vakuumske prekidne jedinice pri 80% otvorenom rastojanju kontakta

•  Distribucija potencijala vakuumske prekidne jedinice pri 100% otvorenom rastojanju kontakta

Na Slici 2, slike (a) - (c) su konturne mape raspodele jačine električnog polja u vakuumskoj prekidnoj jedinici pod navedenim tri različita otvorena rastojanja kontakata.

Za vakuumski prekidač sa 50% otvorenim rastojanjem kontakta, maksimalna jačina električnog polja pojavljuje se na kraju štitne kapuljate, sa vrednošću od 25,4 kV/mm. U tom trenutku, jačina električnog polja između kontakata je značajno veća nego kod prethodna dva otvorena rastojanja. Gradijalna štitna kapuljata dovodi do gradijalne distribucije napona blizu kontakata, a jačina električnog polja je ravnomerno raspoređena, sa relativno velikom jačinom električnog polja između kontakata.

Kada su otvorena rastojanja kontakata vakuumskog prekidača 80% i 100%, maksimalne jačine električnog polja su 21,2 kV/mm i 18,1 kV/mm redom. Napon blizu kontakata pokazuje gradijalnu distribuciju, a jačina električnog polja je ravnomerno raspoređena.

• Kontorna mapa električnog polja vakuumske prekidne jedinice pri 50% otvorenom rastojanju kontakta

• Kontorna mapa električnog polja vakuumske prekidne jedinice pri 80% otvorenom rastojanju kontakta

• Kontorna mapa električnog polja vakuumske prekidne jedinice pri 100% otvorenom rastojanju kontakta

Iz slika se može videti da, kada je spoljašnji izolacioni medijum konstantan i uniforman, područja sa relativno velikom raspodelom jačine električnog polja u vakuumskoj prekidnoj jedinici su uglavnom koncentrisana na end surface pokretnih i stalnih kontakata i gornjim i donjim krajevima štitne kapuljate. Ova izolaciono osjetljiva područja su skloni izolacionom propadu. Stoga, u stvarnom dizajnu proizvoda, raspodela električnog polja u tačkama koncentracije može biti poboljšana kroz optimizacione metode dizajna, poput povećanja zakrivljenosti end surface pokretnih i stalnih kontakata i zagušenja ostrih uglova na oba kraja štitne kapuljate.

Jačina električnog polja na spoljašnjoj površini vakuumske prekidne jedinice je relativno mala. Izbegava se da, u područjima blizu dva kraja keramičkog kućišta vakuumske prekidne jedinice i blizu poklopaca prekidne jedinice, vrednosti jačine električnog polja su veće nego na drugim pozicijama duž površine.

Kada su kontakti vakuumskog prekidača zatvoreni, visoki napon od 125 kV primenjuje se na centralni vodil, a potencijal na beskonačno daljoj granici postavljen je na 0. Nakon opterećenja, račun pokazuje da je jačina električnog polja veoma mala kako unutrašnjost tako i spoljašnjost prekidača, sa maksimalnom jačinom električnog polja od 0,8 kV/mm. Jačina električnog polja je ravnomerno raspoređena, a napon oko kontakata pokazuje trend gradijalne distribucije centriran oko kontakata.

• (a) Kontorna mapa električnog polja vakuumske prekidne jedinice pri 50% otvorenom rastojanju kontakta

• (b) Kontorna mapa električnog polja vakuumske prekidne jedinice pri 80% otvorenom rastojanju kontakta

• (c) Kontorna mapa električnog polja vakuumske prekidne jedinice pri 100% otvorenom rastojanju kontakta

Zaključak

Putem analize i istraživanja električnog polja 10kV vanjskog visokonaponskog AC vakuumskog prekidača, dobijene su varijacije jačine električnog polja i potencijala prekidača pod različitim granicnim uslovima. Na osnovu navedenih rezultata jasno je da, korišćenjem ANSYS-a za tačno simuliranje prototipa objekta i primenom metode konačnih elemenata za numeričko računanje električnog polja i potencijala, mogu se tačno izračunati varijacije električnog polja i potencijala unutar vakuumske prekidne jedinice.