Аналіз ізоляційних характеристик 10кВ зовнішніх вакуумних вимикачів

Вступ

Вакуумний переривач є найважливішою деталлю вакуумного вимикача. Він має багато переваг, таких як велика здатність до розриву, можливість частого використання, відмінна характеристика гасіння дуги, відсутність забруднення та компактні розміри. З розвитком вакуумних вимикачів на вищі ступені напруги, глибоке дослідження внутрішньої та зовнішньої ізоляційної продуктивності зовнішніх вакуумних переривачів стає ще важливішим.

Розподіл електричного поля всередині переривача значно впливає на ізоляційну продуктивність вакуумного вимикача. Нерівномірний розподіл електричного поля може призвести до пробою між контактами, що в кінцевому підсумку призведе до невдалого відкриття вимикача. Установка градуйованого екрану всередині вакуумного переривача може уніфікувати внутрішній розподіл електричного поля, роблячи конструкцію вакуумного переривача більш раціональною та компактною.

Проте, додавання екрану також призводить до змін розподілу електричного поля всередині переривача. Для точного підтвердження ізоляційної продуктивності переривача та аналізу впливу екрану на розподіл електричного поля, чисельний аналіз електричного поля зовнішнього вакуумного вимикача є ключовим етапом в підтвердження надійності продукту.

Тому ця стаття аналізує та проектує ізоляційну конструкцію нового типу 10кВ зовнішнього високонапівного AC-вакуумного вимикача, який був незалежно розроблений та вироблений домашніми виробниками комутаційного обладнання.

При проведені електростатичного аналізу вакуумного вимикача, напруга застосовується до границь моделі, а тетраедральні елементи сітки використовуються відповідно до структури моделі. Сітка генерується за допомогою інтелектуального методу. Оскільки вакуумний вимикач має осесиметричну структуру, вакуумний переривач розрізається вздовж X-осі тривимірної системи координат. Перевага використання інтелектуального методу полягає в тому, що в областях, де кривизна графіка значно змінюється, розбиття сітки є дуже густим, а в областях з більш регулярною структурою, густота сітки відносно нижча.

На основі двох робочих положень контактів вимикача, а саме, положень розриву та замикання, а також різних відкритих відстаней контактів під час процесу розриву, проводиться аналіз електричного поля вакуумного переривача. Визначаються характеристики розподілу електричного поля та точки концентрації напруженості поля. Точки концентрації напруженості поля є ключовими областями аналізу в цій статті. Порівнюються результати електричного поля, отримані при різних умовах.

Рисунок 1 - Збільшений внутрішній структурний діаграма вакуумного переривача

Рисунок 1 - Нерухомий кінцевий кришка; 2 - Головний екран; 3 - Контакт; 4 - Складна труба; 5 - Рухомий кінцевий кришка; 6 - Нерухомий провідний прут; 7 - Ізоляційна оболонка; 8 - Рухомий провідний прут

Результати розрахунків та аналіз

Ця стаття досліджує ізоляційну продуктивність між точками розриву при номінальній стрімкій імпульсній витривалості. До нерухомого контакту вимикача застосовується висока напруга 125 кВ, а до рухомого контакту - потенціал 0. Отримуються розподіли потенціалу по всьому вимикачу при відкритих відстанях контактів 50%, 80% та 100% відповідно. Одиниця потенціалу - В, а одиниця напруженості електричного поля - В/м.

Завдяки наявності екрану в вакуумному переривачі, спотворення електричного поля знижується, що призводить до дуже рівномірного та симетричного розподілу напруги в області близько до контактів. Плавучий потенціал на екрані становить приблизно 60 кВ.

• Розподіл потенціалу вакуумного переривача при 50% відкритій відстані контактів

• Розподіл потенціалу вакуумного переривача при 80% відкритій відстані контактів

•  Розподіл потенціалу вакуумного переривача при 100% відкритій відстані контактів

На рисунку 2, рисунки (a) - (c) є контурними картами розподілу напруженості електричного поля в вакуумному переривачі при вищезазначені трьох різних відкритих відстанях контактів.

Для вакуумного вимикача при 50% відкритій відстані контактів, максимальна напруженість електричного поля з'являється на кінці екрану, зі значенням 25,4 кВ/мм. В цей момент напруженість електричного поля між контактами значно вища, ніж при попередніх двох відкритих відстанях. Градуйований екран робить напругу біля контактів градієнтною, а напруженість електричного поля рівномірно розподіленою, з відносно великою напруженістю електричного поля між контактами.

При відкритих відстанях контактів вакуумного вимикача 80% та 100%, максимальні напруженості електричного поля становлять 21,2 кВ/мм та 18,1 кВ/мм відповідно. Напруга біля контактів показує градієнтний розподіл, а напруженість електричного поля рівномірно розподілена.

• Контурна карта електричного поля вакуумного переривача при 50% відкритій відстані контактів

• Контурна карта електричного поля вакуумного переривача при 80% відкритій відстані контактів

• Контурна карта електричного поля вакуумного переривача при 100% відкритій відстані контактів

З рисунків видно, що коли зовнішній ізоляційний середовище є сталим та рівномірним, області з відносно великою напруженістю розподілу електричного поля в вакуумному переривачі головним чином зосереджені на кінцевих поверхнях рухомих та нерухомих контактів та верхніх та нижніх кінцях екрану. Ці області, що підвержені ізоляційному пробою, склонні до пробою ізоляції. Тому, у реальному проектуванні продукту, розподіл електричного поля в точках концентрації напруженості можна покращити шляхом оптимізаційних методів, таких як збільшення кривизни кінцевих поверхонь рухомих та нерухомих контактів та згладження гострих кутів на обох кінцях екрану.

Напруженість електричного поля на зовнішній поверхні вакуумного переривача відносно мала. З рисунка видно, що в областях близько до обох кінців керамічної оболонки вакуумного переривача та близько до кінцевих кришок переривача, значення напруженості електричного поля більші, ніж в інших позиціях вздовж поверхні.

При замиканні контактів вакуумного вимикача, до центрального провідника застосовується висока напруга 125 кВ, а потенціал на нескінченно віддаленій границі встановлюється на 0. Після завантаження, розрахунки показують, що напруженість електричного поля дуже мала как всередині, так і зовні вимикача, з максимальною напруженістю електричного поля 0,8 кВ/мм. Напруженість електричного поля рівномірно розподілена, а напруга поблизу контактів показує градієнтний розподіл, центрований на контактів.

• (a) Контурна карта електричного поля вакуумного переривача при 50% відкритій відстані контактів

• (b) Контурна карта електричного поля вакуумного переривача при 80% відкритій відстані контактів

• (c) Контурна карта електричного поля вакуумного переривача при 100% відкритій відстані контактів

Висновок

Шляхом аналізу та дослідження електричного поля 10кВ зовнішнього високонапівного AC-вакуумного вимикача, було отримано зміни напруженості електричного поля та потенціалу вимикача при різних крайових умовах. З вищезазначених результатів очевидно, що за допомогою ANSYS для точного моделювання прототипу об'єкта та застосування методу скінченних елементів для числових розрахунків електричного поля та потенціалу, можна досягти точних розрахунків змін електричного поля та потенціалу всередині вакуумного переривача.