基于有限元分析的開關(guān)柜內(nèi)部電場(chǎng)的改善

李 靜

（西門子中壓開關(guān)技術(shù)（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 問題的提出

SIMOSEC WORLD系列開關(guān)柜在SIMSEC12的基礎(chǔ)上將電壓等級(jí)提升到24 kV，可以在不改變空間凈距離情況下，僅改變相應(yīng)絕緣件爬距實(shí)現(xiàn)目的。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，24 kV開關(guān)柜無法滿足耐受電壓65 kV、雷電沖擊電壓125 kV的要求，會(huì)導(dǎo)致一些危險(xiǎn)位置發(fā)生放電現(xiàn)象，或者個(gè)別位置發(fā)生局部擊穿。因此，均勻氣箱內(nèi)部電場(chǎng)，改善氣箱內(nèi)部整體的電場(chǎng)環(huán)境，顯得尤為重要。利用有限元軟件對(duì)其電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，改善整個(gè)電場(chǎng)的計(jì)算方法，不僅可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，也可以為設(shè)計(jì)工程師提供指導(dǎo)。

2 分析與計(jì)算方法

電極表面形狀和電極間距離對(duì)電暈有很大影響。尖角的存在，容易引起擊穿，降低電暈。所以，氣箱內(nèi)部不允許有尖銳的突起、劃痕和焊接殘?jiān)Ｍ瑫r(shí)，為了避免極不均勻電場(chǎng)的出現(xiàn)，在零件的倒角部位應(yīng)盡量增加圓弧半徑或者增加屏蔽罩，應(yīng)避免棒-球空間設(shè)計(jì)，盡量使用電場(chǎng)更加均勻的同軸圓柱設(shè)計(jì)或同心球面設(shè)計(jì)。當(dāng)產(chǎn)品升級(jí)到24 kV時(shí)，相-相、相-地存在多處放電情況。對(duì)于靜刀片，刀片底部到左側(cè)板和上部加強(qiáng)筋都存在放電現(xiàn)象，而刀片底部的尖角是引起放電的主要原因。因此，需要改善底部的尖角來均勻局部的電場(chǎng)強(qiáng)度。采用有限元法對(duì)開關(guān)柜的氣箱進(jìn)行電場(chǎng)分析，其與其他的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法相較有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。它能使復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜邊界條件的定解問題得到答案，并能勝任非線性問題和時(shí)變場(chǎng)的計(jì)算和分析，在電磁數(shù)值計(jì)算中占有主導(dǎo)地位。單元之間只靠節(jié)點(diǎn)相連。由于單元形狀簡(jiǎn)單，易從平衡關(guān)系和能量關(guān)系的基礎(chǔ)上建立節(jié)點(diǎn)量的方程式[1-2]。

在T的實(shí)驗(yàn)中，相間沿軸的放電比較嚴(yán)重，主要因?yàn)門柜的刀片較R柜偏小，導(dǎo)致銷子的兩端電場(chǎng)很不均勻，易造成相間的沿面放電。在稍不均勻電場(chǎng)中，隨著電極距離的增大，會(huì)因?yàn)閾舸╇妷涸鲩L(zhǎng)逐漸變慢而出現(xiàn)電壓增長(zhǎng)飽和的現(xiàn)象。同時(shí)，在SIMOSEIC12研發(fā)時(shí)，箱體的空間已經(jīng)達(dá)到工裝的飽和，電極間距離的增大很難實(shí)現(xiàn)。因此，將重點(diǎn)放到結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布的均勻性上。為了平衡T柜電場(chǎng)，最有效的辦法是減短銷釘?shù)拈L(zhǎng)度，簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。對(duì)計(jì)算場(chǎng)域進(jìn)行三角剖分，輸入各材料的介電常數(shù)、邊界條件及邊界坐標(biāo)。計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息，按照具體公式進(jìn)行計(jì)算，最終得到輸出場(chǎng)域各點(diǎn)電場(chǎng)及電位值。本實(shí)驗(yàn)采用自動(dòng)網(wǎng)格剖分、局部細(xì)化的劃分網(wǎng)格方式，大大提高了計(jì)算精度和速度[3]。

圖1 新舊銷釘

從圖2、圖3的電勢(shì)線可以看出，本次實(shí)驗(yàn)有效降低了電場(chǎng)值。將本次設(shè)計(jì)同樣應(yīng)用于R柜，通過改善第三相銷釘對(duì)后板的放電來降低銷釘處的電場(chǎng)強(qiáng)度。由于建立的模型與實(shí)際模型有部分差異，不能建立一個(gè)更完整和復(fù)雜的模型用于有限元分析。因此，需要實(shí)驗(yàn)來做進(jìn)一步驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，更改后的設(shè)計(jì)完全可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 原模型等勢(shì)線

圖3 新模型等勢(shì)線

多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滅弧線圈會(huì)對(duì)氣箱上板放電。滅弧線圈處于三種材料的結(jié)合點(diǎn)，在氣體、電極與固體絕緣介質(zhì)的交界處，電場(chǎng)強(qiáng)度提高，因而會(huì)形成絕緣的弱點(diǎn)。電場(chǎng)提高的程度與電極和固體絕緣的接觸角θ有關(guān)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，接觸角有兩類，如圖4所示。當(dāng)接觸角θ=0時(shí)，接合處電場(chǎng)強(qiáng)度E最低，與沒有固體絕緣時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度E1之比K如下。

在SF6側(cè)：

在固體絕緣側(cè)：

其中，εg為氣體介電常數(shù)，εd為絕緣材料的介電常數(shù)[4]。

圖4 接觸角類型

所以，在新方案設(shè)計(jì)中，會(huì)優(yōu)化滅弧線圈。通過對(duì)滅弧磁體原模型進(jìn)行分析，可以找到電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值，而金屬對(duì)螺母夾板放電。通過電場(chǎng)分析可以優(yōu)化模型，增大曲率半徑，由R10增大到R40。通過有限元分析，在圖5和圖6中可以觀察到，修改后R=40的模型中，滅弧線圈金屬導(dǎo)體與夾板的等勢(shì)線變化明顯趨于緩慢、均勻，因此對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)改善。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，修改后的模型完全滿足24 kV開關(guān)柜雷電沖擊實(shí)驗(yàn)和工頻實(shí)驗(yàn)的要求。

圖5 R10等勢(shì)線

圖6 R40等勢(shì)線

3 結(jié) 論

由以上分析可知，在設(shè)計(jì)開關(guān)柜的導(dǎo)體形狀時(shí)，應(yīng)盡量避免小的尖角產(chǎn)生電場(chǎng)值的尖端集中，可以采取增加倒角半徑來均勻電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到整體電場(chǎng)值的優(yōu)化。