一種具有不對稱屏蔽罩的12 kV真空斷路器滅弧室電場分析及優(yōu)化

董華軍，宋杰，陳培軍，孫鵬，庫照宇

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.平高集團有限公司，河南 平頂山 467001)

真空斷路器因具有優(yōu)異的開斷性能，被廣泛應用在電力系統(tǒng)中，其在中壓領域占據(jù)著主導地位[1-2]，其中12 kV真空斷路器的產(chǎn)量在行業(yè)中占比較大，其市場份額達到93%，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用[3-5]。真空斷路器滅弧室是真空斷路器的“心臟”[6-10]，其內(nèi)部的絕緣和開斷性能主要取決于內(nèi)部電場分布。真空斷路器滅弧室內(nèi)部電場不均勻會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，進而導致開斷失敗[11]，因此真空斷路器滅弧室電場分布及絕緣結(jié)構(gòu)的合理設計成為重要的研究課題。但前人所建研究模型大多為對稱結(jié)構(gòu)，較為陳舊，且電場集中點及內(nèi)部電場分布情況較為單一，優(yōu)化方式固定，大多在對稱主屏蔽罩的基礎上研究裙邊存在與否的影響、兩側(cè)裙邊方向及半徑的影響、主屏蔽罩長度的影響，并未考慮內(nèi)部波紋管屏蔽罩等不對稱因素帶來的內(nèi)部電場分布不均問題。對此，本文建立具有不對稱屏蔽罩的真空斷路器滅弧室二維模型，旨在研究真空斷路器滅弧室內(nèi)部不對稱時的電場優(yōu)化問題。

現(xiàn)有研究大多建立了對稱屏蔽罩的二維模型，對影響真空斷路器滅弧室內(nèi)部電場分布的因素進行分析。文獻[12]建立了12 kV真空斷路器滅弧室的二維模型，利用有限元方法計算分析滅弧室內(nèi)部的電場和電位分布；文獻[13]對12 kV真空斷路器在不同開距下滅弧室的電場進行計算和分析，并進行綜合優(yōu)化設計；文獻[11]針對某種12 kV/3 150 A/40 kA的真空斷路器滅弧室進行電場仿真研究，分析了觸頭開距、形狀以及屏蔽罩半徑等因素對滅弧室內(nèi)部電場分布的影響；文獻[1]利用有限元方法，研究了有無屏蔽罩對真空斷路器滅弧室電場分布的影響。本文選取的模型相較上述研究更具有參考價值，能得到更具有普適性的優(yōu)化方法。

本文以具有不對稱屏蔽罩的12 kV真空斷路器滅弧室為研究對象，利用有限元法，使用Maxwell中的靜電場模塊對其內(nèi)部電場進行計算，得到電場分布云圖、電位分布云圖及電場分布曲線圖。通過分析，找出電場集中的部位，隨后從不對稱主屏蔽罩的半徑、主屏蔽罩裙邊翻轉(zhuǎn)角度以及觸頭片的圓角半徑3個角度對其內(nèi)部進行優(yōu)化設計，為中壓真空斷路器的開發(fā)提供參考。

1 12 kV真空斷路器滅弧室模型建立

1.1 電場仿真模型

真空斷路器滅弧室主要由動靜觸頭及其導電桿、各屏蔽罩以及絕緣外殼組成，其絕緣強度設計的主要目的是：通過合理布置內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得電場分布更加均勻，降低觸頭間的電場強度，同時減少觸頭表面的有效面積[14]。本文研究的具有不對稱屏蔽罩的12 kV真空斷路器滅弧室仿真模型如圖1所示。為節(jié)約成本，減少計算量，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行簡化處理，僅保留主要結(jié)構(gòu)，同時為節(jié)約時間，僅建立軸對稱模型，可通過旋轉(zhuǎn)得到真實情況。

