靜電場中邊界條件對場強的影響研究

杜道忠， 吳中友， 王智勇， 張廣泰， 方太勛

(1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州213025；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211100)

0 引 言

柔性直流輸電技術(shù)是解決新能源并網(wǎng)和消納問題的有效技術(shù)手段之一，高壓直流斷路器是其中的關(guān)鍵設(shè)備，對柔性直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運行有著極其重要的作用[1]。由于高壓直流斷路器的電壓較高，需在斷路器的每一層上安裝屏蔽罩。因此，研究屏蔽罩上場強的分布就顯得尤其重要。

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)也隨之飛速發(fā)展，力、磁場、電場等皆可以用仿真進行分析和計算，從而得到更加直觀的云圖和數(shù)據(jù)[2-3]。在電磁場仿真方面，應(yīng)用較為普遍的是Ansoft Maxwell，它與眾多的仿真軟件一樣，通過求解方程或者矩陣的形式來仿真計算電磁場。因此，電磁場的分析和計算也可以歸結(jié)為求微分方程的解[4-7]。對于微分方程，其中的任意常數(shù)確定之后，其解就有且只有一個。但偏微分方程，要想其解有且只有一個，其輔助條件可以有兩種情況。其中一種就是表達場的邊界所處的物理情況，稱為邊界條件[8-9]。

在本文中，將著重研究在仿真分析過程中，邊界設(shè)置時，分別設(shè)置為默認邊界條件和實體邊界條件兩種情況下，屏蔽罩上場強數(shù)值和分布不同之處。從而對后期屏蔽罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化和場地建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 分析前處理

在高壓設(shè)備中，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常會出現(xiàn)尖端等現(xiàn)象，容易造成局部場強較大，因此，通常會在結(jié)構(gòu)的四周或場強較大的地方安裝屏蔽罩或均壓環(huán)。屏蔽罩或均壓環(huán)的作用主要有兩個：一是減少外界環(huán)境的電磁波對電路正常工作的干擾，從而提高質(zhì)量、穩(wěn)定性及工作壽命；二是降低產(chǎn)品工作時所產(chǎn)生的電磁輻射，從而降低其對人體和環(huán)境的傷害和影響。在高壓直流斷路器中，屏蔽罩或均壓環(huán)主要將金屬梁端部、連接絕緣子的金屬部分和某些元器件進行包圍屏蔽，控制局放，減小場強。因此，屏蔽罩或均壓環(huán)在整個高壓設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用。若是屏蔽罩或均壓環(huán)上的場強分布不均或局部場強過大，就會出現(xiàn)局部放電，甚至導(dǎo)致?lián)舸?，影響屏蔽罩的使用。因此，對整個設(shè)備的電場仿真就可以簡化為對屏蔽罩和均壓環(huán)進行電場仿真。

1.1 模型的導(dǎo)入及材料的定義

535 kV高壓直流斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且電子元件較多，因此，針對535 kV高壓直流斷路器的屏蔽罩進行電場強度仿真，抽取其中的屏蔽罩作為仿真模型[10]。將簡化后的模型導(dǎo)入到Ansoft中，如圖1所示，求解器類型選擇Electrostatic（靜電），材料選擇鋁。

圖1 模型的導(dǎo)入

1.2 激勵設(shè)置

激勵設(shè)置的正確與否直接影響到結(jié)果的準確性，因此，在設(shè)置激勵時，一定要清楚整個斷路器的電位分布。直流斷路器分為5層，每層的電位都不相同，激勵加載比較復(fù)雜。在此，以直流斷路器底層為例，通態(tài)閥部分電壓分布按最高電位設(shè)置，即1175 kV，電壓激勵施加情況如圖2所示，根據(jù)具體情況，對各個屏蔽罩施加電壓。其余層電壓激勵與底層類似施加。

圖2 底層電壓激勵

1.3 邊界條件

在 利 用Ansoft在進行靜電場分析時，邊界條件有很多種，具體包括：矢量磁位邊界條件、對稱邊界條件、氣球邊界條件、主邊界條件和從邊界條件，此外還有默認的自然邊界條件。下面介紹一下自然邊界條件。

自然邊界條件在設(shè)置時，不需要手動輸入?yún)?shù)進行定義，軟件會在求解的過程中，根據(jù)內(nèi)部的計算方式將邊界條件自行設(shè)置到外邊界。自然邊界條件有時也叫紐曼邊界條件，可以用來形容兩個互相接觸的物體，在接觸面上，磁場強度H的切向分量和磁感應(yīng)強度B的法向分量保持連續(xù)[11]。

