低壓斷路器的電場(chǎng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘"要：由于低壓斷路器中電場(chǎng)分布不均勻，在實(shí)際運(yùn)行中易出現(xiàn)局部放電等問(wèn)題，甚至引發(fā)火災(zāi)事故，因此對(duì)低壓斷路器中的電場(chǎng)進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為重要的研究課題。以某光伏電站逆變器直流側(cè)的低壓斷路器為研究對(duì)象，使用有限元軟件分析不同電壓水平和不同觸頭間距下的電場(chǎng)分布情況，并對(duì)斷路器的絕緣薄弱點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)比較優(yōu)化前后的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，證明所提優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低了斷路器發(fā)生擊穿放電的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞： 低壓斷路器; 電場(chǎng)分布; 觸頭間距; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）08-0045-05

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.08.006

Electric Field Analysis and Optimization Design of Low Voltage Circuit Breakers

ZHANG Wei1，"ZHANG Yu2，"MA Yulin3，"HU Chen3

（1.Beijing Beiyuan Electrical Co.，Ltd.， Beijing 101105， China;

2.Sungrow Power Supply Co.，Ltd.， Hefei 230088， China;

3.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：

Due to the uneven distribution of electric fields in low voltage circuit breakers，the partial discharge and even fire accidents are prone to occur during the actual operation.Therefore，the analysis and optimization design of electric fields in circuits breaker have become an important research topic.The low voltage circuit breakers on the DC side of inverters in a certain photovoltaic power station are taken as the research objects.The finite element software is used to analyze the electric field distribution under different voltage levels and different contact gaps.The structural optimization design is conducted on the weak insulation points of the circuit breaker.Finally，by comparing the maximum electric field intensity before and after optimization，it is demonstrated that the proposed optimized structure reduces the possibility of breakdown discharge.

Key words：

low voltage circuit breaker; electric field analysis; contact gaps; structural optimization

0"引"言

低壓斷路器是低壓配電電路的主開(kāi)關(guān)，主要由觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、各種脫扣裝置和開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件組成。其中，開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)是低壓斷路器的關(guān)鍵部件，通過(guò)操作手柄和各種脫扣單元控制觸頭的開(kāi)閉，直接影響低壓斷路器的開(kāi)斷能力［1］。在逆變器直流線路中，接頭松脫、接觸不良、絕緣老化等問(wèn)題的出現(xiàn)易造成拉弧現(xiàn)象。針對(duì)逆變器中拉弧引起的整機(jī)燒毀，搭建低壓斷路器單體的電磁場(chǎng)仿真模型，找出電場(chǎng)集中且絕緣薄弱處并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。

采用計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)開(kāi)關(guān)電器進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化可縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，并且使電場(chǎng)等問(wèn)題的計(jì)算變得簡(jiǎn)單。有限元方法（FEM）是一種常見(jiàn)的數(shù)值分析方法，具有強(qiáng)大的優(yōu)越性與實(shí)用性［2-3］。文獻(xiàn)［4］以雙E型單相交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，建立三維模型后利用Maxwell瞬態(tài)磁場(chǎng)求解器，仿真分析電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性和可行性。文獻(xiàn)［5］對(duì)12 kV真空斷路器隔室和滅弧室的電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算和分析，通過(guò)加載交流耐受電壓檢驗(yàn)斷路器絕緣可靠性，同時(shí)分析動(dòng)靜觸頭在不同觸頭間距下最大電場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律。文獻(xiàn)［6］運(yùn)用電場(chǎng)分析軟件Coulomb計(jì)算分析絕緣子在潮濕環(huán)境下的電場(chǎng)分布情況，結(jié)果顯示：水滴的數(shù)量與潮濕位置對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布的集中區(qū)域有著很大的影響。文獻(xiàn)［7］采用有限元分析軟件計(jì)算24 kV真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)真空滅弧室內(nèi)部主屏蔽罩、端屏蔽罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)某12 kV固體柜隔離開(kāi)關(guān)存在的絕緣問(wèn)題，文獻(xiàn)［8］進(jìn)行絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出添加屏蔽罩減小隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)的優(yōu)化方案。

