Phân tích hiệu suất cách điện của cầu chì chân không ngoài trời 10kV

Giới thiệu

Cụm ngắt chân không là thành phần quan trọng nhất trong công tắc điện chân không. Nó có nhiều ưu điểm như khả năng cắt lớn, hoạt động thường xuyên, hiệu suất dập hồ quang tốt, không gây ô nhiễm và kích thước nhỏ gọn. Khi công tắc điện chân không đang phát triển theo hướng điện áp cao hơn, nghiên cứu sâu về hiệu suất cách điện bên trong và bên ngoài của cụm ngắt chân không ngoài trời trở nên cần thiết hơn.

Phân bố trường điện bên trong cụm ngắt có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cách điện của công tắc điện chân không. Phân bố trường điện không đồng đều có thể dẫn đến sự cố đường đứt ở khe tiếp xúc, cuối cùng làm cho công tắc điện không thể mở. Việc lắp đặt tấm chắn phân chia bên trong cụm ngắt chân không có thể làm đồng đều phân bố trường điện bên trong, làm cho cấu trúc của cụm ngắt chân không hợp lý và nhỏ gọn hơn.

Tuy nhiên, việc thêm tấm chắn cũng gây ra sự thay đổi trong phân bố trường điện bên trong cụm ngắt. Để xác minh chính xác hiệu suất cách điện của cụm ngắt và phân tích ảnh hưởng của tấm chắn đối với phân bố trường điện, việc phân tích số học về trường điện của công tắc điện chân không ngoài trời là bước quan trọng để xác nhận độ tin cậy của sản phẩm.

Vì vậy, bài viết này phân tích và thiết kế cấu trúc cách điện của một loại công tắc điện chân không AC ngoài trời 10kV mới được phát triển và sản xuất độc lập bởi các doanh nghiệp sản xuất công tắc điện trong nước.

Khi thực hiện phân tích trường tĩnh điện của công tắc điện chân không, một điện áp được áp dụng lên các ranh giới của mô hình, và các phần tử lưới tứ giác được sử dụng theo cấu trúc của mô hình. Việc lưới hóa được thực hiện bằng lưới hóa thông minh. Do công tắc điện chân không có cấu trúc đối xứng trục, cụm ngắt chân không được cắt dọc theo trục X của hệ tọa độ ba chiều. Ưu điểm của việc sử dụng lưới hóa thông minh nằm ở chỗ, trong các khu vực mà độ cong của đồ thị thay đổi đáng kể, lưới được phân chia rất dày đặc, trong khi đó, trong các khu vực có cấu trúc đều đặn hơn, mật độ lưới tương đối thấp.

Dựa trên hai vị trí làm việc của tiếp xúc công tắc, bao gồm vị trí ngắt và đóng, cũng như các khoảng cách mở khác nhau của tiếp xúc trong quá trình ngắt, một phân tích trường điện được thực hiện riêng biệt cho cụm ngắt chân không. Đặc điểm của phân bố trường điện và các điểm tập trung cường độ trường được xác định. Các điểm tập trung cường độ trường là những khu vực phân tích chính trong bài viết này. Kết quả trường điện thu được dưới các điều kiện khác nhau được so sánh.

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc phóng to bên trong của cụm ngắt chân không

Hình 1 - Nắp đầu cố định; 2 - Mũ che chính; 3 - Tiếp xúc; 4 - Bellow; 5 - Nắp đầu di chuyển; 6 - Thanh dẫn điện cố định; 7 - Vỏ cách điện; 8 - Thanh dẫn điện di chuyển

Kết quả tính toán và phân tích

Bài viết này đánh giá hiệu suất cách điện giữa các điểm ngắt cách ly dưới điện áp chịu đựng xung sét định mức. Một điện áp cao 125 kV được áp dụng lên tiếp xúc cố định của công tắc điện, và một tiềm năng 0 được áp dụng lên tiếp xúc di chuyển. Phân bố tiềm năng của toàn bộ công tắc điện được thu được khi khoảng cách mở tiếp xúc lần lượt là 50%, 80% và 100%. Đơn vị của tiềm năng là V, và đơn vị của cường độ trường điện là V/m.

