10kV dış çeper kesicilerin yalıtım performansı analizi

Giriş

Vakum kesici, vakum devre kesicisindeki en kritik bileşendir. Büyük kesme kapasitesi, sık tekrarlı kullanılabilirlik, mükemmel ark söndürme performansı, kirlilik oluşturmaması ve kompakt boyutu gibi birçok avantaja sahiptir. Vakum devre kesicilerin daha yüksek gerilim seviyelerine doğru gelişmesiyle birlikte, dış ortamda kullanılan vakum kesicilerin iç ve dış yalıtım performansı üzerine derinlemesine araştırma daha fazla gereklilik kazanmaktadır.

Kesici içindeki elektrik alan dağılımı, vakum devre kesicisinin yalıtım performansını önemli ölçüde etkiler. Dengeleşmemiş bir elektrik alan dağılımı, kontak aralığının patlamasına neden olabilir ve bu da sonunda devre kesicinin açılmamasına yol açabilir. Vakum kesicide iç mekanizmaya bir gradyan kalkan takılması, iç elektrik alan dağılımını dengelenebilir hale getirir ve vakum kesicisinin yapısını daha mantıklı ve kompakt hale getirir.

Ancak, kalkanın eklenmesi de kesici içindeki elektrik alan dağılımında değişikliklere neden olur. Kesicinin yalıtım performansını doğru bir şekilde doğrulamak ve kalkanın elektrik alan dağılımına etkisini analiz etmek için, dış ortamda kullanılan vakum devre kesicisinin elektrik alanının sayısal analizi, ürünün güvenilirliğini doğrulamada kilit bir adımdır.

Bu nedenle, bu makale, yerli anahtar üreticileri tarafından bağımsız olarak geliştirilen ve üretilen yeni tip 10kV dış ortam yüksek gerilim AC vakum devre kesicisinin yalıtım yapısını analiz eder ve tasarlar.

Vakum devre kesicisinin elektrostatik alanı analiz edilirken, modele sınırlarda bir gerilim uygulanır ve modelin yapısına göre tetraedrik ağlama öğeleri kullanılır. Ağlanma işlemi akıllı ağlama ile gerçekleştirilir. Vakum devre kesicisi eksen simetrik bir yapıya sahip olduğundan, vakum kesici üç boyutlu koordinat sisteminin X eksenine paralel olarak kesilir. Akıllı ağlamanın avantajı, grafik eğrisi çok değişken olduğu bölgelerde ağ bölünümünün çok yoğun olması, daha düzenli yapıya sahip bölgelerde ise ağ yoğunluğunun göreceli olarak düşük olmasıdır.

Devre kesicinin kontaktlarının iki çalışma pozisyonu olan kesme ve kapama pozisyonlarına ve kesme sürecindeki farklı açık mesafelere dayanarak, vakum kesicisine ayrı ayrı bir elektrik alan analizi yapılır. Elektrik alan dağılımının özellikleri ve alan yoğunluğu konsantrasyon noktaları belirlenir. Alan yoğunluğu konsantrasyon noktaları, bu makalenin ana odak noktası olan kritik analiz alanlarıdır. Farklı koşullar altında elde edilen elektrik alan sonuçları karşılaştırılır.

Şekil 1 Vakum Kesicinin İç Büyütülmüş Yapı Şeması

Şekil 1 - Sabit Uç Kapak Plakası; 2 - Ana Kalkan Kapak; 3 - Kontakt; 4 - Bölgeli Tüp; 5 - Hareketli Uç Kapak Plakası; 6 - Sabit İletken Çubuk; 7 - yalıtım Kabuğu; 8 - Hareketli İletken Çubuk

Hesaplama Sonuçları ve Analiz

Bu makale, nominal yıldırım darbe dayanım gerilimi altında izolasyon kopma noktaları arasındaki yalıtım performansını incelemektedir. Devre kesicinin sabit kontaktına 125 kV'lık yüksek bir gerilim uygulanırken, hareketli kontakta 0 potansiyel uygulanır. Kontakların açılış mesafeleri sırasıyla %50, %80 ve %100 olduğunda tüm devre kesicinin potansiyel dağılımları elde edilir. Potansiyelin birimi V, elektrik alan gücünün birimi ise V/m'dir.

