真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布的分析與仿真

張 洋，莊火庚

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

真空斷路器以其優(yōu)良的開(kāi)斷性能得到了廣泛應(yīng)用，特別是在中壓領(lǐng)域，真空斷路器已經(jīng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)［1］。隨著真空技術(shù)的迅速發(fā)展，真空斷路器在滿足其性能要求的基礎(chǔ)上，也在不斷向小型化發(fā)展，作為真空斷路器的核心部件，真空滅弧室的優(yōu)化設(shè)計(jì)也顯得越來(lái)越重要。

真空滅弧室內(nèi)部的絕緣水平主要由內(nèi)部電場(chǎng)分布決定，對(duì)于真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布的分析是一項(xiàng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)絕緣問(wèn)題，因此這里從真空滅弧室內(nèi)部靜電場(chǎng)分析著手，運(yùn)用Ansoft Maxwell軟件中的靜電場(chǎng)分析功能，對(duì)真空滅弧室內(nèi)部元件，在不同形狀和結(jié)構(gòu)時(shí)的靜電場(chǎng)進(jìn)行分析比較，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使其內(nèi)部電場(chǎng)分布滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而得出絕緣性能良好的真空滅弧室優(yōu)化設(shè)計(jì)［2］。

1 真空滅弧室組成及其工作原理

真空滅弧室也叫真空泡或真空開(kāi)關(guān)管，是真空斷路器的核心器件之一。真空滅弧室內(nèi)密封了一對(duì)的電極和其它一些零件，利用真空中優(yōu)良的熄弧能力和絕緣性能，實(shí)現(xiàn)電路的合分。在電源被切斷后，真空滅弧室內(nèi)的電弧能快速熄滅，電流被抑止，其主要的組成部分如圖1所示。

圖1 真空滅弧室的內(nèi)部示意圖

如圖1所示，真空滅弧室的主要構(gòu)成部分包括絕緣外殼、屏蔽罩、波紋管和觸頭等［3］。其中外殼和絕緣筒保證了優(yōu)良的絕緣強(qiáng)度與氣密性;而波紋管既保證了滅弧室內(nèi)部的全密封，又是滅弧室外部操動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)不可或缺的部分;屏蔽罩采用中封式的結(jié)構(gòu)將有利于改善滅弧室內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，從而提高其絕緣強(qiáng)度;觸頭作為滅弧室中最重要的構(gòu)件之一，決定著真空滅弧室的電氣壽命與開(kāi)關(guān)能力。

真空斷路器的工作原理和其他型式的斷路器不同，是指觸頭在高真空中關(guān)合、開(kāi)端電路的開(kāi)關(guān)設(shè)備［4］。真空斷路器所采用的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)是高真空［5］。當(dāng)動(dòng)觸頭在操動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下合閘時(shí)，動(dòng)、靜觸頭閉合，電源與負(fù)載接通，電流流過(guò)負(fù)載，真空電弧依靠觸頭上蒸發(fā)出來(lái)的金屬蒸汽維持。當(dāng)工頻電流過(guò)零時(shí)，金屬蒸汽將停止蒸發(fā)，同時(shí)由于真空電弧的等離子體快速向四周擴(kuò)散，電弧就被熄滅，觸頭間隙很快速地變?yōu)榻^緣體，于是電流被分?jǐn)啵?］。

2 影響電場(chǎng)分布的因素分析

設(shè)計(jì)的真空滅弧室的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，滿開(kāi)距為9±1 mm。

圖2 12 kV真空滅弧室模型

真空滅弧室內(nèi)的各部分材料的相對(duì)介電常數(shù)如表1所示。

在計(jì)算模型中，屏蔽罩是由金屬導(dǎo)體制成，可以看作是等位體。同時(shí)由于真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在利用有限元法進(jìn)行分析時(shí)只需要對(duì)滅弧室內(nèi)部場(chǎng)域的1/2部分進(jìn)行計(jì)算，所以滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)計(jì)算原理和邊界條件是［7］:

(1)滅弧室內(nèi)部電位滿足

(2)外界空氣與絕緣外殼交界面上的電位滿足

(3)懸浮屏蔽罩上的電位

(4)動(dòng)靜觸頭與各個(gè)連接部件上電位

式中，φ1和φ2是相鄰的兩種介質(zhì)中的電位值;ε1和ε2是相鄰的兩種介質(zhì)的介電常數(shù);Qi為第i個(gè)懸浮導(dǎo)體上的電位值;Si為第i個(gè)懸浮導(dǎo)體的表面積;Ui為求解的電位值。靜電場(chǎng)情況下，懸浮屏蔽罩的正負(fù)感應(yīng)電荷量相等，即Q=0。

3 仿真模型及結(jié)果

本文利用有限元分析軟件Ansoft Maxwell進(jìn)行靜態(tài)的二維電磁場(chǎng)仿真。在斷路器實(shí)際額定工作狀況下，分別計(jì)算有無(wú)懸浮屏蔽罩與觸頭距離不同情況下滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)與電位分布。