1—靜導電桿；2—絕緣外殼；3—不對稱屏蔽罩；4—靜觸頭；5—動觸頭；6—動導電桿；7—波紋管屏蔽罩；8—端部屏蔽罩

由圖1可以看到：本文將真空斷路器滅弧室的主屏蔽罩繪制為不對稱結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)普通屏蔽罩相比，其動觸頭一側(cè)屏蔽罩裙邊半徑較小，而靜觸頭一側(cè)屏蔽罩裙邊半徑較大，更加真實地還原了模型主屏蔽罩的形狀，得到了更具有普適性的優(yōu)化方法。

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 Maxwell方程與位函數(shù)

電場數(shù)值計算的起點與基礎是Maxwell方程組，它包括4個定律：安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應定律、高斯電通定律和高斯磁通定律(磁通連續(xù)定律)[15]，式(1)為4個定律的微分形式。有限元法是使用微分方程法，選取位函數(shù)并施加邊界條件，以此求得方程組唯一的解。

(1)

式中：J為傳導電流密度矢量；?D/?t為位移電流密度，單位為A/m2；D為電通密度，單位為C/m2；B為磁感應強度，單位為T；ρ為電荷體密度，單位為C/m3；H為磁場強度，單位為A/m。

靜電場為可以使用標量位函數(shù)的無旋場，因此引入標量電位φ，其與場強E的關(guān)系為

E=-?φ.

(2)

利用公式(3)進行兩邊取散度處理，得到電位函數(shù)與電荷密度間的關(guān)系，從而得到相應的位函數(shù)，進而求出電場強度[16-17]。

?·E=-Δφ.

(3)

1.2.2 靜電場求解方程

靜電場是有源無旋場，則Maxwell方程組及本構(gòu)關(guān)系表示為：

(4)

式中ε為材料的介電常數(shù)。

將式(2)與式(4)中的D=εE代入?·D=ρ，得到Maxwell進行靜電場求解所需的基本方程[18]

?·(ε?φ)=-ρ.

(5)

2 12 kV真空斷路器滅弧室電場計算結(jié)果

2.1 電場分布云圖

對靜觸頭及其連接件施加12 kV高電壓，對動觸頭及其連接件施加零電壓，計算時采用自然邊界條件，對仿真模型進行Maxwell內(nèi)置的自適應網(wǎng)格剖分，對模型面域施加對應材料。表1為各部件材料屬性[19-20]。

表1 二維模型各部件材料屬性

通過觀察電場分布情況可以觀察到電場是否均勻，局部是否集中，從而判斷發(fā)生擊穿的可能性。

圖2所示為12 kV真空斷路器滅弧室內(nèi)部電場分布云圖。從圖2可以看出，在主屏蔽罩兩端及動靜觸頭片位置外側(cè)邊緣處電場比較集中，且這幾處電場強度值較大，說明這幾處容易發(fā)生擊穿，電場強度最大值出現(xiàn)在主屏蔽罩端部，為2 452.8 V/mm。

圖2 12 kV真空斷路器滅弧室電場分布云圖

圖3、圖4所示為屏蔽罩兩端部以及動靜觸頭片外側(cè)邊緣處的局部電場分布云圖。從局部電場分布云圖中可以更加清晰地觀察到電場集中現(xiàn)象，因此，需要對這幾處進行優(yōu)化來緩解場強集中的情況。

圖3 屏蔽罩兩端部電場分布云圖

圖4 動靜觸頭附近電場分布云圖

主屏蔽罩右側(cè)間隙處電場強度值低于最大電場強度值，但仍有優(yōu)化的必要，可通過優(yōu)化屏蔽罩半徑來降低此處電場強度值。動靜觸頭間隙在云圖上表現(xiàn)為同種顏色，表明電場變化不大，分布較為均勻。兩觸頭背面的電場強度最低，滅弧室內(nèi)部其余位置電場強度適中，分布均勻，變化幅度不大。

