72.5 kV真空滅弧室絕緣水平提升技術(shù)研究

齊大翠,薛從軍，李小釗，劉世柏，趙芳帥，柴娜

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000)

鑒于SF6氣體的強(qiáng)溫室效應(yīng)，采用環(huán)境友好型開關(guān)替代SF6開關(guān)成為當(dāng)前電力設(shè)備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。72.5 kV開關(guān)設(shè)備主要應(yīng)用于66 kV電壓等級(jí)電網(wǎng)中，而我國(guó)66 kV電壓等級(jí)電網(wǎng)主要分布于東北高寒地區(qū)，SF6在高寒地區(qū)的液化現(xiàn)象較為普遍，嚴(yán)重影響開關(guān)設(shè)備的絕緣及開斷能力，甚至?xí)劤呻娏κ鹿?。真空開斷技術(shù)雖然在中壓等級(jí)已占據(jù)主導(dǎo)地位，但應(yīng)用于高電壓等級(jí)還面臨一系列的挑戰(zhàn)。真空間隙的絕緣特性隨著間隙距離的增加會(huì)趨于飽和，單純依靠增大開距來(lái)提高絕緣很難起到良好的效果。

利用有限元電場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越受到研究人員的重視，不但可以模擬滅弧室內(nèi)部電壓和電場(chǎng)的分布，還可以根據(jù)電場(chǎng)的分布對(duì)滅弧室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的[1]。通過研究發(fā)現(xiàn)，真空滅弧室的絕緣除了真空間隙的耐壓強(qiáng)度外，瓷殼的沿面場(chǎng)強(qiáng)也是非常關(guān)鍵的影響因素。在真空滅弧室中，真空間隙和瓷殼沿面是2個(gè)并聯(lián)的絕緣系統(tǒng)，任何一個(gè)發(fā)生擊穿，都會(huì)導(dǎo)致真空滅弧室絕緣失效。所以，在設(shè)計(jì)滅弧室時(shí)要非常重視真空滅弧室瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)的大小，它也是影響真空滅弧室絕緣的主要因素。瓷殼的沿面場(chǎng)強(qiáng)大小與真空滅弧室屏蔽罩的位置關(guān)系非常密切。主屏蔽罩的兩端收口處離瓷殼的距離、端屏蔽罩的長(zhǎng)短與離瓷殼的距離都對(duì)瓷殼的沿面場(chǎng)強(qiáng)有明顯影響。然而，傳統(tǒng)電場(chǎng)仿真分析方法一般只對(duì)滅弧室內(nèi)部的總電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，本文在此基礎(chǔ)上增加了沿面場(chǎng)強(qiáng)分析，可以更全面地評(píng)估真空滅弧室內(nèi)部絕緣電場(chǎng)的分布情況，有效避免金屬化瓷殼表面的放電擊穿現(xiàn)象，進(jìn)而提高產(chǎn)品的絕緣性能。

確定真空滅弧室的外形尺寸后，真空滅弧室內(nèi)部的尺寸空間也就確定了，合理設(shè)計(jì)內(nèi)部零件尺寸及結(jié)構(gòu)能夠有效提高真空滅弧室的絕緣性能[2-4]。影響真空滅弧絕緣性能的主要零件包括動(dòng)靜觸頭、主屏蔽罩、端屏蔽罩和波紋管屏蔽罩等[5-7]。合理改變真空滅弧室元件的外形、尺寸及位置，盡量避免幾何尖端、棱角的出現(xiàn)，從而減少電場(chǎng)強(qiáng)度集中，使得滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布均勻[8-10]。最后結(jié)合電場(chǎng)仿真分析和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)不同形狀間隙的絕緣特性進(jìn)行深入研究，確定最佳的觸頭間隙與屏蔽結(jié)構(gòu)。

1 仿真分析研究方法

72.5 kV真空滅弧室的二維模型如圖1所示，其外徑180 mm，長(zhǎng)度498 mm(動(dòng)導(dǎo)電棒除外)，主要由動(dòng)靜觸頭棒、動(dòng)靜蓋板、主屏蔽罩、端屏蔽罩和波紋管屏蔽罩等組成。電場(chǎng)仿真計(jì)算中使用的材料屬性[11]見表1，施加的電壓為動(dòng)觸頭棒439 kV，靜觸頭棒0 kV，主屏蔽罩為懸浮電位。

