12 kV真空滅弧室內(nèi)部電場數(shù)值計算與分析

孫 巍，于 琪，劉 洋，張洪達，孫 晨

(1．黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030;2．哈爾濱供電公司客服服務中心，哈爾濱 150030)

目前，真空斷路器在中壓配電系統(tǒng)中已經(jīng)占據(jù)絕對的優(yōu)勢，真空滅弧室設(shè)計對真空滅弧室內(nèi)部絕緣性能的要求越來越高［1－3］。滅弧室內(nèi)部的電場分布對真空滅弧室的開斷和絕緣性能具有決定性的影響。如果電場分布不均勻，則觸頭間隙將會擊穿，最終導致開斷失敗或絕緣故障，如何使真空滅弧室內(nèi)部的電場合理分布，則成為重要的研究課題。

動、靜觸頭之間的開距關(guān)系著觸頭間是否發(fā)生絕緣擊穿，從而直接影響了真空滅弧室的絕緣性能;真空滅弧室內(nèi)部的絕緣性能又與觸頭和屏蔽罩等部件的結(jié)構(gòu)和尺寸關(guān)系很大。對此，本文采用ANSYS有限元分析軟件，運用有限元分析方法，對中壓真空滅弧室內(nèi)部電場進行仿真研究，并在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，改變真空滅弧室中動、靜觸頭之間的開距、觸頭和懸浮屏蔽罩的形狀等因素，以確定不同因素對真空滅弧室內(nèi)部電場分布的影響，從而使中壓真空滅弧室的絕緣性能得到改善。

1 電場仿真模型的建立

假設(shè)在整個中壓真空滅弧室內(nèi)部電場的計算區(qū)域內(nèi)沒有分布自由電荷，滿足Laplace方程，Laplace方程為

邊界條件為

式中:φ為電位;L1為靜觸頭邊界;L2為動觸頭邊界;L3為中軸線和無限遠邊界。

伽遼金法得出電勢弱解方程為

式中，s是由 L1、L2、L3圍成的封閉區(qū)域。

求解上述有限元方程得到各節(jié)點的電位，再由E=－gradφ公式便可得到相應的電場強度［4］。

真空滅弧室中的懸浮屏蔽罩所滿足的方程為

式中:φ、S和Q分別為懸浮屏蔽罩的電位、表面積和所帶的電荷量。

中壓真空滅弧室內(nèi)部電場的計算模型如圖1所示。為確保計算結(jié)果的準確性，建立的計算模型和滅弧室樣品均按照1∶1的比例建立，觸頭之間的開距按照額定值8 mm進行設(shè)定。

模型由屏蔽罩、靜導電桿、動導電桿、觸頭座、觸頭支撐和觸頭片幾部分構(gòu)成。其中:屏蔽罩的長度為138 mm，外徑為102.5 mm;觸頭片的直徑為79 mm，觸頭片的厚度為5 mm，觸頭片上的徑向直槽的寬度為2 mm，長度為22 mm;觸頭座的高度為22 mm，杯壁厚度為9 mm，觸頭座的杯指與水平面的夾角為25°。

圖1 中壓真空滅弧室內(nèi)部電場的計算模型Fig 1 Calculation model of electric field inside medium voltage vacuum arcing chamber

2 材料屬性和邊界條件的設(shè)置

完成模型的建立后，需要對各個部分設(shè)置相應的材料特性。其中:導電桿、觸頭座、母排和套接的材料均為純銅;觸頭支撐的材料為不銹鋼;觸頭片的材料為CuCr50;屏蔽罩的材料為不銹鋼。模型所用的材料屬性如表1所示(真空的相對介電常數(shù)為1)。

表1 模型材料屬性Tab.1 Properties of model material

邊界條件的設(shè)置:對靜觸頭及其金屬連接件施加高電位(12 kV)，動觸頭及其金屬連接件為零電位;主屏蔽罩設(shè)置為懸浮導體;計算場域為模型的5倍，無限遠邊界處設(shè)置為零電位。

3 電場仿真計算結(jié)果

將電場仿真計算模型導入ANSYS有限元分析軟件，然后按照材料屬性和邊界條件進行計算，得到中壓真空滅弧室內(nèi)部的電場分布，電場仿真模型縱向剖面的電場分布云圖如圖2所示。

圖2 中壓真空滅弧室內(nèi)部電場分布云圖Fig．2 Electric field distribution inside medium voltage vacuum arcing chamber