2.2 電位分布云圖

通過電位分布場圖可以觀察到真空斷路器滅弧室內(nèi)部電位的均勻程度，從而判斷其絕緣性能，通過等勢線的緊密程度來判斷容易發(fā)生擊穿的部位。圖5所示為真空斷路器滅弧室內(nèi)部的電位分布場。

圖5 12 kV真空斷路器滅弧室電位分布云圖

從圖5可以看出，電位在滅弧室內(nèi)部分布呈對稱形狀，變化梯度明顯，電勢從靜觸頭端至動觸頭端由12 kV逐漸降低為0，等勢線沿著施加電壓的動靜觸頭向外擴散。由于主屏蔽罩的均壓作用，整個真空斷路器滅弧室內(nèi)部空間得到了有效利用。但主屏蔽罩兩端部及動靜觸頭片位置的外側(cè)邊緣處等勢線分布較為緊密，電壓變化落差較大，在較小區(qū)域內(nèi)承受了較大電壓，這2處容易發(fā)生擊穿。此結(jié)論與上文由電場分布云圖得出的結(jié)論較為一致。

2.3 電場分布曲線圖

為了更直觀地展示12 kV真空斷路器滅弧室內(nèi)部電場分布，選取主屏蔽罩內(nèi)表面及動靜觸頭表面作為觀察路徑，沿這3條路徑繪制電場分布曲線圖。

圖6所示為屏蔽罩內(nèi)表面電場分布曲線。

圖6 屏蔽罩內(nèi)表面的電場分布曲線

從圖6可以看出，在主屏蔽罩中部電場變化幅度不大，且電場強度數(shù)值較小。當曲線到達主屏蔽罩與動觸頭側(cè)間隙處時，電場強度數(shù)值有一定幅度的增加；當曲線到達主屏蔽罩邊緣時，電場強度達到最高值；最后曲線到達主屏蔽罩邊緣外表面，電場強度值又迅速下降。此結(jié)果與電場分布云圖較為一致。

圖7、圖8分別為動靜觸頭表面電場分布曲線。

圖7 動觸頭表面的電場分布曲線

圖8 靜觸頭表面的電場分布曲線

從圖7可以看出，觸頭片表面電場沒有變化，且數(shù)值適中，說明觸頭間隙電場分布均勻。當曲線到達觸頭片邊緣時，電場強度迅速變大，最后曲線到達觸頭側(cè)面時，電場強度數(shù)值又急劇下降，動靜觸頭片邊緣電場強度最大值以及兩觸頭側(cè)面的最小電場強度值略有不同。以上曲線變化趨勢與電場分布云圖較為一致。

綜上分析可知，具有不對稱屏蔽罩的12 kV真空斷路器滅弧室內(nèi)部有電場集中現(xiàn)象，需進行優(yōu)化，第3章將針對不對稱屏蔽罩的半徑、主屏蔽罩兩端部裙邊的翻轉(zhuǎn)角度及動靜觸頭片圓角半徑進行優(yōu)化。

3 12 kV真空斷路器滅弧室內(nèi)部電場優(yōu)化

3.1 主屏蔽罩半徑對電場分布的影響

通過改變主屏蔽罩半徑，觀察主屏蔽罩與觸頭之間距離的不同對電場分布的影響，以及主屏蔽罩右側(cè)間隙處的電場集中情況是否有所改善。本文選取主屏蔽罩與觸頭之間的距離分別為8 mm、9 mm、10 mm、11 mm以及12 mm來進行對比分析。圖9—圖13分別為5種間距下，主屏蔽罩與觸頭間隙處的電場分布云圖。