Ansoft Maxwell中建立的真空滅弧室仿真模型如圖3所示。

圖3 真空滅弧室仿真模型

圖3中上部觸頭為動(dòng)觸頭，材料為銅，設(shè)置電位為48 kV;下部觸頭為靜觸頭，材料為銅，設(shè)置電位為0 V，兩觸頭間距離為9 mm;屏蔽罩材料為銅，設(shè)置電位為缺省值，真空滅弧室內(nèi)部材料設(shè)置為真空。

圖4和圖5分別給出了懸浮屏蔽罩對(duì)真空滅弧室內(nèi)部電位和電場(chǎng)分布影響的仿真結(jié)果。

通過(guò)圖4中電位分布圖的比較可以看出，沒(méi)有屏蔽罩的情況下，電位線主要集中在動(dòng)靜觸頭之間的空隙內(nèi)，容易引起放電，添加了屏蔽罩后，電位線沿著滅弧室軸向擴(kuò)展，大幅提高了滅弧室內(nèi)部空間的利用率，并且瓷殼沿面上的電位梯度變化比較均勻，有利于降低瓷殼沿面的擊穿率［8］。

通過(guò)圖5中有無(wú)屏蔽罩情況下電場(chǎng)分布圖的比較，可以看出屏蔽罩對(duì)滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布起到了一定的改善作用，使得真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布更加均勻，同時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大值的所在位置從導(dǎo)電桿上轉(zhuǎn)移到觸頭表面附近，這有利于真空滅弧室的絕緣［9］。

圖4 有無(wú)屏蔽罩對(duì)滅弧室內(nèi)電位分布影響

圖5 有無(wú)屏蔽罩對(duì)滅弧室內(nèi)電場(chǎng)分布影響

圖6給出了有屏蔽罩情況下增加觸頭距離到19 mm后真空滅弧室內(nèi)部電位和電場(chǎng)強(qiáng)度分布的仿真結(jié)果。

圖6 增加觸頭距離對(duì)滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)電位影響

通過(guò)圖6和上面未增加觸頭距離時(shí)滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)電位圖比較可以看出，最大電位依舊處在觸頭表面附近，場(chǎng)強(qiáng)分布仍然比較均勻，故觸頭距離增大后對(duì)滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)電位影響不大。在實(shí)際情況中，觸頭的開(kāi)距主要取決于真空斷路器的額定電壓和耐壓要求，一般額定電壓低時(shí)觸頭開(kāi)距選得較小。但開(kāi)距過(guò)小會(huì)影響分?jǐn)嗄芰湍蛪核剑?0］。開(kāi)距過(guò)大，雖然可以提高耐壓水平，但會(huì)使真空滅弧室的波紋管壽命下降。設(shè)計(jì)時(shí)一般在滿足運(yùn)行的耐壓要求下盡量將開(kāi)距選得小一些。

4 結(jié)束語(yǔ)

在真空滅弧室中設(shè)置屏蔽罩能夠有效減少真空滅弧室絕緣外殼處的場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)使得內(nèi)部的電位分布更加均勻。觸頭開(kāi)距對(duì)于真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布影響不大，開(kāi)距的大小應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的距離。Ansoft Maxwell仿真軟件的應(yīng)用，為設(shè)計(jì)者提供了依據(jù)，縮短了設(shè)計(jì)周期，經(jīng)過(guò)Ansoft Maxwell仿真軟件優(yōu)化過(guò)的真空滅弧室，內(nèi)部絕緣水平得到了大幅提高，進(jìn)一步滿足了市場(chǎng)的需要。

［1］王季梅.真空開(kāi)關(guān)理論及其應(yīng)用［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1986.

［2］鄒積巖，程禮椿，秦紅三.真空開(kāi)關(guān)介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)的研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，18(4):9 －14.

［3］文化賓.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的新型高壓真空開(kāi)關(guān)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［4］王季梅.真空滅弧室設(shè)計(jì)、制造及其應(yīng)用［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1993.

［5］李建基.高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)的最新發(fā)展［J］.電氣制造，2012(1):26－32.

［6］張德明.真空分接開(kāi)關(guān)技術(shù)的論述［J］.變壓器，2011(9):12－16.

［7］馮亞清，馬志瀛，劉韜，等.真空斷路器滅弧室外表面絕緣及其電場(chǎng)計(jì)算［J］.高電壓技術(shù)，2003，29(3):18－20.

［8］華爭(zhēng)祥.高壓斷路器三維電場(chǎng)數(shù)值仿真［D］.沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2000.

［9］Stoving P N，Bestel E F.Finite element analysis of AMF vacuum contacts［C］.Netherlands:IEEE 18th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Eindhoven，1998:522 －529.

［10］Fenski B，Lindmayer M.Vacuum interrupters with axial field contacts 3－Dfinite element simulation and switching experiments［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1997，4(4):407 －412.