從圖2可以看出，電場分布最密集的區(qū)域為觸頭間隙和觸頭片表面邊緣處。為了更直接地顯示電場分布，分別選取靜觸頭表面沿直徑方向的路徑、動觸頭表面沿直徑方向的路徑和觸頭中心平面沿直徑方向的路徑，將這三條路徑上的電場分布進行對比，觸頭表面與觸頭中心平面徑向的電場分布曲線如圖3所示。其中:靜、動觸頭表面沿直徑方向路徑的取值位置為從觸頭表面的中心處沿觸頭表面徑向方向到觸頭表面的外緣;觸頭中間平面沿直徑方向路徑的取值位置為從仿真模型的中心處沿觸頭中心平面徑向方向到模型外緣。

圖3 觸頭表面與觸頭中心平面徑向的電場分布曲線圖Fig．3 Radial electric field distribution curve of contact terminal surface and contact terminal center plane

從圖3可以看出:1)動、靜觸頭之間中心平面的電場強度雖然比較大(最大值為1.5×106V/m)，但是這部分區(qū)域的電場分布比較均勻，不易發(fā)生放電。2)真空滅弧室內(nèi)部電場強度的最大值出現(xiàn)在靜觸頭表面邊緣處，也就是觸頭間隙的邊緣位置，最大值為1.62×106V/m，超過了動、靜觸頭之間的中心平面的電場強度最大值。3)動、靜觸頭表面的電場分布不均勻，在距離觸頭表面中心35 mm處，電場強度出現(xiàn)了快速的增大。4)靜觸頭表面的電場強度大于動觸頭表面的電場強度。這是因為:以滅弧室樣品的實際模型為基礎(chǔ)建立的電場仿真模型的靜端組件與動端組件不完全對稱，靜導電桿的長度小于動導電桿，而且靜導電桿完全封閉在屏蔽罩內(nèi)部，從而靜端組件(靜端觸頭和靜導電桿)周圍的電場全部集中在屏蔽罩內(nèi)部。

4 真空滅弧室內(nèi)部電場分布影響因素的分析

真空滅弧室絕緣性能的好壞主要取決于滅弧室內(nèi)部的電場分布。研究真空滅弧室內(nèi)部電場分布的影響因素，需要采用不同的電場模型進行對比仿真計算。在真空滅弧室長期的設(shè)計和應用實踐中，表面光滑的電極在高真空度(P≤6.6×10－2Pa)間隙的電場耐受強度為107V/m?？紤]到電場的不均勻系數(shù)、電極表面的狀態(tài)和絕緣裕度等因素，在實際的真空滅弧室設(shè)計中，真空滅弧室內(nèi)部的最大電場強度不應該高于 8 ×106V/m［5－6］。然而，真空滅弧室的絕緣性能不僅單純與電場強度有關(guān)，更取決于滅弧室內(nèi)部電場強度的最大值與最小值之差，即電場分布的均勻性，場強差越小，說明電場的分布越均勻，真空滅弧室的絕緣性能也越好。因此，采用對比計算的方式，闡述真空滅弧室中動靜觸頭的開距、觸頭和懸浮屏蔽罩的形狀等因素對滅弧室內(nèi)部電場分布的影響。

4.1 觸頭開距對電場分布的影響

在之前的設(shè)計中，動、靜觸頭之間的開距為8 mm。現(xiàn)改變觸頭開距，使其分別為8 mm、10 mm和11 mm，對從仿真模型中心處沿觸頭中心平面徑向方向到模型外緣的區(qū)域和從靜觸頭表面中心處沿觸頭表面徑向方向到觸頭表面外緣路徑的電場強度分別進行對比，得到不同觸頭開距下觸頭中心平面徑向電場分布曲線和不同觸頭開距下靜觸頭表面徑向電場分布曲線如圖4和圖5所示。

圖4 不同的觸頭開距下觸頭中心平面徑向電場分布曲線Fig．4 Radial electric field distribution curve of contact terminal center plane under different contact terminal distance

圖5 不同的觸頭開距下靜觸頭表面徑向電場分布曲線Fig．5 Radial electric field distribution curve of static contact terminal surface under different contact terminal distance

從圖4和圖5可以看出:隨著動、靜觸頭之間開距的增大，觸頭中心平面的電場強度減小，靜觸頭表面的電場強度和滅弧室內(nèi)部電場強度的最大值也隨之減小，但是電場強度的分布趨勢沒有明顯改變。這說明:改變觸頭之間的開距，只是可以降低滅弧室內(nèi)部的電場強度，但是不能改變滅弧室內(nèi)部的電場分布，不能降低場強差。所以，單純改變動、靜觸頭之間的開距，不能明顯改善真空滅弧室的絕緣性能。

