場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電場(chǎng)數(shù)值模擬

詹艷艷,劉曉明,王艷梅,王海生

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870;3.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,天津 300387;4.沈陽(yáng)理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電場(chǎng)數(shù)值模擬

詹艷艷1,2,劉曉明3,王艷梅4,王海生1

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870;3.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,天津 300387;4.沈陽(yáng)理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

針對(duì)重復(fù)頻率、緊湊型Marx發(fā)生器設(shè)計(jì)一種小間隙場(chǎng)畸變?nèi)姌O氣體開(kāi)關(guān)。最高工作電壓60kV,開(kāi)關(guān)主電極間隙5mm,以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。對(duì)三電極開(kāi)關(guān)實(shí)際工作情況進(jìn)行電場(chǎng)數(shù)值模擬,結(jié)果表明,主放電電極邊緣橢圓倒角結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)電場(chǎng)均勻度,增加使用壽命。對(duì)開(kāi)關(guān)絕緣支撐設(shè)計(jì)傘裙結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明,絕緣支撐可增加主電極電場(chǎng)強(qiáng)度同時(shí)降低電極邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度,保證開(kāi)關(guān)安全可靠穩(wěn)定工作。

脈沖功率;三電極開(kāi)關(guān);絕緣;數(shù)值模擬

高功率脈沖系統(tǒng)[1]一般包括以下幾個(gè)部分:初級(jí)能源、中間儲(chǔ)能系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)系統(tǒng)和負(fù)載。有些脈沖功率系統(tǒng)還包括脈沖形成系統(tǒng)。其中初級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)多使用Marx發(fā)生器[2-3],而開(kāi)關(guān)元件則根據(jù)系統(tǒng)的要求和放置的位置不同而有所區(qū)別。用在Marx發(fā)生器中的開(kāi)關(guān),工作電壓在幾十到幾百千伏,單個(gè)開(kāi)關(guān)的放電電流一般小于百千安培、放電時(shí)間為微秒量級(jí)。由于Marx發(fā)生器需要多個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)工作還要求其同步性好且導(dǎo)通時(shí)間分散性小,因此在兩極氣體開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)觸發(fā)極,用以控制氣體開(kāi)關(guān)同步擊穿,形成三電極氣體開(kāi)關(guān)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三電極氣體開(kāi)關(guān)的研究工作主要集中在開(kāi)關(guān)材料、結(jié)構(gòu)及其耐燒蝕性等方面[4-8],觸發(fā)極多采用針尖狀[9],此種方式觸發(fā)速度較快,但觸發(fā)壽命被嚴(yán)重限制,進(jìn)而影響整個(gè)開(kāi)關(guān)壽命。本文針對(duì)重復(fù)頻率Marx發(fā)生器對(duì)開(kāi)關(guān)的要求設(shè)計(jì)一種電場(chǎng)分布較均勻的三電極氣體開(kāi)關(guān),為增加整體開(kāi)關(guān)壽命,觸發(fā)極也采用圓板型。絕緣支撐設(shè)計(jì)為傘裙結(jié)構(gòu)可保證開(kāi)關(guān)安全可靠運(yùn)行,同時(shí)給出開(kāi)關(guān)的物性參數(shù)并對(duì)其電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

1 三電極氣體開(kāi)關(guān)物理設(shè)計(jì)

三電極氣體開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)基本指標(biāo):最高工作電壓60kV,脈沖峰值電流大于60kA,壽命大于106次。由于對(duì)開(kāi)關(guān)壽命要求較高,除需選用抗燒蝕能力強(qiáng)的材料外還必須防止電弧集中于電極的某一點(diǎn),應(yīng)使開(kāi)關(guān)電極表面電場(chǎng)分布均勻以增加電極壽命。

1.1 電極形狀的選擇

常用的氣體開(kāi)關(guān)形狀有球型、圓柱型、半球頭型、平球頭型等。在相同氣壓下,開(kāi)關(guān)內(nèi)電場(chǎng)分布越均勻擊穿電壓越高,同時(shí)可以增加開(kāi)關(guān)的使用壽命。因此選擇電場(chǎng)均勻度最好的平球頭型。

觸發(fā)極的設(shè)計(jì)是根據(jù)場(chǎng)畸變?cè)?在觸發(fā)時(shí)刻,電場(chǎng)畸變程度越高開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間越小,因此多數(shù)觸發(fā)電極設(shè)計(jì)為針尖狀。但對(duì)于三電極氣體開(kāi)關(guān),觸發(fā)電極燒蝕會(huì)改變內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)構(gòu),影響觸發(fā)性能,降低使用壽命。由于設(shè)計(jì)要求優(yōu)先考慮使用壽命,本設(shè)計(jì)選擇為平板型結(jié)構(gòu)。同時(shí)為保證電場(chǎng)的均勻性,對(duì)主電極上下極板做橢圓倒角(橢圓長(zhǎng)軸6mm,短軸為4mm)。整個(gè)三電極氣體開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 三電極開(kāi)關(guān)電極結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電極間距確定