2 電場(chǎng)仿真結(jié)果分析

2.1 端屏蔽罩幾何形狀和場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系的研究

當(dāng)主屏蔽罩長(zhǎng)度為225 mm、主屏蔽罩端部收口直徑為115 mm、端屏蔽罩直徑為122 mm時(shí)，調(diào)整端屏蔽罩的長(zhǎng)度后進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，得到端屏蔽罩長(zhǎng)度與沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值、總電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)(以下簡(jiǎn)稱“總場(chǎng)強(qiáng)”)最大值的關(guān)系曲線，如圖2、圖3所示。

圖1 72.5 kV真空滅弧室二維模型Fig.1 Two-dimensional model of 72.5 kV vacuum arc extinguishing chamber

表1 電場(chǎng)仿真計(jì)算的材料屬性Tab.1 Material properties for simulation calculation

圖2 端屏蔽罩長(zhǎng)度對(duì)沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.2 Influence of the length of end shield on the maximum value of surface field strength

圖3 端屏蔽罩長(zhǎng)度對(duì)總場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.3 Influence of the length of end shield on the maximum value of total electric field

由圖2可知，隨著端屏蔽罩長(zhǎng)度的增加，真空滅弧室瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，端屏蔽罩長(zhǎng)度為53 mm時(shí)最小，這說明端屏蔽罩長(zhǎng)度小于53 mm時(shí)，無(wú)法有效保護(hù)三交面。端屏蔽罩長(zhǎng)度大于53 mm時(shí)，隨著端屏蔽罩長(zhǎng)度變大，端屏蔽罩與主屏蔽罩的間距變小，無(wú)屏蔽罩屏蔽的瓷殼長(zhǎng)度變小，這樣會(huì)加大此部分瓷殼的壓降，導(dǎo)致瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)變大。所以，在保證三交面完全屏蔽的前提下，端屏蔽罩設(shè)計(jì)越短越好。由圖3可知，總場(chǎng)強(qiáng)最大值隨端屏蔽罩長(zhǎng)度增大的變化趨勢(shì)不明顯。由此可知，端屏蔽罩長(zhǎng)度的最佳值為53 mm，此時(shí)瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值為2.60 kV/mm，總場(chǎng)強(qiáng)最大值為24.20 kV/mm。

當(dāng)主屏蔽罩長(zhǎng)度為225 mm、主屏蔽罩端部收口直徑為115 mm、端屏蔽罩長(zhǎng)度為53 mm時(shí)，調(diào)整端屏蔽罩的端部收口直徑后進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，得到直徑與沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值、總場(chǎng)強(qiáng)最大值的關(guān)系曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 端屏蔽罩端部收口直徑對(duì)沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.4 Influence of the end closing diameter of end shield on the maximum value of surface field strength

圖5 端屏蔽罩端部收口直徑對(duì)總場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.5 Influence of the end closing diameter of end shield on the maximum value of total electric field

由圖4可知，隨著端屏蔽罩端部直徑變大，真空滅弧室瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)變大，因此要想降低沿面場(chǎng)強(qiáng)，可以適當(dāng)縮小端屏蔽罩端部的收口直徑，使得端部遠(yuǎn)離瓷殼。但是，這樣會(huì)增大端屏蔽罩的變徑比，使得零件難于加工。因此，端屏蔽罩端部收口直徑的尺寸在適當(dāng)范圍內(nèi)越小，越有利于降低瓷殼的沿面場(chǎng)強(qiáng)。由圖5可知，隨著端屏蔽罩端部直徑增大，真空滅弧室總場(chǎng)強(qiáng)的變化趨勢(shì)不明顯，這是因?yàn)檎婵諟缁∈业目倛?chǎng)強(qiáng)最大值一般出現(xiàn)在動(dòng)靜觸頭之間，距離端屏蔽罩的位置較遠(yuǎn)，使得端屏蔽罩端部直徑的變化對(duì)總場(chǎng)強(qiáng)最大值影響不大。因此，端屏蔽罩端部收口直徑最佳值為105 mm，此時(shí)瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)值最大值為2.56 kV/mm，總場(chǎng)強(qiáng)最大值為21.90 kV/mm。