Vakum kesicisindeki kalkan sayesinde, elektrik alan bozulması baskılandırılır ve bu, kontakların yakınındaki alanda oldukça düzgün ve simetrik bir voltaj dağılımı sağlar. Kalkandaki kayan potansiyel yaklaşık 60 kV'dır.

• %50 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin potansiyel dağılımı

• %80 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin potansiyel dağılımı

• %100 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin potansiyel dağılımı

Şekil 2'de, (a) - (c) figürleri yukarıdaki üç farklı kontak açılış mesafesi altında vakum kesicisindeki elektrik alan gücü dağılımının kontur haritalarıdır.

%50 kontak açılış mesafesi olan vakum devre kesicisi için, maksimum elektrik alan gücü kalkanın ucunda ortaya çıkar ve değeri 25.4 kV/mm'dır. Bu durumda, kontaklar arasındaki elektrik alan gücü önceki iki açılış mesafelerinden daha yüksektir. Gradyan kalkan, kontakların yakınındaki gerilimin gradyan dağılım göstermesini sağlar ve elektrik alan gücü eşit dağılır, kontaklar arasında göreceli olarak büyük bir elektrik alan gücü vardır.

Vakum devre kesicisinin kontak açılış mesafeleri %80 ve %100 olduğunda, maksimum elektrik alan güçleri sırasıyla 21.2 kV/mm ve 18.1 kV/mm'dır. Kontakların yakınındaki gerilim gradyan dağılım gösterir ve elektrik alan gücü eşit dağılır.

• %50 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin elektrik alan kontur haritası

• %80 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin elektrik alan kontur haritası

• %100 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin elektrik alan kontur haritası

Şekillerden görülebileceği gibi, dış yalıtım ortamı sabit ve homojen olduğunda, vakum kesicisinde göreceli olarak büyük elektrik alan dağılım gücü olan alanlar, hareketli ve sabit kontakların uç yüzeylerinde ve kalkanın üst ve alt uçlarında yoğunlaşmıştır. Bu yalıtım zayıf noktaları, yalıtım çökertmesine kolayca neden olabilir. Bu nedenle, ürünün gerçek tasarımında, hareketli ve sabit kontakların uç yüzeylerinin eğrisini artırma ve kalkanın her iki ucundaki sivri köşeleri yumuşatma gibi optimizasyon yöntemleri ile yoğun alan güç noktalarındaki elektrik alan dağılımını iyileştirebilirsiniz.

Vakum kesicisinin dış yüzeyindeki elektrik alan gücü göreceli olarak küçüktür. Şekilden görülebileceği gibi, vakum kesicisinin seramik kabuğunun iki ucuna yakın ve kesicinin uç kapak plakalarına yakın bölgelerde, yüzey boyunca diğer konumlardan daha büyük elektrik alan gücü değerleri bulunmaktadır.

Vakum devre kesicisinin kontakları kapalı olduğunda, merkezi iletkenye 125 kV'lık yüksek bir gerilim uygulanır ve sonsuz uzaklıkta sınır potansiyeli 0 olarak ayarlanır. Yüklemelerin ardından yapılan hesaplamalar, devre kesicinin içeride ve dışarısında elektrik alan gücünün çok küçük olduğunu göstermiştir, maksimum elektrik alan gücü 0.8 kV/mm'dır. Elektrik alan gücü eşit dağılmıştır ve kontakların etrafındaki gerilim, kontakları merkez alan bir gradyan dağılım eğilimindedir.

• (a) %50 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin elektrik alan kontur haritası

• (b) %80 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin elektrik alan kontur haritası

• (c) %100 kontak açılış mesafesi olan vakum kesicisinin elektrik alan kontur haritası

Sonuç

10kV dış ortam yüksek gerilim AC vakum devre kesicisinin elektrik alanının analiz ve araştırılmasıyla, devre kesicisinin farklı sınır koşulları altında elektrik alan gücü ve potansiyel değişiklikleri elde edilmiştir. Yukarıdaki sonuçlardan, ANSYS kullanılarak nesnenin prototipinin hassas bir şekilde simüle edilmesi ve sonlu eleman yöntemi ile elektrik alan ve potansiyel hesaplamaları yapılması, vakum kesicisindeki elektrik alan ve potansiyel değişikliklerinin hassas hesaplanmasını sağladığını açıkça görebiliriz.