基于ansys的三相點電場分析及優(yōu)化

王命梅

摘 要：在高壓設(shè)備絕緣中，各種絕緣材料的氣固交界面是絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是三相接合點位置易受工藝、外界污穢、顆粒、氣體環(huán)境等影響，造成電場在三相點區(qū)域高度集中，發(fā)生電暈，甚至引起閃絡(luò)，降低產(chǎn)品的絕緣性能。本文通過靜電場模擬軟件計算三相點區(qū)域電力線分布及電場強(qiáng)度，分析了通過電場導(dǎo)向改變電力線走向，來降低三相點處的電場強(qiáng)度，獲得滿足設(shè)計需求的三相點區(qū)域電場強(qiáng)度，從而抑制三相點區(qū)域沿面閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生，提高產(chǎn)品的絕緣性能。

關(guān)鍵詞：三相點；電場導(dǎo)向；電場強(qiáng)度

中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)設(shè)備，在斷路器故障類型中，絕緣故障甚至威脅著電網(wǎng)的安全運行。而極柱絕緣設(shè)計是高壓斷路器設(shè)計的重要部分，提高極柱的絕緣水平的絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為設(shè)計的重點。

1.三相點

三相點是3種媒質(zhì)的接合點：如氣體（空氣或SF6），導(dǎo)體，絕緣體相互接觸或非常接近的點或區(qū)域。在高電壓下，如果一個導(dǎo)體放置于絕緣體小于3mm的位置，就有三相點的存在。由于制作工藝的原因，產(chǎn)品在澆注過程有時會不可避免地在結(jié)合處產(chǎn)生氣泡或收縮，無法實現(xiàn)理想配合，在空氣、絕緣體、導(dǎo)體間三相點區(qū)域容易造成電場高度集中，在足夠的電場作用下，三相點區(qū)域容易產(chǎn)生電子發(fā)射，是閃絡(luò)和擊穿發(fā)生的激勵源。因此，在高壓產(chǎn)品的絕緣設(shè)計中，需要特別關(guān)注產(chǎn)品的三相點電場強(qiáng)度，應(yīng)盡可能減小三相點區(qū)域電場強(qiáng)度。

本文采用靜電場數(shù)值仿真方法，詳細(xì)模擬計算了40.5kV戶外真空斷路器極柱三相點區(qū)域的電力線分布及電場強(qiáng)度。通過改變?nèi)帱c附近絕緣體及導(dǎo)體形狀，比較了多種結(jié)構(gòu)極柱三相點區(qū)域的電力線分布及電場強(qiáng)度，尋找可以有效地減小導(dǎo)體、絕緣體、氣體三結(jié)合點處的電場強(qiáng)度的極柱結(jié)構(gòu)，從而幫助指導(dǎo)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高絕緣性能。

2.電場計算及分析

2.1 計算模型

40.5kV戶外真空斷路器極柱電場仿真模型示意圖如圖1所示。因為斷路器極柱結(jié)構(gòu)為軸對稱，故只用簡化的二維軸對稱模型即可推知整體的電場分布。圖1中，A為上接線板導(dǎo)體；B為下接線板導(dǎo)體；C為環(huán)氧絕緣體；D為空氣；放大區(qū)域的空氣、環(huán)氧、銅嵌件結(jié)合點即三相點。

2.2 計算及結(jié)果分析

按高壓斷路器產(chǎn)品絕緣設(shè)計規(guī)則，產(chǎn)品絕緣設(shè)計允許的最大電場強(qiáng)度與其所處的環(huán)境（如是否存在污染，是否為合模線，是否是三相點）及電場方向有關(guān)。本文計算假設(shè)了極柱三相點處于受污染的、合模線、電場方向平行于環(huán)氧表面，即PJT//狀態(tài)。故按高壓斷路器產(chǎn)品的絕緣設(shè)計規(guī)則，在PJT//狀態(tài)，推薦的三相點允許最大電場強(qiáng)度值是0.07kV/mm，表明了三相點區(qū)域電場強(qiáng)度應(yīng)盡可能小。

（1）由圖1初始極柱設(shè)計模型仿真的電力線及電場強(qiáng)度分布云圖如圖2所示。由圖可知，在三相點區(qū)域，其最大電場強(qiáng)度值約為0.34kV/mm（圖中的計算單位是V/m，轉(zhuǎn)換1kV/mm=10-6V/m），大幅超過了其允許的電場強(qiáng)度值。

由于電場強(qiáng)度主要與其分布有關(guān)，故通過電場導(dǎo)向改變電力線走向，可以改變電場分布，降低電場強(qiáng)度。以下即仿真分析了幾種不同結(jié)構(gòu)極柱三相點區(qū)域的電力線分布及電場強(qiáng)度。

（2）改變環(huán)氧形狀，增加環(huán)氧和下接線板間隙，間隙由0.5mm增加到3mm來改變?nèi)帱c的電場，其電力線及電場強(qiáng)度分布云圖如圖3所示。由圖可知，由于加大導(dǎo)體和絕緣體的間隙，在三相點區(qū)域，其最大電場強(qiáng)度值約為0.24kV/mm。比較圖2和圖3，受環(huán)氧形狀影響，電力線走向發(fā)生改變，由于間隙增加較小，小幅地降低了三相點處的電場強(qiáng)度。

（3）改變下接線板形狀，增加下接線板外徑，試圖改變?nèi)帱c區(qū)域電力線走向，來改變?nèi)帱c的電場分布，其電力線及電場強(qiáng)度分布云圖如圖4所示。由圖可知，在三相點區(qū)域，其最大電場強(qiáng)度值約為0.06kV/mm，小于推薦的三相點允許最大電場強(qiáng)度0.07kV/mm，滿足PJT//狀態(tài)高壓斷路器產(chǎn)品絕緣設(shè)計規(guī)則。比較圖2和圖4，受下接線板形狀影響，電力線走向發(fā)生較大改變，影響了三相點區(qū)域的電場分布，大幅降低了三相點處的電場強(qiáng)度。

比較以上幾種結(jié)構(gòu)極柱三相點區(qū)域電力線及電場強(qiáng)度分布圖及數(shù)值，其結(jié)果表明，對于40.5kV戶外真空斷路器極柱三相點的電場，增大三相點附近的下接線板外徑，可以有效地降低其三相點電場強(qiáng)度。該仿真結(jié)果同時指導(dǎo)了本公司該產(chǎn)品的極柱優(yōu)化設(shè)計，對樣機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

結(jié)論

綜合以上幾種結(jié)構(gòu)分析看出，通過改變?nèi)帱c附近絕緣體或?qū)w形狀，可以改變電力線走向。在實際產(chǎn)品設(shè)計中，可以通過改變絕緣體或?qū)w形狀的電場導(dǎo)向法，尋求適合本產(chǎn)品的可以有效降低三相點區(qū)域電場強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的絕緣設(shè)計。

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