4.2 不同電極對電場分布的影響

雖然真空滅弧室動、靜觸頭之間的電位差最大，場強較強，但是由于這部分區(qū)域的面積較大，因此電場分布比較均勻，耐壓性能較好，動、靜觸頭之間不易發(fā)生擊穿。然而靜觸頭表面的電場分布不均勻，在距離觸頭表面中心35 mm處(即觸頭邊緣倒角處)電場強度出現(xiàn)了快速的增大，是真空滅弧室內(nèi)部電場分布的最強點。分別對觸頭邊緣為直角、倒圓角(半徑1 mm和半徑1.5 mm)情況下的電場模型進行計算，對從靜觸頭表面中心處沿觸頭表面徑向方向到觸頭表面外緣路徑的電場強度進行對比，得到不同電極的靜觸頭表面徑向電場分布曲線如圖6所示。

圖6 不同電極的靜觸頭表面徑向電場分布曲線Fig．6 Radial electric field distribution curves of static contact surface at different electrode

從圖6可以看出:1)觸頭外形中的棱邊做圓倒角處理后，靜觸頭表面的電場強度明顯下降，電場分布更加均勻。2)觸頭外形中的棱邊做圓倒角處理后，真空滅弧室內(nèi)部的電場強度也明顯減小，改善了真空滅弧室的絕緣性能。3)在一定范圍內(nèi)，隨著觸頭邊緣棱邊圓倒角半徑的增大，靜觸頭表面的電場強度呈下降趨勢。但需要的注意的是:在實際的設(shè)計中，要綜合考慮各種因素來選擇觸頭邊緣圓倒角的半徑，不能一味增大圓倒角的半徑。這是因為:圓倒角半徑的增大會減小觸頭之間實際的接觸面積，引起觸頭表面電流密度的增大，導致真空電弧難以開斷，從而影響真空滅弧室的開斷性能。

4.3 屏蔽罩對電場分布的影響

觸頭與屏蔽罩之間的區(qū)域和屏蔽罩邊緣區(qū)域的電場分布比較不均勻，影響了滅弧室的絕緣性能。因此，有必要分析屏蔽罩尺寸、翻邊開口處的半徑與朝向?qū)缁∈覂?nèi)部電場分布的影響，以使上述區(qū)域的電場分布更加均勻。

4.3.1 屏蔽罩半徑對內(nèi)部電場分布的影響

為研究屏蔽罩尺寸對真空滅弧室內(nèi)部電場分布的影響，當其他條件不變時，只改變屏蔽罩的半徑，對比計算真空滅弧室內(nèi)部的電場分布。分別取屏蔽罩半徑為46.25、48.75和51.25 mm時的情況進行分析，對從靜觸頭下端面外緣處沿徑向到屏蔽罩內(nèi)側(cè)路徑的電場強度進行對比，得到不同屏蔽罩半徑的真空滅弧室沿路徑方向的電場分布曲線如圖7所示。

圖7 不同屏蔽罩半徑的真空滅弧室沿路徑方向的電場分布曲線Fig.7 Electric field distribution curve of different shielding radius vacuum arcing chamber along the direction

從圖7可以看出:1)從三條曲線的趨勢來看，在靜觸頭下端面的外緣處附近，電場強度快速上升，但是隨著與靜觸頭距離的增大，電場強度逐漸下降，并且最終趨于平緩。這是因為在靜觸頭下端面的外緣處附近區(qū)域的面積較小，導致這部分區(qū)域的電荷分布相對集中，所以這部分區(qū)域的電場強度會快速上升。但隨著與靜觸頭距離的增大，電荷分布逐漸均勻，電場強度逐步下降，最終趨于平緩。2)屏蔽罩半徑為46.25 mm時，所選路徑最大電場強度為1.23×106V/m;而屏蔽罩半徑增加到51.25 mm時，最大電場強度下降為6.75×105V/m。所以，在一定范圍內(nèi)，隨著屏蔽罩半徑的增大，屏蔽罩與觸頭之間的電場強度明顯減小而且電場分布更加均勻。

4.3.2 屏蔽罩翻邊開口處半徑對內(nèi)部電場分布的影響

為了研究屏蔽罩翻邊開口處半徑對周圍電場分布的影響，當其他條件不變時，只改變屏蔽罩翻邊開口處的半徑，對比計算真空滅弧室內(nèi)部的電場分布。取屏蔽罩翻邊開口處半徑分別為2.5、3和3.5 mm時的情況進行分析，對從屏蔽罩翻邊處開口處內(nèi)側(cè)沿徑向到屏蔽罩外緣的路徑的電場強度進行對比，得到不同屏蔽罩翻邊開口處半徑的真空滅弧室沿路徑方向的電場分布曲線如圖8所示。