圖9 間距為8 mm時的電場分布云圖

圖10 間距為9 mm時的電場分布云圖

圖11 間距為10 mm時的電場分布云圖

圖12 間距為11 mm時的電場分布云圖

圖13 間距為12 mm時的電場分布云圖

從圖9—圖13可以看出：隨著主屏蔽罩與觸頭間距增加，電場強度最大值逐漸降低。且受間距影響最大的位置為動觸頭側(cè)與主屏蔽罩裙邊的間隙處，隨著間距增加，此位置電場集中現(xiàn)象逐漸緩解，電場強度值逐漸降低，間距從10 mm之后，此區(qū)域的電場集中現(xiàn)象已經(jīng)消失。5種間距下的電場強度最大值分別為2 758 V/mm、2 526 V/mm、2 452 V/mm、2 306 V/mm、2 268 V/mm，前2種間距下電場集中現(xiàn)象仍然存在，因此不再考慮，后3種間距下電場強度最大值下降幅度分別為74 V/mm、146 V/mm和38 V/mm?？梢婋S著間距增加，電場強度最大值下降幅度也在逐漸降低，間距為11 mm時，電場強度下降幅度較大，電場強度數(shù)值已經(jīng)滿足要求。并且考慮到過遠的間距會降低屏蔽罩吸收能量的效果，也會影響真空斷路器滅弧室的小型化，因此，最終將主屏蔽罩與觸頭的間距確定為11 mm。

主屏蔽罩兩端部以及動靜觸頭片邊緣處受此間距的影響，電場強度有所緩解，但電場集中現(xiàn)象并未消失，下文將繼續(xù)針對這2處進行優(yōu)化。

3.2 兩側(cè)裙邊翻轉(zhuǎn)角度對電場分布的影響

通過改變動靜觸頭側(cè)裙邊的翻轉(zhuǎn)角度，來觀察其對這2處電場分布的影響以及電場集中情況是否有所改善。本文選取翻轉(zhuǎn)角度分別為45°、90°以及135°來進行對比分析，計算時，主屏蔽罩與觸頭的距離選擇11 mm。圖14—圖17為初始模型及選取的3個角度下兩側(cè)裙邊位置的電場分布云圖。

圖14 初始模型下的電場分布云圖

圖15 45°翻轉(zhuǎn)角度下的電場分布云圖

從圖14—圖17可看出：

圖17 135°翻轉(zhuǎn)角度下的電場分布云圖

在動觸頭側(cè)，裙邊隨著翻轉(zhuǎn)角度增大，電場集中現(xiàn)象逐漸緩解。當翻轉(zhuǎn)角度為90°時，裙邊電場集中現(xiàn)象已消失，但當翻轉(zhuǎn)角度達到135°時，雖然沒有發(fā)生電場集中現(xiàn)象，但從云圖刻度尺來看，相比于90°時，電場強度值反而上升，且從制造工藝的角度看，135°的裙邊加工難度較大。因此，主屏蔽罩動觸頭側(cè)裙邊翻轉(zhuǎn)角度選擇90°最佳。

圖16 90°翻轉(zhuǎn)角度下的電場分布云圖

在靜觸頭側(cè)，隨著裙邊翻轉(zhuǎn)角度增大，裙邊部位的電場強度變化沒有動觸頭一側(cè)明顯，但最大電場強度值有先減小后增大的變化趨勢。從45°之后，電場強度數(shù)值逐漸開始增大，即45°時，此處電場強度已經(jīng)降至最低值。因此，靜觸頭側(cè)的裙邊翻轉(zhuǎn)角度選擇45°最佳。

綜上分析，最終將主屏蔽罩靜觸頭側(cè)的裙邊翻轉(zhuǎn)角度優(yōu)化為45°，將主屏蔽罩動觸頭側(cè)的裙邊翻轉(zhuǎn)角度優(yōu)化為90°。圖18、圖19所示分別為屏蔽罩兩側(cè)裙邊翻轉(zhuǎn)角度優(yōu)化后，其內(nèi)表面的電場分布曲線圖。

從圖18、圖19可以看出：相比于上文屏蔽罩內(nèi)表面的電場分布曲線，優(yōu)化裙邊翻轉(zhuǎn)角度之后兩側(cè)的電場分布曲線在峰值處有了明顯降低，主屏蔽罩靜觸頭側(cè)裙邊處電場強度由2 250 V/mm降至 2 100 V/mm，動觸頭側(cè)裙邊處電場強度由2 452.8 V/mm降至1 400 V/mm，下降幅度較大。從曲線圖可直觀地觀察到，對主屏蔽罩兩側(cè)裙邊翻轉(zhuǎn)角度的優(yōu)化較好地緩解了電場集中現(xiàn)象。