通過(guò)提高絕緣氣體氣壓,在一定范圍內(nèi)可以提升擊穿電壓,但氣壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致三電極開(kāi)關(guān)自擊穿電壓分散性大,使開(kāi)關(guān)可靠性降低,同時(shí)對(duì)整個(gè)封閉腔體氣密性要求高,實(shí)現(xiàn)難度大。為在較小極間距情況下保證一定工作電壓選擇絕緣強(qiáng)度較高的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)[10]。

對(duì)均勻電場(chǎng)分布的氣體開(kāi)關(guān)內(nèi)充入干燥空氣或氮?dú)鈺r(shí),擊穿電壓與氣壓和間隙乘積的近似關(guān)系[11]如下:

(1)

式中:Ub為擊穿電壓,kV;p為氣體壓強(qiáng),0.1MPa;d為電極間距,cm。在均勻電場(chǎng)中,以SF6為絕緣介質(zhì)間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為同等條件下空氣間隙的三倍[12]。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到在1～4個(gè)大氣壓下、電極間距為4～6mm時(shí),開(kāi)關(guān)理論擊穿電壓值與欠壓比結(jié)果,如表1所示。

表1 不同間距不同氣壓時(shí)開(kāi)關(guān)自擊穿電壓理論值

由于氣體開(kāi)關(guān)自擊穿電壓具有一定分散性,為保證其不會(huì)在小于工作電壓時(shí)自擊穿必須留有一定域度。根據(jù)表1可知,2個(gè)氣壓下開(kāi)關(guān)間隙在5mm左右較合適。

1.3 絕緣支撐設(shè)計(jì)

可靠的絕緣設(shè)計(jì)是三電極氣體開(kāi)關(guān)穩(wěn)定工作的前提。工程實(shí)踐研究表明,氣體開(kāi)關(guān)失效很大程度上是由于開(kāi)關(guān)絕緣表面發(fā)生沿面放電。

絕緣介質(zhì)表面電場(chǎng)具有切向分量和法向分量,當(dāng)法向分量較大時(shí),介質(zhì)表面各處的電場(chǎng)強(qiáng)度差異較大,沿面放電電壓很低,易由局部的沿面放電形成沿面閃絡(luò),閃絡(luò)放電通道溫度較高,足以損毀絕緣表面,造成開(kāi)關(guān)失效。

基于以上分析,本設(shè)計(jì)選擇12個(gè)聚四氟乙烯絕緣支撐與整個(gè)電極緊配合,減小電極間接觸電阻和電感。同時(shí)在絕緣支撐表面設(shè)計(jì)傘裙結(jié)構(gòu)(半徑比支撐柱主體大0.5mm,兩兩間隔0.5mm,傘裙寬度為0.5mm)以增加爬電距離,提高沿面閃絡(luò)電壓,防止絕緣擊穿。

1.4 三電極開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)

由于三電極開(kāi)關(guān)放置于緊湊型Marx發(fā)生器中,對(duì)三電極氣體火花開(kāi)關(guān)的物性參數(shù)有其特殊的要求,經(jīng)計(jì)算具體參數(shù)如下:上下極板中心電極直徑均為80mm、高度為5mm;中間觸發(fā)極板直徑142mm、厚8mm;兩極板中心電極與觸發(fā)電極極間距從2.8～5.3mm氣隙可調(diào),材料為不銹鋼304。開(kāi)關(guān)模型剖面如圖2所示。

圖2 三電極氣體開(kāi)關(guān)模型剖面圖

2 基于有限元法的電場(chǎng)計(jì)算與分析

2.1 物理數(shù)學(xué)模型

由靜電場(chǎng)基本方程可得出在各向同性、線性介質(zhì)中電位φ滿足泊松方程Δ2φ=-ρ/ε,當(dāng)場(chǎng)域中無(wú)空間電荷時(shí)滿足拉普拉斯方程Δ2φ=0,其中:Δ為拉普拉斯算子;ρ為自由電荷密度;ε為介電常數(shù)。

在不同介質(zhì)分界面上,場(chǎng)量滿足邊界條件

(2)

(3)

式中,Ω為φ的定義域;Γ為定義域的閉合邊界。則整個(gè)計(jì)算場(chǎng)域內(nèi)變分問(wèn)題方程即可表示為

(4)

令F(φ)對(duì)φ的導(dǎo)數(shù)等于零,就可得到線性代數(shù)方程組:

Kφ=0

(5)

上式中,系數(shù)矩陣K又稱為剛度矩陣,利用邊界條件,可求出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位。由電位即可求電場(chǎng)強(qiáng)度等物理量。三電極氣體開(kāi)關(guān)物理模型如圖3所示。

