Isolationsprestandaanalys av 10kV utomhusvakuumbrytare

Introduktion

Vakuumbrytaren är den viktigaste komponenten i en vakuumbrytare. Den har många fördelar, såsom stor brytkapacitet, ofta användbarhet, utmärkt släckningsprestanda, ingen förorening och en kompakt storlek. Eftersom vakuumbrytare utvecklas mot högre spänningsnivåer, är djupgående forskning om intern och extern isoleringsprestanda för utomhusvakuumbrytare av större nödvändighet.

Elektriska fältets fördelning inuti brytaren påverkar betydligt vakuumbrytarens isoleringsprestanda. En ojämn fördelning av elektriska fält kan leda till brytningsavståndets kollaps, vilket slutligen resulterar i att brytaren inte kan öppnas. Installation av en gradationssköld inuti vakuumbrytaren kan homogenisera det interna elektriska fältet, vilket gör strukturen av vakuumbrytaren mer rationell och kompakt.

Dock orsakar tillägget av skölden också förändringar i elektriska fältets fördelning inuti brytaren. För att korrekt verifiera brytarens isoleringsprestanda och analysera sköldens inflytande på elektriska fältets fördelning, är numerisk analys av elektriska fältet för utomhusvakuumbrytaren ett nyckelsteg för att bekräfta produktens tillförlitlighet.

Därför analyserar och utformar denna artikel isoleringsstrukturen för en ny typ av 10kV utomhus högspännings-AC-vakuumbrytare som oberoende utvecklats och tillverkats av inhemsk switchproducent.

När en elektrostatisk fältanalys av vakuumbrytaren genomförs, appliceras en spänning vid modellens gränser, och tetraedriska nätselement används enligt modellens struktur. Nätningen av gridet utförs med intelligenta nätmetoder. Eftersom vakuumbrytaren har en axialsymmetrisk struktur, delas vakuumbrytaren längs X-axeln i det tredimensionella koordinatsystemet. Fördelen med att använda intelligenta nätmetoder ligger i att i områden där grafens kurvatur ändras markant, är nätindelningen mycket tät, medan i områden med en mer regelbunden struktur är nättdensiteten relativt låg.

Baserat på de två arbetspositionerna för brytarkontakterna, nämligen brytnings- och stängningspositionen, samt olika öppningsavstånd för kontakterna under brytningsprocessen, utförs respektive en elektrisk fältanalys på vakuumbrytaren. Karaktäristiken av elektriska fältsfördelning och punkter för fältstyrkekoncentration fastställs. Punkterna för fältstyrkekoncentration är de viktiga områdena för analys i denna artikel. Resultaten från elektriska fältet under olika olika förhållanden jämförs.

Figur 1 Inre förstorad strukturdiagram av vakuumbrytaren

Figur 1 - Statisch slutplatta; 2 - Huvudsköld; 3 - Kontakt; 4 - Bellows; 5 - Rörlig slutplatta; 6 - Statisch ledningsstang; 7 - Isolerande bo; 8 - Rörlig ledningsstang

Beräkningsresultat och analys

Denna artikel undersöker isoleringsprestandan mellan isoleringsbrytningspunkterna under den angivna blixtimpulslämplighetsspänningen. En högspänning på 125 kV appliceras på den statiska kontakten av brytaren, och en nollpotential på 0 appliceras på den rörliga kontakten. Potentialfördelningen för hela brytaren erhålls när kontakternas öppningsavstånd är 50%, 80% och 100% respektive. Enheten för potential är V, och enheten för elektriskt fält är V/m.

På grund av sköldens närvaro i vakuumbrytaren, undertrycks fältsförvrängningen, vilket resulterar i en mycket jämn och symmetrisk spänningsfördelning i området nära kontakterna. Den flytande potentialen på skölden är ungefär 60 kV.

• Potentialfördelning av vakuumbrytaren vid 50% kontaktöppningsavstånd

• Potentialfördelning av vakuumbrytaren vid 80% kontaktöppningsavstånd

•  Potentialfördelning av vakuumbrytaren vid 100% kontaktöppningsavstånd

I figur 2 är figurerna (a) - (c) konturlinjeplaner för elektriska fältsfördelning i vakuumbrytaren under de tre olika kontaktöppningsavstånden ovan.

För vakuumbrytaren vid 50% kontaktöppningsavstånd, uppträder den maximala elektriska fältstyrkan vid sköldens ände, med ett värde på 25,4 kV/mm. I detta läge är elektriska fältstyrkan mellan kontakterna markant högre än vid de två tidigare öppningsavstånden. Gradationskölden gör att spänningen nära kontakterna visar en gradientfördelning, och elektriska fältet fördelas jämnt, med en relativt stor fältstyrka mellan kontakterna.

När kontaktöppningsavstånden för vakuumbrytaren är 80% och 100%, är de maximala elektriska fältstyrkorna 21,2 kV/mm och 18,1 kV/mm respektive. Spänningen nära kontakterna visar en gradientfördelning, och elektriska fältet fördelas jämnt.

• Elektriska fältskonturlinjeplan av vakuumbrytaren vid 50% kontaktöppningsavstånd

• Elektriska fältskonturlinjeplan av vakuumbrytaren vid 80% kontaktöppningsavstånd

• Elektriska fältskonturlinjeplan av vakuumbrytaren vid 100% kontaktöppningsavstånd

Det går att se från figurerna att när det yttre isoleringsmedium är konstant och jämnt, är områdena med relativt stor elektrisk fältsfördelning i vakuumbrytaren främst koncentrerade på rörliga och statiska kontakters ändytor och över- och underständer av skölden. Dessa isoleringskänsliga områden är benägna att få isoleringsgenombrott. Därför, i den faktiska designen av produkten, kan elektriska fältsfördelningen vid punkter med koncentrerad fältstyrka förbättras genom optimeringsdesignmetoder som att öka kurvatur på rörliga och statiska kontakters ändytor och avrunda spetsiga hörn på sköldens båda ändar.

Elektriska fältstyrkan på vakuumbrytarens ytterytan är relativt liten. Det går att se från figuren att i områden nära de båda ändarna av keramiska boet av vakuumbrytaren och nära slutplattor av brytaren, är värdena för elektriska fältstyrkor större än vid andra positioner längs ytan.

När kontakterna för vakuumbrytaren är stängda, appliceras en högspänning på 125 kV på centralledaren, och potentialen vid det oändligt avlägsna gränset sätts till 0. Efter belastningen visar beräkningen att elektriska fältstyrkan är mycket liten både inuti och utanför brytaren, med den maximala elektriska fältstyrkan på 0,8 kV/mm. Elektriska fältet fördelas jämnt, och spänningen runt kontakterna visar en gradientfördelnings trend centrerad på kontakterna.

• (a) Elektriska fältskonturlinjeplan av vakuumbrytaren vid 50% kontaktöppningsavstånd

• (b) Elektriska fältskonturlinjeplan av vakuumbrytaren vid 80% kontaktöppningsavstånd

• (c) Elektriska fältskonturlinjeplan av vakuumbrytaren vid 100% kontaktöppningsavstånd

Slutsats

Genom analys och forskning på elektriska fältet för 10kV utomhus högspännings-AC-vakuumbrytaren, har variationer i elektriska fältstyrka och potential hos brytaren under olika gränsvillkor erhållits. Från de ovanstående resultaten är det tydligt att genom att använda ANSYS för att exakt simulera objektets prototyp och applicera finita elementmetoden för numeriska beräkningar av elektriska fält och potential, kan noggranna beräkningar av variationer i elektriska fält och potential inuti vakuumbrytaren uppnås.