圖18 優(yōu)化后屏蔽罩靜觸頭側(cè)內(nèi)表面的電場分布曲線

圖19 優(yōu)化后屏蔽罩動觸頭側(cè)內(nèi)表面的電場分布曲線

3.3 觸頭片圓角半徑對電場分布的影響

觸頭片外側(cè)邊緣處電場集中現(xiàn)象較為明顯，通過改變觸頭片外側(cè)邊緣的圓角半徑，來觀察其對此處電場分布的影響以及電場集中現(xiàn)象是否有所改善。由于模型觸頭片的厚度僅為3.0 mm，本文選取觸頭片圓角半徑分別為1.5 mm、2.0 mm以及2.5 mm來進行對比分析。圖20—圖22分別為3種圓角半徑下觸頭位置的電場分布場圖。

圖20 圓角半徑為1.5 mm時的電場分布云圖

圖21 圓角半徑為2.0 mm時的電場分布云圖

圖22 圓角半徑為2.5 mm時的電場分布云圖

從圖20—圖22可以看出：隨著觸頭片圓角半徑增大，觸頭片邊緣處的電場集中現(xiàn)象逐漸得到緩解，當圓角半徑到達2.5 mm時，電場集中現(xiàn)象基本消失，說明此處發(fā)生擊穿的概率已大大降低。由于模型觸頭片厚度僅為3.0 mm，且過大的圓角半徑會減少兩觸頭片的接觸面積，本文不再繼續(xù)增大觸頭片的圓角半徑繼續(xù)研究，最終選擇觸頭片的圓角半徑為2.5 mm。

為了更直觀地觀察到觸頭片外側(cè)邊緣處的變化，仍然以動靜觸頭片表面作為觀察路徑，沿路徑繪制電場分布曲線。圖23與圖24所示分別為優(yōu)化后動靜觸頭片表面的電場分布曲線。

從圖23、圖24可以看出：相比于優(yōu)化之前的曲線圖，兩觸頭片邊緣處的電場強度數(shù)值大幅降低，動觸頭片邊緣處由2 100 V/mm降至1 700 V/mm，靜觸頭片邊緣處由2 300 V/mm降至1 950 V/mm，說明觸頭片圓角半徑的增加緩解了電場集中現(xiàn)象，大大降低了此處出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象的可能性。

圖23 優(yōu)化后動觸頭表面的電場分布曲線

圖24 優(yōu)化后靜觸頭表面的電場分布曲線

4 結(jié)論

本文針對具有不對稱屏蔽罩的12 kV真空斷路器滅弧室電場進行分析和優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

a)具有不對稱屏蔽罩的12 kV真空斷路器滅弧室在主屏蔽罩兩端部裙邊處以及觸頭片邊緣位置存在電場集中現(xiàn)象，同時需要對主屏蔽罩動觸頭側(cè)間隙處的電場進行優(yōu)化。

b)隨著主屏蔽罩與觸頭間距增加，間隙處電場強度逐漸下降，在電場集中現(xiàn)象消失后，下降幅度先增大后減小，將間距設為11 mm可降低電場強度，并且能夠保證滅弧室的小型化。

c)主屏蔽罩兩側(cè)裙邊的翻轉(zhuǎn)角度對此處的電場分布影響較大，動靜觸頭側(cè)裙邊翻轉(zhuǎn)角度分別設為90°及45°時，既可保證適中的裙邊加工難度，又可緩解電場集中現(xiàn)象。

d)將真空斷路器滅弧室觸頭圓角半徑設定為2.5 mm時，觸頭邊緣的電場集中現(xiàn)象基本消失，大大降低了此處出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象的可能性。