Problemas de aislamiento en cajas de contacto para tensiones de 24kV y superiores

Para el interruptor automático extraíble de media tensión, la caja de contactos es un componente de aislamiento clave. Las principales funciones de la caja de contactos son soportar los contactos fijos, establecer conexiones eléctricas entre compartimentos y proporcionar aislamiento eléctrico entre los contactos fijos del interruptor automático y la placa de montaje metálica.

Especialmente para interruptores de alta corriente, el diámetro del brazo de contacto del interruptor automático es grande, la distancia desde la pared interior de la caja de contactos es pequeña, y el lado exterior de la caja de contactos está conectado directamente a la placa de instalación para la puesta a tierra. Si el diámetro interior de la caja de contactos es de 214 mm y el diámetro del brazo de contacto del interruptor automático es de 100 mm, la distancia desde la pared interior hasta el brazo de contacto es de 57 mm, el espesor de la pared de la caja de contactos es de 15 mm, y la distancia desde el lado exterior de la caja de contactos hasta la placa de instalación es de 5 mm.

Para 12 kV y una tensión soportada a frecuencia industrial de 42 kV, calculada con una constante dieléctrica de resina epoxi de 4, la división de tensión entre el aire (5 * 4) / (57 * 4 + 15 * 1 + 5 * 4) * 42 = 3.19 kV.

Para anillos coaxiales y superficies paralelas, el campo eléctrico tiende a ser uniforme, y la intensidad del campo eléctrico tiende a estar distribuida uniformemente, es decir, 3.19/5=0.638kV/mm.

Sin embargo, la situación de instalación en el exterior de la caja de contactos no es así, sino que se trata de una placa de acero afilada con un radio de curvatura muy pequeño en la punta. Para mantener el estado equipotencial de la superficie del conductor, una gran cantidad de cargas se acumularán en la punta, lo que resulta en una densidad superficial de cargas mucho mayor en la punta que en una superficie plana o lisa, generando así un fuerte campo eléctrico local. Es decir, el campo eléctrico se concentra en la superficie de la abertura de la placa de acero, en lugar de estar distribuido uniformemente. Las líneas de campo eléctrico son densas y radiales en la punta, y a medida que aumenta la distancia desde la punta, la intensidad del campo eléctrico decae rápidamente, aproximándose gradualmente al campo eléctrico de fondo macroscópico.

La intensidad del campo eléctrico es aproximadamente inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, es decir, cuanto más lejos de la punta, más rápida es la disminución de la intensidad del campo eléctrico. 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=1.71kV

Cuando el campo eléctrico se concentra en una distancia de 5mm, el aire cerca de la punta se ioniza y descarga (efecto de ruptura). Cuando la intensidad del campo eléctrico local en la punta supera la intensidad de campo de ruptura crítica del aire (aproximadamente 3 × 10⁶ V/m), "tirará" vigorosamente de las moléculas de aire, provocando que se ionicen (es decir, se arrancan electrones, formando electrones libres e iones positivos). Estas partículas cargadas generadas por la ionización sufren una ionización por colisión en avalancha bajo la acción de un campo eléctrico intenso, formando un canal conductor a través del cual las cargas se filtran desde la punta al aire, produciendo descargas visibles como descarga de corona o descarga de chispa.

Para 24kV y una tensión soportada a frecuencia industrial de 65kV, calculando sobre la base de la constante dieléctrica de la resina epoxi como 4, la división de tensión entre el aire (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  Cerca de la intensidad de campo de ruptura crítica del aire, descargará.

De hecho, la distribución de voltaje no será tan uniforme como se calculó anteriormente, sino que el campo eléctrico cerca de la placa de instalación será más alto, lo que en realidad provocará descargas.

Lo anterior es el cálculo más simple, pero en realidad, la distribución de los campos eléctricos es mucho más compleja. Por lo tanto, para productos con 24kV y superiores, como pasatapas de pared, cajas de contacto, etc., se deben seleccionar aquellos con blindaje de ecualización de voltaje interno y externo, con el fin de distribuir uniformemente el campo eléctrico, distribuir más voltaje de aislamiento dentro de la capa de aislamiento sólido, maximizar el rendimiento de aislamiento de los materiales sólidos, reducir la intensidad del campo eléctrico del aire y garantizar un funcionamiento estable a largo plazo.