本文通過(guò)NX UG建模軟件對(duì)BM5型號(hào)斷路器進(jìn)行建模，利用Ansys Maxwell基于電磁場(chǎng)對(duì)初始模型進(jìn)行仿真分析以及改變電壓和觸頭間距對(duì)比仿真結(jié)果，最終確定優(yōu)化方案。本研究為今后設(shè)計(jì)低壓斷路器提供優(yōu)化方案與仿真結(jié)果，具有一定的參考價(jià)值。

1"電場(chǎng)的數(shù)值分析方法

1.1"電磁場(chǎng)計(jì)算原理

電磁場(chǎng)計(jì)算的實(shí)質(zhì)是基于邊界條件求解麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組由4個(gè)方程組成，包括4個(gè)基本的電磁學(xué)定律，即安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、電場(chǎng)高斯定律和磁場(chǎng)高斯定律［9-10］。其積分形式表示為

∮lH·dl=∫∫J+Dt·dS

∮lE·dl=-∫∫Bt·dS

D·dS=VρdV

B·dS=0（1）

式中："H——磁場(chǎng)強(qiáng)度;

l——曲面S的邊界;

J——傳導(dǎo)電流密度;

D——電通密度;

E——電場(chǎng)強(qiáng)度;

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度;

ρ——電荷體密度;

V——封閉曲面S包圍的體積區(qū)域。

在方程中引入拉普拉斯算子，其微分形式可表示為SymbolQC@×H=J+DtSymbolQC@×E=-BtSymbolQC@·D=ρSymbolQC@·B=0（2）

在均勻各向同性線性介質(zhì)中，恒定電流場(chǎng)的Maxwell方程和介質(zhì)的本構(gòu)方程為

SymbolQC@×E=0（3）

SymbolQC@·J=0（4）

J=σE（5）

式中："σ——材料電導(dǎo)率。

電場(chǎng)強(qiáng)度等于電勢(shì)負(fù)梯度，即

E=-SymbolQC@φ（6）

結(jié)合上述方程，得到電勢(shì)的泊松方程為

SymbolQC@2φ=-ρε（7）

式中："φ——電勢(shì);

ε——材料的介電常數(shù)。

對(duì)于電磁場(chǎng)的計(jì)算，就是對(duì)以電勢(shì)函數(shù)為待求量的泊松方程或拉普拉斯方程的求解問(wèn)題，需以實(shí)際物理問(wèn)題為背景，給出上述一元二次線性偏微分方程定義域邊界上的邊界條件。

1.2"低壓斷路器仿真分析步驟

本文采用Ansys Maxwell有限元仿真軟件對(duì)低壓斷路器的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析［11］。仿真分析過(guò)程包括5個(gè)步驟：① 建立三維模型;② 設(shè)置激勵(lì)和邊界條件;③ 網(wǎng)格設(shè)置;④ 求解器設(shè)置;⑤ 電場(chǎng)分布結(jié)果的查看和分析。

1.2.1"建立三維模型

利用NX UG軟件建立三維模型。低壓斷路器的三維模型如圖1所示。該模型由A極、B極、C極斷路器串聯(lián)組成，每一極包含銅排、連接板、軟聯(lián)接、動(dòng)觸頭、動(dòng)觸點(diǎn)、靜觸頭、靜觸點(diǎn)、隔弧板和滅弧柵等結(jié)構(gòu)。本文研究斷路器動(dòng)觸頭、靜觸頭在不同間距下的靜電場(chǎng)分布，通過(guò)旋轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭分別得到觸頭間距為33 mm、22 mm和11 mm的仿真模型。

