高電圧遮断器の電界応力の計算（開発元ブログより）

1 はじめに

私の課題は、高圧サーキットブレーカーのブッシングに沿った電界レベルを、近隣の構造物の関数として測定することでした。図1はその全体図です。ブッシングの上部でフラッシュオーバーが観察されました（Aマーク）。このことから、断路器（B）を支える接地構造物が近接することで、ブッシングの電界が強化されたと考えられます。もしそうであれば、スイッチの支持部の高さを高くすることが有効である可能性があります。

図1：モデル座標系を持つ回路遮断器システム。A) ブッシング（高さ2.7m）。B) ディスコネクトスイッチの接地されたベース。オレンジ色の線は電界スキャンの経路を示す。

この研究では、HiPhiを使用しました。いくつかの構成について、ブッシングの上面に沿った電界の変化を計算しました：

周囲の構造物がない理想的なブッシング。
図1に示したオリジナルの形状。
ディスコネクトスイッチアセンブリを2.1m上昇させたフルシステム。
ディスコネクトスイッチの接地支持を取り除いたオリジナルシステム。
ブッシングの上部に、より大きなグレーディング構造物を設置したオリジナルシステム。

私は次のような結論に達しました。まず、周囲の構造物をすべて取り除いた理想的なインシュレーターでは、電界がかなり高くなりました。ブレーカーとスイッチをつなぐロッドによって、上部電極の有効サイズが大きくなり、ブッシングの上部の電界が減少したのです。第二に、接地梁の除去やスイッチアセンブリの高さによる電界の差は、ブッシングに沿って電界の大きさが大きく変化するのに比べれば、無視できるものでした。最後に、上部電極を大きくすると、ブッシングの上部に沿った電界が大幅に減少しました。

2 モデル

この課題を与えられた時、私は図1の写真といくつかの基準寸法だけを受け取りました。私はその写真から縮尺を測り、3次元のメッシュを作成しました。出来上がったメッシュは、システムを正確に再現しているわけではないが、相対的な比較を行うには十分なものです。その他にもいくつかの簡略化を行い、計算時間を15分程度に抑えました：

ブッシングの表面には凸部を含めませんでした。

x < 0.0 mの領域のみをモデル化し、サーキットブレーカーの両側を表すためにx = 0.0 mに鏡面対称の境界を設けました。解析空間はx = -9.0まで拡張し、xの下側の境界の影響を最小化しました。

y方向では、y = -1.0 mで対称境界を適用し、2.0 m間隔で配置されたサーキットブレーカーを表現しました。解析空間はy = 8.0mまで拡張し、自由空間条件を近似しました。

z方向では、z = 0.0mにある解析空間の底が接地面になっています。解析空間上部のコンポーネントはすべて高電圧になっているため、上部境界を電位固定条件φ = V0に設定しました。

スイッチアセンブリの上部とエクステンションロッドの詳細はモデル化しないことにしました。その代わりに、これらの部品の合計を、上部の境界まで延びるφ=V0の薄い板として表現しました。

図2は、完成した785,536要素からなるメッシュです。サーキットブレーカー周辺では細かい要素分解を行い、周辺の領域では粗い解像度を採用し、計算を高速化しました。接続棒の上部は完全には解像していないが、その隙間はブッシングのフィールドレベルに無視できない影響を与えます。

Groundと表示された領域はφ=0.0Vで、HV部分はφ=1.0Vの電位で正規化された解を作成しました。動作電界レベルを決定するには、表示された値に動作電圧を乗じる必要があります。ブッシングの誘電体には、セラミックの典型的な値であるεr = 5.0を使用しました。

図2：システムの3次元メッシュ表現、＋x方向と＋y方向から見た図。

問題は、東芝のブッシュの内部には独自のフィールドグレーディングシステムが存在することです。この構造に関する知識がないため、エンドキャップ間の均質な絶縁体としてブッシングをモデル化することが唯一の選択肢でした。なお、この内部構造によって、実際の電界のばらつきに大きな影響を与える可能性があります。

図3: 既存アセンブリの平面y = 0.0 mにおける等ポテンシャル等高線。

3 結果

3次元の解析結果を表示する方法はいくつかありますが、ここでは2つの方法を紹介します。図3は、既存のアセンブリの平面y = 0.0 mにおける静電ポテンシャルのコンターです。空気の要素は水色で、スイッチブッシングの誘電体はピンク色で示されています。

図4は、既存のアセンブリのサーキットブレーカサポート、ブッシング電極、ブッシング誘電体、コネクティングロッドの底面の3次元図です。表面は｜E｜の値によって色分けされています。

図3では、コネクティングロッドがトップブレーカー電極付近の電界分布に大きな影響を及ぼしていることに注目してください。電極の有効サイズが大きくなり、接地されたサポートビーム（底部付近に見える）の影響からブッシングが隔離されます。その結果、スイッチアセンブリの存在によって、絶縁体上の電界レベルが実際に低下していることがわかります。

比較のために、図5はスイッチアセンブリとコネクティングロッドを取り除いた理想的なケースの電界分布を示します。トップブレーカー電極は1.0Vにバイアスされている。電界は電極付近に強く集中している。図6のIdealと書かれたオレンジ色の線は、図1の走査線に沿った｜E｜の変化を示しています。既存のスイッチ構造を追加することで、ピーク電界は減少する（図4、図6の青線）。

スイッチアセンブリを2.1m上昇させた結果の電界変動は、図6の既存システムのものと区別がつきません。図7は、電界レベルの違いを示したものです。プロットされた量は、上昇したシステムの電界から既存システムの電界を引いたものを、上昇したシステムの電界で割ったものです。その結果、スイッチを上げると、ブッシングの上部の電界がわずかに増加することがわかりました。接地ビームまでの距離の増加は、コネクティングロッドの長さによる効果の減少によって相殺されます。

接地ビームを完全に取り除くと、わずかな改善が見られます（図6の紫色のカーブ）。

最後に、図6の黄色の曲線は、ブレーカブッシュの上部電極を大きくした場合（直径1.0mの球体）の電界変化を示しています。
ブッシングに内部勾配をつけると電界分布の細部が変化する可能性がありますが、スイッチアセンブリを高くしても絶縁体表面の電界は大きく変化しないというのが私の結論です。