圖8 不同屏蔽罩翻邊開口處半徑的真空滅弧室沿路徑方向的電場分布曲線Fig．8 Electric field distribution curve in different shielding flange opening radius vacuum arcing chamber along the path

從圖8可以看出:1)從三條曲線的趨勢來看，在屏蔽罩翻邊開口處附近電場強度快速上升，并且達到最大值，但隨著與屏蔽罩翻邊開口處距離的增大，電場強度逐步下降，最終趨于平緩。這是因為屏蔽罩翻邊開口處的面積很小，這部分區(qū)域的電場分布也相對集中。雖然這部分區(qū)域的電場強度遠低于動、靜觸頭之間的電場強度，但是由于屏蔽罩翻邊開口處的材料比較薄，絕緣性能比較差，所以此處也是真空滅弧室絕緣性能的薄弱點。2)屏蔽罩翻邊開口處半徑為2.5 mm時，所選路徑最大電場強度為1.64×105V/m;而屏蔽罩翻邊開口處的半徑增加到3.5 mm時，最大電場強度下降為1.4×105V/m。所以，在一定范圍內(nèi)，隨著屏蔽罩翻邊開口處的半徑的增大，屏蔽罩翻邊開口處附近區(qū)域的電場強度略有減小而且電場分布更加均勻。

4.3.3 主屏蔽罩翻邊開口朝向?qū)?nèi)部電場分布的影響

為了研究屏蔽罩翻邊開口朝向?qū)χ車妶龇植嫉挠绊?，在其余部分結(jié)構(gòu)和條件不變的情況下，只改變屏蔽罩翻邊開口的朝向，對比計算真空滅弧室內(nèi)部的電場分布。分別取屏蔽罩翻邊內(nèi)翻與外翻時的情況進行分析，對屏蔽罩與靜導電桿之間中線位置的路徑的電場強度進行對比，得到不同屏蔽罩翻邊朝向情況下沿路徑方向的電場分布曲線如圖9所示。

從圖9可以看出:當保證同樣絕緣間隙時，屏蔽罩翻邊開口朝向滅弧室外側(cè)時，所選路徑的最大電場強度為3.37×105V/m;而屏蔽罩翻邊開口朝向滅弧室內(nèi)側(cè)時，最大電場強度上升為3.52×105V/m。因此，屏蔽罩翻邊開口朝向滅弧室外側(cè)時，屏蔽罩與靜導電桿之間區(qū)域的電場強度比較小。

圖9 不同屏蔽罩翻邊朝向情況下沿路徑方向的電場分布曲線Fig.9 Electric field distribution curve of different shielding flanging towards the case along the path

5 結(jié)論

1)真空滅弧室內(nèi)部電場強度的最大值出現(xiàn)在靜觸頭表面邊緣處，此處是絕緣的薄弱點。

2)單純改變動、靜觸頭之間的開距，真空滅弧室的絕緣性能不能得到明顯改善。

3)在一定范圍內(nèi)，隨著屏蔽罩半徑的增大，屏蔽罩與觸頭之間的電場強度明顯減小。

4)屏蔽罩翻邊開口外翻時的屏蔽罩周圍區(qū)域的電場分布比內(nèi)翻時小，而且隨著蔽罩翻邊開口處半徑的增大，翻邊開口處附近區(qū)域的電場強度下降。

［1］NIMS J W．SMITH R E．Application of a genetic algorithm to power transformer design［J］．Electric Machines and Power Systems，1995，24(10):669 680．

［2］SHOKICHI It O，KAWASE Y，MORI H．3D finite element analysis of magnetic blowout force acting on the arc in molded case circuit breakers［J］． IEEE Transaction on Magnetics，1997，33(2):2053 2056．

［3］WEXLER A．Finite-element field analysis of an inhomogeneous，an isotropic，reluctance machine rotor［J］．Journal of Beijing Institute of Technology，1999，8(2):12 15．

［4］WEIMERS L．HVDC Light——A New Technology for a Better Environment［J］．IEEE Power Engineering Review，1998，18(8):19 20．

［5］梁淑華，范志康，胡銳．CuCr50觸頭材料優(yōu)化熱處理工藝研究［J］．金屬熱處理學報，2000(3):66 70．LIANG Shuhua，F(xiàn)AN Zhikang，HU Rui．Investigation on the optimum heat treatment process of CuCr50 contact materials［J］．Transactions of Metal Heat Treatment，2000(3):66 70．

［6］李禹成．小型化真空滅弧室的研究與設(shè)計［D］．西安:西安交通大學，2008．LI Yucheng．Study and design of small scale vacuum interrupter［D］．Xi’an:Xi’an Jiaotong University，2008．