圖3 三電極氣體開(kāi)關(guān)物理模型

2.2 電場(chǎng)分布

二維和三維電場(chǎng)計(jì)算邊界條件設(shè)置:兩個(gè)大氣壓下,主電極電壓分別加載為±84.93kV,觸發(fā)極與實(shí)驗(yàn)密封腔外部接地。取SF6氣體介電常數(shù)1.0024,絕緣支撐材料為聚四氟乙烯,介電常數(shù)為2.55。

在三電極開(kāi)關(guān)正負(fù)極板加載電壓為±84.93kV,觸發(fā)極接地時(shí),密封腔內(nèi)電位分布如圖4所示。

圖4 電位分布

重復(fù)頻率Marx發(fā)生器用三電極氣體開(kāi)關(guān)對(duì)壽命要求較高,開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí),擊穿通常會(huì)發(fā)生在電極表面曲率半徑小的區(qū)域,反復(fù)擊穿后該區(qū)域燒蝕將會(huì)嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)壽命。因此針對(duì)開(kāi)關(guān)主電極邊緣圓倒角和橢圓倒角兩種情況進(jìn)行電場(chǎng)分析,結(jié)果如圖5所示。

圖5 三電極開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布(無(wú)絕緣)

主電極邊緣為圓倒角時(shí)最大電場(chǎng)強(qiáng)度值為2×107V/m,橢圓倒角時(shí)最大電場(chǎng)強(qiáng)度值為1.86×107V/m,在相同電極尺寸下,最大電場(chǎng)強(qiáng)度小的電場(chǎng)分布越均勻,顯然主電極邊緣采用橢圓倒角時(shí)擊穿區(qū)域更大,開(kāi)關(guān)壽命越長(zhǎng)。

對(duì)三電極開(kāi)關(guān)實(shí)際工作情況有絕緣支撐時(shí)進(jìn)行電場(chǎng)仿真,結(jié)果如圖6所示。

圖6 三電極氣體開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布(有絕緣)

有絕緣支撐時(shí),主電極最大電場(chǎng)強(qiáng)度值為1.95×107V/m,比無(wú)絕緣支撐時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度略大。有絕緣支撐時(shí)電極邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度為1.3×107V/m,無(wú)絕緣支撐時(shí)電極邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度為1.39×107V/m。有絕緣支撐時(shí)邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度略小于無(wú)絕緣支持時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度值,可進(jìn)一步防止此區(qū)域發(fā)生擊穿。

由絕緣支撐表面電場(chǎng)分布可知,傘裙內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度值為0.853×107V/m。聚四氟乙烯擊穿場(chǎng)強(qiáng)為100kV/mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傘裙內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度值,可保證絕緣不會(huì)被擊穿。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于可重復(fù)頻率、緊湊型Marx發(fā)生器的場(chǎng)畸變?nèi)姌O開(kāi)關(guān),給出具體結(jié)構(gòu)尺寸。針對(duì)開(kāi)關(guān)工作情況進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真分析。結(jié)果表明,主電極邊緣橢圓倒角時(shí)電場(chǎng)分布更均勻,可增加開(kāi)關(guān)使用壽命。

對(duì)絕緣支撐的電場(chǎng)仿真分析表明,開(kāi)關(guān)在有絕緣支撐時(shí)可增加主電極內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度,減小電極邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度,有利于保證擊穿在主電極內(nèi)部區(qū)域發(fā)生。同時(shí)針對(duì)主電極加載電壓為±84.93kV時(shí),聚四氟乙烯絕緣強(qiáng)度足以保證其不會(huì)被擊穿,符合設(shè)計(jì)要求。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

DesignoftheThree-electrodeGasSwitchInsulationStructureandElectricalFieldNumericalSimulation

ZHAN Yanyan1,2,LIU Xiaoming3,WANG Yanmei1,WANG Haisheng1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.College of Equipment Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110159,China;3.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

A small gap three-electrode gas switch used in repetition frequency for compact Marx generator was designed.The Maximum operating voltage of this switch is 60kV.The main electrode gap is 5mm.And the switch uses the pure SF6as insulating medium.The electric field of the three-electrode gas switch in the actual working conditions is simulated.The results show that the main discharge electrode edges chamfered oval structure can effectively enhance the uniformity of the electric field,increase the service life.The insulating support surface is designed for the switch.The simulation results show that the insulating support can increase the electric field strength of primary electrode while reducing the electric field strength of the electrode edge,and ensure safe,reliable and stable operation of the switch.Keywordspulsed power;three-electrode gas switch;insulation;numerical simulation

2016-12-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377106)；沈陽(yáng)理工大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放基金

詹艷艷(1981—)，女，講師，研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)、脈沖功率技術(shù)。

1003-1251(2017)04-0007-04

TM854

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