高壓SF6斷路器滅弧室電場(chǎng)計(jì)算與分析

滕 云，董嘉豐，羅 恒

沈陽(yáng)市鴻軒機(jī)械廠，遼寧 沈陽(yáng) 110011

0 引言

絕緣中某處的電場(chǎng)強(qiáng)度如果超過(guò)了該處絕緣介質(zhì)所承受的極限值，就會(huì)發(fā)生電擊穿或這放電現(xiàn)象，這是導(dǎo)致電力設(shè)備絕緣故障的主要原因。在場(chǎng)強(qiáng)集中的地方，絕緣介質(zhì)有局部的放電與損傷，伴隨著最高場(chǎng)強(qiáng)向鄰近損傷部位移動(dòng)，這就最終導(dǎo)致了整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿或者放電。所以，在不同的運(yùn)行條件下，計(jì)算分析絕緣結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的最高電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)高壓電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)研究和事故分析是尤其重要的。改善斷路器介質(zhì)恢復(fù)特性以及優(yōu)化SF6斷路器滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)都離不開(kāi)電場(chǎng)計(jì)算與分析這一重要工作。由于SF6氣體對(duì)電場(chǎng)均勻性非常敏感, 不均勻的電場(chǎng)分布會(huì)直接導(dǎo)致SF6的耐受壓程度的下降，因此，有效改善滅弧室內(nèi)電場(chǎng)分布，對(duì)高壓SF6斷路器進(jìn)行觸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要的作用。

通過(guò)ANSYS軟件的計(jì)算與分析，調(diào)整觸頭的幾何形狀改變滅弧室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其電場(chǎng)分布。這為高壓SF6斷路器電場(chǎng)優(yōu)化提供了一種十分有效的方法。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 有限元分析的步驟

有限元的解題方法比較復(fù)雜，但其一般步驟可歸納為：1）建立積分方程；2）區(qū)域單元剖分；3）確定單元基函數(shù)；4）單元分析；5）總體合成；6）邊界條件的處理；7）解有限元方程。

1.2 擊穿場(chǎng)強(qiáng)的確定

由于SF6氣體的負(fù)電性是空氣負(fù)電性的幾十倍，這使得SF6氣體的絕緣性能十分優(yōu)良，電極間在一定的場(chǎng)強(qiáng)下發(fā)射電子，SF6能很快地吸附極間的自由電子，大大阻礙了碰撞電離過(guò)程的發(fā)展，使極間電離度下降剛耐受電用能力增強(qiáng)。這一負(fù)電性十分有利于開(kāi)斷電弧電流過(guò)零后觸頭間的絕緣恢復(fù)。因此，SF6氣體被用在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中作為絕緣和熄弧介質(zhì)，大大提高了開(kāi)關(guān)性能。

根據(jù)工程上計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算0.5 MPa下SF6氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)和沿絕緣件表面時(shí)的閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)過(guò)程如下：

1）在50Hz工頻交流電壓下，SF6氣體的工程擊穿場(chǎng)強(qiáng)Edt計(jì)算公式如下

上式中，p-SF6氣體壓力，單位MPa。計(jì)算得出氣壓在0.5 MPa下，SF6擊穿場(chǎng)強(qiáng)為Edt=21.05 kV/mm。

2）當(dāng)SF6沿面絕緣結(jié)構(gòu)中最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到某一數(shù)值Eft時(shí)發(fā)生沿面閃絡(luò)，工頻電壓下閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式如下。根據(jù)上式估算出0.5 MPa下，SF6氣體沿絕緣件表面時(shí)的閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)為Eft=12.61 kV/mm。

3） 由雷電沖擊電壓下SF6氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)公式：Edt=7.5(10p)0.75，得SF6擊穿場(chǎng)強(qiáng)Edt=25.08 kV/ m。

4） 由雷電沖擊電壓下SF6氣體沿絕緣件表面時(shí)的閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)公式：，計(jì)算得出氣壓在0.5 MPa下，SF6擊穿場(chǎng)強(qiáng)Edt=21.05 kV/mm。

2 滅弧室電場(chǎng)分析與優(yōu)化

由于在SF6斷路器滅弧室內(nèi)部有多種不同的材料，這使得觸頭邊界處的電場(chǎng)強(qiáng)度要大于周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度，這就導(dǎo)致此處的電介質(zhì)比較容易擊穿，從而使得整個(gè)場(chǎng)域被擊穿，斷路器開(kāi)斷的失敗。所以，在進(jìn)行電場(chǎng)優(yōu)化時(shí)，要盡可能的使觸頭表面的電場(chǎng)均勻分布并且使得電場(chǎng)強(qiáng)度盡量小。由于滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和分布情況與電極的結(jié)構(gòu)形狀及其表面粗糙程度有關(guān)，因而我們進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，就是要通過(guò)調(diào)整滅弧室內(nèi)觸頭的幾何形狀，使得周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度盡可能的小并且均勻分布，以達(dá)到提高絕緣介質(zhì)的絕緣能力和滅弧性能的目的。

對(duì)觸頭的幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要計(jì)算和分析SF6斷路器的電場(chǎng)的大小和分布情況，我們采用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算和分析。ANSYS有限元軟件能方便的求解結(jié)構(gòu)、電力以及電磁場(chǎng)等問(wèn)題，利用其對(duì)SF6斷路器的電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算和分析能得到比較好的效果，其內(nèi)嵌的APDL參數(shù)化語(yǔ)言編程提高了分析、優(yōu)化效率。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖1 斷路器觸頭開(kāi)距為40mm時(shí)電勢(shì)云圖

圖2 斷路器觸頭開(kāi)距為40mm時(shí)電場(chǎng)云圖

通過(guò)計(jì)算分析得結(jié)果如圖1和圖2，分析可得：靜弧觸頭和動(dòng)主觸頭處等位線較為密集即此處電場(chǎng)強(qiáng)度較大，分析其原因主要有3點(diǎn)：1）觸頭形狀設(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)化，使得此處場(chǎng)強(qiáng)較大；2）靜弧觸頭較靜主觸頭長(zhǎng)，靜主觸頭對(duì)其屏蔽作用比較小，造成靜弧觸頭處場(chǎng)強(qiáng)較大；3）由于輔助噴口的存在,動(dòng)主觸頭比動(dòng)弧觸頭伸出長(zhǎng)，距離高電位部分(靜觸頭)近，并且動(dòng)主觸頭對(duì)動(dòng)弧觸頭電場(chǎng)屏蔽作用較強(qiáng)，使得動(dòng)主觸頭對(duì)電力線有拉聚的作用，造成此處等位線有較大的彎曲。動(dòng)弧觸頭盡管距高電位端(靜弧觸頭)也較近，但是由于較長(zhǎng)的動(dòng)主觸頭的屏蔽作用,此處等位線彎曲較小，相對(duì)比較稀疏,所以動(dòng)弧觸頭表面的電場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)很大，因而對(duì)動(dòng)弧觸頭的幾何形狀做改動(dòng)時(shí)，由于屏蔽效應(yīng)影響較大，所以對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化不會(huì)產(chǎn)生十分明顯的效果。

根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)可以加大動(dòng)靜觸頭邊緣的曲率半徑，這樣可以改善電場(chǎng)分布，使等位線變得較為緩和，分布相對(duì)均勻。

4 結(jié)論

通過(guò)分析并計(jì)算了斷路器滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)分布，對(duì)滅弧室內(nèi)觸頭形狀提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議：加大動(dòng)靜觸頭邊緣的曲率半徑。

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