การวิเคราะห์ประสิทธิภาพฉนวนของเบรกเกอร์สูญญากาศกลางแจ้ง 10kV

บทนำ

ตัวตัดวงจรในสุญญากาศเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในวงจรตัดวงจรในสุญญากาศ มันมีข้อดีหลายประการ เช่น ความจุในการตัดวงจรที่ใหญ่ สามารถทำงานได้บ่อยครั้ง ประสิทธิภาพในการดับอาร์คไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ไม่มีมลพิษ และขนาดเล็กกะทัดรัด เนื่องจากวงจรตัดวงจรในสุญญากาศกำลังพัฒนาไปสู่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น การวิจัยอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับสมรรถนะฉนวนภายในและภายนอกของตัวตัดวงจรในสุญญากาศสำหรับกลางแจ้งจึงมีความจำเป็นมากขึ้น

การกระจายสนามไฟฟ้าภายในตัวตัดวงจรส่งผลต่อสมรรถนะฉนวนของวงจรตัดวงจรในสุญญากาศอย่างมาก การกระจายสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออาจทำให้เกิดการแตกหักของช่องว่างระหว่างตัวติดต่อ ทำให้วงจรตัดวงจรไม่สามารถเปิดได้ การติดตั้งชิลด์เกรดดิ้งภายในตัวตัดวงจรในสุญญากาศสามารถทำให้การกระจายสนามไฟฟ้าภายในสม่ำเสมอมากขึ้น ทำให้โครงสร้างของตัวตัดวงจรในสุญญากาศมีความสมเหตุสมผลและกะทัดรัดมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม การเพิ่มชิลด์ยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการกระจายสนามไฟฟ้าภายในตัวตัดวงจรด้วย เพื่อตรวจสอบสมรรถนะฉนวนของตัวตัดวงจรได้อย่างถูกต้องและวิเคราะห์ผลกระทบของชิลด์ต่อการกระจายสนามไฟฟ้า การวิเคราะห์เชิงตัวเลขของสนามไฟฟ้าของวงจรตัดวงจรในสุญญากาศสำหรับกลางแจ้งเป็นขั้นตอนสำคัญในการยืนยันความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์

ดังนั้น บทความนี้วิเคราะห์และออกแบบโครงสร้างฉนวนของวงจรตัดวงจรในสุญญากาศแบบใหม่ที่มีแรงดันไฟฟ้า 10kV สำหรับกลางแจ้งที่พัฒนาและผลิตโดยตนเองโดยผู้ผลิตสวิตช์ในประเทศ

เมื่อทำการวิเคราะห์สนามไฟฟ้าสถิตของวงจรตัดวงจรในสุญญากาศ แรงดันจะถูกนำไปใช้ที่ขอบเขตของโมเดล และใช้ธาตุมิกซ์รูปทรงสามเหลี่ยมตามโครงสร้างของโมเดล การแบ่งกริดดำเนินการโดยใช้การแบ่งกริดอัจฉริยะ เนื่องจากวงจรตัดวงจรในสุญญากาศมีโครงสร้างที่สมมาตรตามแกน ตัวตัดวงจรในสุญญากาศจึงถูกตัดตามแกน X ของระบบพิกัดสามมิติ ข้อดีของการใช้การแบ่งกริดอัจฉริยะคือ ในบริเวณที่ความโค้งของกราฟเปลี่ยนแปลงอย่างมาก การแบ่งกริดจะหนาแน่นมาก ในขณะที่ในบริเวณที่มีโครงสร้างปกติ การแบ่งกริดจะเบาบางกว่า

บนพื้นฐานของตำแหน่งการทำงานสองตำแหน่งของตัวติดต่อวงจรตัดวงจร คือ ตำแหน่งตัดวงจรและตำแหน่งปิดวงจร ตลอดจนระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อที่แตกต่างกันในระหว่างกระบวนการตัดวงจร การวิเคราะห์สนามไฟฟ้าจะดำเนินการกับตัวตัดวงจรในสุญญากาศ ลักษณะของการกระจายสนามไฟฟ้าและจุดที่มีความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงถูกกำหนด จุดที่มีความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงเป็นพื้นที่สำคัญในการวิเคราะห์ในบทความนี้ ผลของสนามไฟฟ้าที่ได้ภายใต้เงื่อนไขต่าง ๆ จะถูกเปรียบเทียบ

รูปที่ 1 แผนผังโครงสร้างขยายภายในของตัวตัดวงจรในสุญญากาศ

รูปที่ 1 - แผ่นฝาครอบปลายคงที่; 2 - ฝาครอบหลัก; 3 - ตัวติดต่อ; 4 - ท่อระบาย; 5 - แผ่นฝาครอบปลายเคลื่อนที่; 6 - แท่งนำไฟฟ้าคงที่; 7 - ตัวเรือนฉนวน; 8 - แท่งนำไฟฟ้าเคลื่อนที่

ผลการคำนวณและการวิเคราะห์

บทความนี้ศึกษาสมรรถนะฉนวนระหว่างจุดตัดวงจรภายใต้แรงดันทนทานกระชากฟ้าผ่าที่กำหนด แรงดันสูง 125 kV ถูกนำไปใช้ที่ตัวติดต่อคงที่ของวงจรตัดวงจร และศักยภาพศูนย์ 0 ถูกนำไปใช้ที่ตัวติดต่อเคลื่อนที่ ได้รับการแจกแจงศักยภาพของวงจรตัดวงจรทั้งหมดเมื่อระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อเป็น 50% 80% และ 100% ตามลำดับ หน่วยของศักยภาพคือ V และหน่วยของความเข้มสนามไฟฟ้าคือ V/m