1.2.2"設(shè)置激勵(lì)和邊界條件

根據(jù)低壓直流斷路器的結(jié)構(gòu)添加相應(yīng)的材料。低壓斷路器電場(chǎng)仿真模型的材料參數(shù)如表1所示。為了研究斷路器在不同電壓等級(jí)下的電場(chǎng)分布，動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的電壓激勵(lì)設(shè)置為1 500 V和2 000 V共2個(gè)電壓等級(jí)。

1.2.3"網(wǎng)格和求解器設(shè)置

網(wǎng)格劃分是有限元仿真分析中最關(guān)鍵的一步，良好的網(wǎng)格劃分可以保證用戶以最少的計(jì)算資源獲得最準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。Ansys Maxwell軟件具有強(qiáng)大的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能，但在循環(huán)網(wǎng)格細(xì)化中會(huì)消耗相當(dāng)多的時(shí)間。低壓斷路器網(wǎng)格劃分如圖2所示。其中網(wǎng)格是部分提前進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置，然后進(jìn)行少量自適應(yīng)細(xì)化步驟得到的，以實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)格劃分。

求解器采用靜電場(chǎng)解析的默認(rèn)設(shè)置。

2"電場(chǎng)仿真分析

2.1"不同電壓和不同觸頭間距下的電場(chǎng)仿真

光伏發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)低壓斷路器的工作電壓提出了更高的要求。因此，研究低壓斷路器在較高電壓等級(jí)下的電場(chǎng)分布，識(shí)別絕緣薄弱部位至關(guān)重要。

利用有限元仿真軟件對(duì)低壓斷路器的電場(chǎng)進(jìn)行仿真，分析低壓斷路器在1 500 V和2 000 V電壓下的電場(chǎng)分布。觸頭間距也是影響電場(chǎng)強(qiáng)度分布的重要因素，根據(jù)不同的電壓等級(jí)和不同的觸頭間距設(shè)置了6種工況。6種靜電場(chǎng)仿真工況如表2所示。

針對(duì)工況1，對(duì)斷路器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。工況1仿真結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)三極斷路器并排放置時(shí)，各極斷路器電場(chǎng)會(huì)互相影響，但每一極電場(chǎng)集中區(qū)域均出現(xiàn)在動(dòng)觸頭觸點(diǎn)四周、動(dòng)觸頭末端棱角處、靜觸頭頂端棱角處。為了定位電場(chǎng)強(qiáng)度最大值所在點(diǎn)，在上述電場(chǎng)集中點(diǎn)所在的平面觀察電場(chǎng)分布。工況1下電場(chǎng)集中區(qū)域如圖4所示。

由圖4（a）可知，A極斷路器的動(dòng)觸頭觸點(diǎn)四周處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，達(dá)到2.38×105 V/m。一般空氣的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為3×106 V/m，工況1下低壓斷路器不可能形成擊穿放電。但電場(chǎng)分布

極不均勻會(huì)使空氣的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度低于3×106 V/m，對(duì)直流電壓下棒板電極，且棒為正極性時(shí)，其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)可能降為4.5×105 V/m，導(dǎo)致低壓斷路器有發(fā)生局部放電甚至擊穿的可能性。因此本文需確定低壓斷路器電場(chǎng)的均勻程度，以此作為提升低壓斷路器絕緣能力的依據(jù)。

根據(jù)電場(chǎng)不均勻系數(shù)，可以將電場(chǎng)分為2類：當(dāng)電場(chǎng)不均勻系數(shù)f≤4時(shí)，屬于稍不均勻電場(chǎng);當(dāng)電場(chǎng)不均勻系數(shù)fgt;4時(shí)，屬于極不均勻電場(chǎng)。電場(chǎng)不均勻系數(shù)f的計(jì)算公式［12］為

f=Emax/Eavg（8）

式中："Emax——局部最大電場(chǎng)強(qiáng)度，可通過(guò)查看仿真結(jié)果中電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值獲得;