Do có sự hiện diện của nắp che trong cụm ngắt chân không, biến dạng trường điện được hạn chế, dẫn đến phân bố điện áp rất đồng đều và đối xứng trong khu vực gần tiếp xúc. Tiềm năng nổi trên nắp che khoảng 60 kV.

• Phân bố tiềm năng của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 50%

• Phân bố tiềm năng của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 80%

•  Phân bố tiềm năng của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 100%

Trong Hình 2, các hình (a) - (c) là bản đồ đường đẳng nhiệt của phân bố cường độ trường điện trong cụm ngắt chân không dưới ba khoảng cách mở tiếp xúc khác nhau trên.

Đối với công tắc điện chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 50%, cường độ trường điện tối đa xuất hiện ở cuối nắp che, với giá trị 25,4 kV/mm. Tại thời điểm này, cường độ trường điện giữa các tiếp xúc cao hơn đáng kể so với hai khoảng cách mở trước đó. Tấm chắn phân chia làm cho điện áp gần tiếp xúc có phân bố theo cấp số, và cường độ trường điện được phân bố đều, với cường độ trường điện tương đối lớn giữa các tiếp xúc.

Khi khoảng cách mở tiếp xúc của công tắc điện chân không là 80% và 100%, cường độ trường điện tối đa lần lượt là 21,2 kV/mm và 18,1 kV/mm. Điện áp gần tiếp xúc có phân bố theo cấp số, và cường độ trường điện được phân bố đều.

• Bản đồ đường đẳng nhiệt của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 50%

• Bản đồ đường đẳng nhiệt của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 80%

• Bản đồ đường đẳng nhiệt của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 100%

Có thể thấy từ các hình vẽ, khi môi trường cách điện bên ngoài ổn định và đồng đều, các khu vực có cường độ phân bố trường điện lớn trong cụm ngắt chân không chủ yếu tập trung ở mặt cuối của tiếp xúc di chuyển và cố định, cũng như ở hai đầu của nắp che. Những khu vực dễ bị cách điện này dễ bị phá vỡ cách điện. Do đó, trong thiết kế thực tế của sản phẩm, phân bố trường điện tại các điểm tập trung cường độ có thể được cải thiện thông qua các phương pháp thiết kế tối ưu như tăng độ cong của mặt cuối của tiếp xúc di chuyển và cố định, và làm mờ các góc nhọn ở hai đầu của nắp che.

Cường độ trường điện trên bề mặt bên ngoài của cụm ngắt chân không tương đối nhỏ. Có thể thấy từ hình vẽ, ở các khu vực gần hai đầu của vỏ gốm của cụm ngắt chân không và gần nắp đầu của cụm ngắt, giá trị cường độ trường điện lớn hơn so với các vị trí khác dọc theo bề mặt.

Khi tiếp xúc của công tắc điện chân không đóng, một điện áp cao 125 kV được áp dụng lên thanh dẫn điện trung tâm, và tiềm năng ở biên vô cùng xa được đặt là 0. Sau khi tải, kết quả tính toán cho thấy cường độ trường điện rất nhỏ cả bên trong và bên ngoài công tắc, với cường độ trường điện tối đa là 0,8 kV/mm. Cường độ trường điện được phân bố đều, và điện áp xung quanh tiếp xúc có xu hướng phân bố theo cấp số tập trung vào tiếp xúc.

• (a) Bản đồ đường đẳng nhiệt của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 50%

• (b) Bản đồ đường đẳng nhiệt của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 80%

• (c) Bản đồ đường đẳng nhiệt của cụm ngắt chân không tại khoảng cách mở tiếp xúc 100%

Kết luận

Qua phân tích và nghiên cứu về trường điện của công tắc điện chân không AC ngoài trời 10kV, đã thu được sự thay đổi của cường độ trường điện và tiềm năng của công tắc điện dưới các điều kiện biên khác nhau. Từ các kết quả trên, rõ ràng rằng bằng cách sử dụng ANSYS để mô phỏng chính xác nguyên mẫu của vật thể và áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán số học về trường điện và tiềm năng, có thể đạt được tính toán chính xác về sự thay đổi của trường điện và tiềm năng bên trong cụm ngắt chân không.