เนื่องจากมีฝาครอบชิลด์ในตัวตัดวงจรในสุญญากาศ การบิดเบือนของสนามไฟฟ้าถูกควบคุม ทำให้การแจกแจงแรงดันในบริเวณใกล้ตัวติดต่อเป็นไปอย่างสม่ำเสมอและสมมาตร ศักยภาพลอยบนฝาครอบชิลด์ประมาณ 60 kV

• การแจกแจงศักยภาพของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 50%

• การแจกแจงศักยภาพของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 80%

•  การแจกแจงศักยภาพของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 100%

ในรูปที่ 2 รูป (a) - (c) เป็นแผนที่คอนทัวร์ของการกระจายความเข้มสนามไฟฟ้าในตัวตัดวงจรในสุญญากาศภายใต้ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อที่แตกต่างกันสามระยะทางตามลำดับ

สำหรับวงจรตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 50% ความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดปรากฏที่ปลายฝาครอบชิลด์ ค่าเป็น 25.4 kV/mm ณ ขณะนี้ ความเข้มสนามไฟฟ้าระหว่างตัวติดต่อสูงกว่าที่ระยะทางที่เปิดสองระยะทางก่อนหน้านี้ ฝาครอบชิลด์เกรดดิ้งทำให้แรงดันใกล้ตัวติดต่อแสดงการกระจายแบบเกรดดิ้ง และความเข้มสนามไฟฟ้ากระจายอย่างสม่ำเสมอ แต่มีความเข้มสนามไฟฟ้าระหว่างตัวติดต่อค่อนข้างสูง

เมื่อระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อวงจรตัดวงจรในสุญญากาศเป็น 80% และ 100% ความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดคือ 21.2 kV/mm และ 18.1 kV/mm ตามลำดับ แรงดันใกล้ตัวติดต่อแสดงการกระจายแบบเกรดดิ้ง และความเข้มสนามไฟฟ้ากระจายอย่างสม่ำเสมอ

• แผนที่คอนทัวร์ของสนามไฟฟ้าของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 50%

• แผนที่คอนทัวร์ของสนามไฟฟ้าของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 80%

• แผนที่คอนทัวร์ของสนามไฟฟ้าของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 100%

จากแผนที่ สามารถเห็นได้ว่า เมื่อสารฉนวนภายนอกคงที่และสม่ำเสมอ พื้นที่ที่มีความเข้มของการกระจายสนามไฟฟ้าสูงในตัวตัดวงจรในสุญญากาศส่วนใหญ่จะกระจุกตัวที่ผิวปลายของตัวติดต่อเคลื่อนที่และคงที่ และที่ปลายบนและล่างของฝาครอบชิลด์ พื้นที่เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกหักของฉนวน ดังนั้น ในการออกแบบผลิตภัณฑ์จริง สามารถปรับปรุงการกระจายสนามไฟฟ้าที่จุดที่มีความเข้มสูงได้โดยใช้วิธีการปรับปรุงออกแบบ เช่น เพิ่มความโค้งของผิวปลายของตัวติดต่อเคลื่อนที่และคงที่ และทำให้มุมแหลมที่ทั้งสองปลายของฝาครอบชิลด์มนขึ้น

ความเข้มสนามไฟฟ้าบนผิวด้านนอกของตัวตัดวงจรในสุญญากาศค่อนข้างน้อย จากแผนที่ สามารถเห็นได้ว่า ในบริเวณใกล้ทั้งสองปลายของตัวเรือนเซรามิกของตัวตัดวงจรในสุญญากาศและใกล้แผ่นฝาครอบปลายของตัวตัดวงจร ค่าความเข้มสนามไฟฟ้าสูงกว่าที่อื่น ๆ ตามผิว

เมื่อตัวติดต่อของวงจรตัดวงจรในสุญญากาศปิด แรงดันสูง 125 kV ถูกนำไปใช้ที่ตัวนำกลาง และศักยภาพที่ขอบเขตที่ไกลออกไปถูกกำหนดเป็น 0 หลังจากการโหลด ผลการคำนวณแสดงว่า ความเข้มสนามไฟฟ้าทั้งภายในและภายนอกวงจรตัดวงจรค่อนข้างน้อย โดยความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดคือ 0.8 kV/mm ความเข้มสนามไฟฟ้ากระจายอย่างสม่ำเสมอ และแรงดันรอบตัวติดต่อแสดงแนวโน้มการกระจายแบบเกรดดิ้งที่มีศูนย์กลางที่ตัวติดต่อ

• (a) แผนที่คอนทัวร์ของสนามไฟฟ้าของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 50%

• (b) แผนที่คอนทัวร์ของสนามไฟฟ้าของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 80%

• (c) แผนที่คอนทัวร์ของสนามไฟฟ้าของตัวตัดวงจรในสุญญากาศที่ระยะทางที่เปิดของตัวติดต่อ 100%

สรุป

ผ่านการวิเคราะห์และวิจัยสนามไฟฟ้าของวงจรตัดวงจรในสุญญากาศ AC แรงดันไฟฟ้าสูง 10kV สำหรับกลางแจ้ง ได้รับการเปลี่ยนแปลงของความเข้มสนามไฟฟ้าและศักยภาพของวงจรตัดวงจรภายใต้เงื่อนไขขอบเขตที่แตกต่างกัน จากผลลัพธ์ดังกล่าว สามารถเห็นได้ว่า โดยใช้ ANSYS เพื่อจำลองต้นแบบของวัตถุด้วยความแม่นยำและใช้วิธีการเชิงตัวเลขจำกัดองค์ประกอบสำหรับการคำนวณเชิงตัวเลขของสนามไฟฟ้าและศักยภาพ สามารถคำนวณความเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าและศักยภาพภายในตัวตัดวงจรในสุญญากาศได้อย่างแม่นยำ