Isolationsprobleme von Kontaktkästen für Spannungen von 24kV und höher

Für Mittelspannungs-Schaltanlagen mit herausziehbaren Leistungsschaltern ist der Kontaktkasten eine wichtige Isolierkomponente. Die Hauptfunktionen des Kontaktkastens bestehen darin, die Festkontakte zu stützen, elektrische Verbindungen zwischen den Fächern herzustellen und eine elektrische Isolierung zwischen den Festkontakten des Leistungsschalters und der Metallmontageplatte bereitzustellen.

Besonders bei Hochstrom-Schaltanlagen ist der Durchmesser des Kontaktarms des Leistungsschalters groß, der Abstand zur Innenwand des Kontaktkastens gering, und die Außenseite des Kontaktkastens ist direkt mit der Montageplatte zur Erdung verbunden. Wenn der Innendurchmesser des Kontaktkastens 214mm beträgt und der Durchmesser des Kontaktarms des Leistungsschalters 100mm, beträgt der Abstand von der Innenwand zum Kontaktarm 57mm, die Wandstärke des Kontaktkastens 15mm und der Abstand von der Außenseite des Kontaktkastens zur Montageplatte 5mm.

Für 12kV und eine Betriebsfrequenz-Stehspannung von 42kV, berechnet mit der Dielektrizitätskonstante von Epoxidharz als 4, ergibt sich die Spannungsteilung zwischen Luft (5 * 4)/(57 * 4+15 * 1+5 * 4) * 42=3.19kV.

Bei koaxialen Ringen und parallelen Oberflächen ist das elektrische Feld tendenziell gleichmäßig und die elektrische Feldstärke tendenziell gleichmäßig verteilt, d. h. 3.19/5=0.638 kV/mm.

Die Installation außerhalb des Kontaktkastens ist jedoch anders, sondern eine scharfe Stahlplatte mit einem sehr kleinen Krümmungsradius an der Spitze. Um den Äquipotentialzustand der Leiteroberfläche aufrechtzuerhalten, sammeln sich an der Spitze viele Ladungen an, was zu einer viel höheren Oberflächenladungsdichte an der Spitze als auf einer flachen oder glatten Oberfläche führt und somit ein starkes lokales elektrisches Feld erzeugt. Das heißt, das elektrische Feld ist auf der Oberfläche der Stahlplattenöffnung konzentriert, nicht gleichmäßig verteilt. Die Feldlinien sind dicht und strahlenförmig an der Spitze, und mit zunehmender Entfernung von der Spitze nimmt die elektrische Feldstärke schnell ab und nähert sich allmählich dem makroskopischen Hintergrundfeld.

Die elektrische Feldstärke ist ungefähr umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, d. h. je weiter von der Spitze entfernt, desto schneller nimmt die elektrische Feldstärke ab. 3.19/4=0.7975, 3.19/9=0.3544, 3.19/16=0.1993, 3.19/25=0.1276, 3.19-0.1276-0.1993-0.3544-0.7975=1.71 kV

Wenn das elektrische Feld innerhalb einer Entfernung von 5mm konzentriert ist, ionisiert die Luft an der Spitze und entlädt sich (Durchschlagseffekt). Wenn die lokale elektrische Feldstärke an der Spitze die kritische Durchschlagsfeldstärke von Luft (ca. 3 × 10⁶ V/m) überschreitet, werden Luftmoleküle aktiv „gezogen", was zu ihrer Ionisierung führt (d. h. Elektronen werden abgelöst, es entstehen freie Elektronen und positive Ionen). Diese durch Ionisierung erzeugten geladenen Teilchen durchlaufen unter Einwirkung eines starken elektrischen Feldes eine lawinenartige Stoßionisierung, wodurch ein leitfähiger Kanal entsteht, durch den Ladungen von der Spitze in die Luft entweichen, was zu sichtbaren Entladungen wie Koronaentladung oder Funkenentladung führt.

Für 24kV und eine Netzfrequenz-Stehspannung von 65kV, berechnet auf Basis der Dielektrizitätskonstante von Epoxidharz von 4, ergibt sich die Spannungsteilung zwischen Luft (5 * 4)/(57 * 4 + 15 * 1 + 5 * 4) * 65 = 4,94kV.

4,94/4 = 1,235, 4,94/9 = 0,549, 4,94/16 = 0,31, 4,94/25 = 0,197, 4,94 - 1,235 - 0,549 - 0,31 - 0,197 = 2,649kV. Nahe der kritischen Durchschlagsfeldstärke von Luft kommt es zur Entladung.

Tatsächlich wird die Spannungsverteilung nicht so gleichmäßig sein wie zuvor berechnet, sondern das elektrische Feld in der Nähe der Montageplatte wird höher sein, was tatsächlich eine Entladung verursacht.

Das Obige ist die einfachste Berechnung, aber in der Realität ist die Verteilung der elektrischen Felder viel komplexer. Daher sollten für Durchführungen, Kontaktkästen usw. ab 24 kV Produkte mit innerer und äußerer Spannungsausgleichsabschirmung ausgewählt werden, um das elektrische Feld gleichmäßig zu verteilen, mehr Isolationsspannung innerhalb der festen Isolierschicht zu verteilen, die Isolationsleistung fester Materialien zu maximieren, die Stärke des Luftfeldes zu reduzieren und einen langfristig stabilen Betrieb zu gewährleisten.