Eavg——平均電場(chǎng)強(qiáng)度，是加載電壓與最小電氣間隙之比。

工況1下，每極斷路器加載電壓為500 V，最小電氣間隙（此處為動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的最小空間距離）為23.19 mm，平均電場(chǎng)強(qiáng)度Eavg=2.16×104 V/m。因此，電場(chǎng)不均勻系數(shù)f=11.02gt;4，屬于極不均勻電場(chǎng)。

工況1～工況6下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)不均勻系數(shù)如表3所示。仿真結(jié)果表明，在上述工況下，電場(chǎng)強(qiáng)度最大的點(diǎn)都位于動(dòng)觸頭觸點(diǎn)處，且表現(xiàn)出動(dòng)觸頭距離靜觸頭越近，電場(chǎng)強(qiáng)度越大的趨勢(shì)。隨著電壓的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度也均增大。由表3可知，上述工況下低壓斷路器電場(chǎng)都屬于極不均勻場(chǎng)，且表現(xiàn)出動(dòng)觸頭距離靜觸頭越近，不均勻系數(shù)越大的趨勢(shì)。在工況6下，電場(chǎng)極不均勻，最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到5.84×105 V/m，存在發(fā)生擊穿的可能性。因此，需要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低最大場(chǎng)強(qiáng)和電場(chǎng)不均勻系數(shù)。

2.2"模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由仿真結(jié)果可知，斷路器的動(dòng)觸頭觸點(diǎn)處為金屬尖端，電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)最大。為降低電場(chǎng)強(qiáng)度，將動(dòng)觸頭觸點(diǎn)處尖角改成帶有一定弧度的圓弧角（取曲率半徑為2.5 mm）［13-15］。優(yōu)化前后模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

優(yōu)化前后，在電壓等級(jí)為1 500 V、最小觸頭間距下（表2中工況5）進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真計(jì)算。三極斷路器均開(kāi)斷成功時(shí)外部電場(chǎng)分布對(duì)比如圖6所示。

與工況1下的電場(chǎng)分布相比，由于在同樣電壓等級(jí)下，觸頭間距減小，電場(chǎng)分布更為嚴(yán)峻，因此在靜觸頭頂端棱角以及動(dòng)觸頭尖端處均顯示出較大場(chǎng)強(qiáng)。在正常工況下，即三極斷路器同時(shí)斷開(kāi)時(shí)，以A極某切面為例，優(yōu)化前的最高電場(chǎng)強(qiáng)度從2.01×105 V/m降低到優(yōu)化后的1.23×105 V/m，降低了39%。說(shuō)明了此優(yōu)化方案有利于改善電場(chǎng)，降低斷口間發(fā)生空氣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

3"結(jié)"語(yǔ)

本文通過(guò)三維軟件NX UG建立BM5型低壓斷路器的三維模型，通過(guò)有限元分析軟件Ansys Maxwell對(duì)該低壓斷路器進(jìn)行三維電場(chǎng)計(jì)算及優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

（1） 為定位出不同工況下低壓斷路器的電場(chǎng)集中位置與絕緣薄弱點(diǎn)，對(duì)該低壓斷路器在靜電場(chǎng)下求解不同電壓及不同觸頭間距下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算出電場(chǎng)不均勻系數(shù)。最終得出低壓斷路器的最大場(chǎng)強(qiáng)位于動(dòng)觸頭觸點(diǎn)處，且在電壓等級(jí)2 000 V、最小觸頭間距工況下仿真得到的最大場(chǎng)強(qiáng)為5.84×105 V/m，存在空氣擊穿的可能。

（2） 通過(guò)NX UG軟件修改低壓斷路器模型結(jié)構(gòu)，將動(dòng)觸頭觸點(diǎn)處尖角改成帶有一定弧度的圓弧角（取斷路器最小曲率半徑為2.5 mm），可以顯著降低電場(chǎng)強(qiáng)度，有利于降低發(fā)生空氣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

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收稿日期： 20240423