2.2 主屏蔽罩幾何形狀和場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系研究

當(dāng)端屏蔽罩長(zhǎng)度為53 mm、端屏蔽罩端部收口直徑為105 mm、主屏蔽罩端部收口直徑為115 mm時(shí)，調(diào)整主屏蔽罩的長(zhǎng)度后進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，得到主屏蔽罩長(zhǎng)度與沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值、總場(chǎng)強(qiáng)最大值的關(guān)系曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 主屏蔽罩長(zhǎng)度對(duì)沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.6 Influence of the length of the main shield on the maximum value of surface field strength

圖7 主屏蔽罩長(zhǎng)度對(duì)總場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.7 Influence of the length of the main shield on the maximum value of total electric field

由圖6可知，隨著主屏蔽罩長(zhǎng)度變大，瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大，并在增大到一定程度時(shí)，出現(xiàn)沿面場(chǎng)強(qiáng)增大速度加快的現(xiàn)象。因此，在保證主屏蔽罩對(duì)觸頭燃弧區(qū)域起到良好的屏蔽和保護(hù)作用的前提下，為了降低瓷殼的沿面場(chǎng)強(qiáng)，主屏蔽罩設(shè)計(jì)越短越好。由圖7可知，隨著主屏蔽罩長(zhǎng)度增加，真空滅弧室總場(chǎng)強(qiáng)最大值稍有增大，但是變化不明顯。因此，主屏蔽罩長(zhǎng)度最佳值為208 mm，此時(shí)瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)值最大值為2.13 kV/mm，總場(chǎng)強(qiáng)最大值為20.50 kV/mm。

當(dāng)端屏蔽罩長(zhǎng)度為53 mm、端屏蔽罩端部收口直徑為105 mm、主屏蔽罩長(zhǎng)度為208 mm時(shí)，調(diào)整主屏蔽罩的兩端端部收口直徑后進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，得到主屏蔽罩端部收口直徑與沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值、總場(chǎng)強(qiáng)最大值的關(guān)系曲線，如圖8、圖9所示。

圖8 主屏蔽罩端部收口直徑對(duì)沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.8 Influence of the end closing diameter of the main shield on the maximum surface field strength

圖9 主屏蔽罩端部收口直徑對(duì)總場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.9 Influence of the end closing diameter of the main shield on the maximum value of total electric field

由圖8可知，隨著主屏蔽罩端部收口直徑增大，沿面場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大，其增大的速率先大后小。由此可見，為了降低瓷殼的沿面場(chǎng)強(qiáng)，主屏蔽罩端部的收口直徑越小越好，但是也會(huì)使得主屏蔽罩的變徑比加大，增大零件的加工難度。由圖9可知，隨著主屏蔽罩端部收口直徑增加，真空滅弧室的總場(chǎng)強(qiáng)最大值變小。因此，主屏蔽罩端部收口的直徑并不是越小越好，收口直徑越小，其距離動(dòng)靜觸頭棒的距離越短，導(dǎo)致總場(chǎng)強(qiáng)最大值增大。因此，主屏蔽罩端部收口直徑最佳值為114 mm，此時(shí)瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)值最大值為1.86 kV/mm，總場(chǎng)強(qiáng)最大值為18.93 kV/mm。

72.5 kV真空滅弧室的最佳場(chǎng)強(qiáng)分布如圖10所示。由圖10可知72.5 kV真空滅弧室的沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值出現(xiàn)在端屏蔽罩和主屏蔽未屏蔽的位置之間，總場(chǎng)強(qiáng)最大值出現(xiàn)觸頭端部倒角位置，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

2.3 觸頭開距對(duì)總場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響

通過仿真分析，得到觸頭開距對(duì)真空滅弧室總場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響如圖11所示。

圖10 真空滅弧室最佳場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.10 The best electric field intensity distribution of the vacuum arc extinguishing chamber

圖11 觸頭開距對(duì)真空滅弧室總場(chǎng)強(qiáng)最大值的影響Fig.11 Influence of the contact distance on the maximum electric field of vacuum arc extinguishing chamber