高壓直流斷路器的工作環(huán)境為閥廳，由于閥廳四周墻壁和高度是不變的。因此，實體邊界條件就以閥廳的實際尺寸來定義。為了研究不同邊界條件對場強分布的影響，本次分析分為兩種方案：方案一邊界條件設(shè)置為默認邊界條件；方案二邊界條件設(shè)置為實體邊界條件，即根據(jù)閥廳的尺寸，在模型的周圍畫一個實體的區(qū)域模擬閥廳，區(qū)域的材料電位設(shè)置為0，求解域大小相同。

方案一：設(shè)置求解域和邊界條件。求解域和邊界條件設(shè)置如表1所示。方案二：設(shè)置實體邊界。由于閥廳的四周墻壁和屋頂均與地面等電位，因此，根據(jù)試驗的實際情況，在模型的周圍畫一個實體的殼子，模擬實驗的閥廳，尺寸設(shè)置和方案一的求解域相同，殼子材料為金屬，電位設(shè)置為0，如圖3所示。

表1 求解域和邊界條件

2 場強分布分析

由于直流斷路器實際是安裝在現(xiàn)場閥廳內(nèi)，根據(jù)要求，閥廳的內(nèi)部環(huán)境要求較為嚴格，一般為恒溫恒濕環(huán)境。但恒溫恒濕的環(huán)境中，電暈電荷容易在設(shè)備表面積累，造成局部場強較大，出現(xiàn)放電等現(xiàn)象。因此，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮到電暈，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得電暈電荷沒有產(chǎn)生的條件。判斷是否產(chǎn)生電暈，一般看整個設(shè)備上電場強度分布和最大值。因此，對高壓直流斷路器屏蔽罩的電場強度進行計算可以為設(shè)計提供指導(dǎo)，對于直流斷路器的安全運行、避免放電等有著非常重要的作用[13-14]。同時，若設(shè)備中部分地方電場強度過大，就會導(dǎo)致此處的絕緣材料發(fā)生擊穿、放電等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整個設(shè)備的絕緣出現(xiàn)問題。因此，在進行設(shè)備的前期設(shè)計時，必須對其進行仿真，避免局部電場強度過大[15-17]。

在高電壓設(shè)備設(shè)計中，增加屏蔽罩是避免電場強度過大的有效方法之一。但若是屏蔽罩上的場強分布不均或局部場強過大，也會出現(xiàn)局部放電，甚至導(dǎo)致?lián)舸?，影響屏蔽罩的使用。屏蔽罩上的場強越小越好，分布越均勻越好。本文中，通過上述兩種不同的邊界條件的設(shè)置，觀察兩種情況下屏蔽罩上的場強分布，以此來判斷設(shè)置的默認邊界條件和實體邊界條件對場強分布的影響[18-19]。

通過上面設(shè)置的兩種方案，分析的結(jié)果如圖4、圖5所示。通過觀察分析以上兩種方案的場強分布圖可以看出，方案一的最大場強為3.32 kV/mm，最大處位于底部均壓環(huán)部分。方案二的最大場強為5.56 kV/mm，最大場強均位于底部均壓環(huán)部分。兩種情況雖然最大場強不同，但是兩種情況最大的場強分布位置基本相同，都出現(xiàn)在底部的均壓環(huán)上。因此，通過仿真分析的結(jié)果可知，設(shè)置實體邊界條件分析得出的最大場強要比設(shè)置默認邊界得出的最大場強大很多，但最大場強出現(xiàn)的位置相同。

圖3 實體邊界

圖4 方案一場強分布

圖5 方案二場強分布

為觀察不同邊界條件下場強的分布規(guī)律。將兩種結(jié)果的場強限值調(diào)整為3.0 kV/mm，結(jié)果如圖6和圖7所示。從場強云圖中可以看出，方案一（默認邊界條件）的最大場強在底部一層屏蔽罩和均壓環(huán)處。方案二（實體邊界條件）也是如此。雖然邊界條件不同，但不同邊界條件下的最大場強出現(xiàn)的位置和場強大小變化規(guī)律是基本相同的[20]。

圖6 方案一場強分布（0～3.0 kV/mm）

圖7 方案二場強分布（0～3.0 kV/mm）

3 結(jié) 論

通過上述仿真分析和計算，可以得出以下幾點結(jié)論：

1）從仿真結(jié)果可以看出兩種計算方式的計算結(jié)果有很大差別，邊界條件設(shè)置為實體邊界條件時，仿真出的場強較大。因此，在進行仿真時，建議邊界條件設(shè)置為實體邊界條件。

2）通過觀察兩種方案的場強分布，可以得知兩種方案的最大場強分布位置和場強大小變化規(guī)律基本相同，與邊界條件設(shè)置沒有太大關(guān)聯(lián)。