由圖11可知，隨著觸頭開距增加，真空滅弧室總場(chǎng)強(qiáng)最大值逐漸減小，觸頭開距為25 mm時(shí)，總場(chǎng)強(qiáng)最大值為24.90 kV/mm，觸頭開距增大到35 mm時(shí)，總場(chǎng)強(qiáng)最大值為19.80 kV/mm，在25～35 mm區(qū)域范圍內(nèi)，總場(chǎng)強(qiáng)最大值下降速度明顯。隨著觸頭開距的繼續(xù)增大，總場(chǎng)強(qiáng)最大值下降速度相對(duì)緩慢。由此可見，對(duì)于72.5 kV真空滅弧室來(lái)說，其開距的設(shè)定最好大于35 mm，而且開距越大越有利于降低總場(chǎng)強(qiáng)最大值，絕緣效果也越好。但是，開距設(shè)定值越大，對(duì)斷路器的行程、開斷速度等要求也越高，會(huì)增大斷路器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，對(duì)滅弧室波紋管的長(zhǎng)度要求也越高。因此初步設(shè)定72.5 kV真空滅弧室的最佳觸頭開距為(37±2)mm。

3 絕緣試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

72.5 kV真空滅弧室產(chǎn)品的工頻耐受電壓及雷電沖擊耐受電壓很高，滅弧室自身外絕緣不能滿足使用要求，因此將72.5 kV真空滅弧室樣品安裝到絕緣套筒中，并在套筒內(nèi)部充入0.25 MPa的N2，以此增加真空滅弧室瓷殼表面的外絕緣。

3.1 工頻耐受電壓試驗(yàn)

對(duì)3只優(yōu)化設(shè)計(jì)的72.5 kV真空滅弧室樣品進(jìn)行不同開距下工頻耐受電壓測(cè)試，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖12所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖12 工頻耐受電壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Photo of power frequency withstand voltage test

圖13 不同開距下工頻耐受電壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Power frequency withstand voltage test results under different distances

由圖13可知，72.5 kV真空滅弧室工頻耐受電壓隨著觸頭開距的增大逐漸增大，并在開距大于37 mm時(shí)增速變緩，由此可知72.5 kV真空滅弧室的絕緣性能在開距為37 mm時(shí)已趨于飽和，無(wú)法通過增大產(chǎn)品的開距來(lái)提高其絕緣性能，這與電場(chǎng)仿真分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真分析方法的正確性。在開距為37 mm時(shí)，3只72.5 kV真空滅弧室樣品均可耐受230 kV的工頻耐受電壓，遠(yuǎn)高于市場(chǎng)同規(guī)格產(chǎn)品的額定工頻耐受電壓(其中一端加壓160 kV、一端加壓42 kV)，滿足產(chǎn)品的使用要求。

3.2 雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)

在不同開距下對(duì)3只樣品進(jìn)行極限雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的絕緣性能，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

圖14 雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.14 Power frequency lightning impulse test detection

圖15 不同開距下雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Lightning impulse withstand voltage test results under different distances

由圖15可知，72.5 kV真空滅弧室的極限雷電沖擊耐受電壓隨著觸頭開距的增大逐漸增大，在開距為37 mm時(shí)，3只樣品均可以耐受±600 kV的雷電沖擊電壓，遠(yuǎn)高于市場(chǎng)同規(guī)格產(chǎn)品額定雷電沖擊耐受電壓(其中一端加壓380 kV、一端加壓59 kV)。由此可知，通過電場(chǎng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的72.5 kV真空滅弧室產(chǎn)品的絕緣性能優(yōu)異，滿足產(chǎn)品的使用要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)72.5 kV真空滅弧室電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

a)72.5 kV真空滅弧室的最佳屏蔽罩尺寸為：端屏蔽罩長(zhǎng)度53 mm，端屏蔽罩端部收口直徑105 mm，主屏蔽罩長(zhǎng)度208 mm，主屏蔽罩端部收口直徑114 mm。優(yōu)化后瓷殼沿面場(chǎng)強(qiáng)最大值為1.86 kV/mm，總場(chǎng)強(qiáng)最大值為18.93 kV/mm。

b)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的72.5 kV真空滅弧室樣品進(jìn)行絕緣性能檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果為：在開距為37 mm時(shí)，工頻耐受電壓高達(dá)230 kV，雷電沖擊耐受電壓高達(dá)±600 kV，遠(yuǎn)高于常規(guī)72.5 kV真空滅弧室的絕緣水平。