孫 巍，于 琪，劉 洋，張洪達(dá)，孫 晨

(1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;2．哈爾濱供電公司客服服務(wù)中心，哈爾濱 150030)

目前，真空斷路器在中壓配電系統(tǒng)中已經(jīng)占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，真空滅弧室設(shè)計(jì)對(duì)真空滅弧室內(nèi)部絕緣性能的要求越來(lái)越高［1－3］。滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布對(duì)真空滅弧室的開(kāi)斷和絕緣性能具有決定性的影響。如果電場(chǎng)分布不均勻，則觸頭間隙將會(huì)擊穿，最終導(dǎo)致開(kāi)斷失敗或絕緣故障，如何使真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)合理分布，則成為重要的研究課題。

動(dòng)、靜觸頭之間的開(kāi)距關(guān)系著觸頭間是否發(fā)生絕緣擊穿，從而直接影響了真空滅弧室的絕緣性能;真空滅弧室內(nèi)部的絕緣性能又與觸頭和屏蔽罩等部件的結(jié)構(gòu)和尺寸關(guān)系很大。對(duì)此，本文采用ANSYS有限元分析軟件，運(yùn)用有限元分析方法，對(duì)中壓真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，并在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，改變真空滅弧室中動(dòng)、靜觸頭之間的開(kāi)距、觸頭和懸浮屏蔽罩的形狀等因素，以確定不同因素對(duì)真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響，從而使中壓真空滅弧室的絕緣性能得到改善。

1 電場(chǎng)仿真模型的建立

假設(shè)在整個(gè)中壓真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域內(nèi)沒(méi)有分布自由電荷，滿(mǎn)足Laplace方程，Laplace方程為

邊界條件為

式中:φ為電位;L1為靜觸頭邊界;L2為動(dòng)觸頭邊界;L3為中軸線(xiàn)和無(wú)限遠(yuǎn)邊界。

伽遼金法得出電勢(shì)弱解方程為

式中，s是由 L1、L2、L3圍成的封閉區(qū)域。

求解上述有限元方程得到各節(jié)點(diǎn)的電位，再由E=－gradφ公式便可得到相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度［4］。

真空滅弧室中的懸浮屏蔽罩所滿(mǎn)足的方程為

式中:φ、S和Q分別為懸浮屏蔽罩的電位、表面積和所帶的電荷量。

中壓真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)的計(jì)算模型如圖1所示。為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，建立的計(jì)算模型和滅弧室樣品均按照1∶1的比例建立，觸頭之間的開(kāi)距按照額定值8 mm進(jìn)行設(shè)定。

模型由屏蔽罩、靜導(dǎo)電桿、動(dòng)導(dǎo)電桿、觸頭座、觸頭支撐和觸頭片幾部分構(gòu)成。其中:屏蔽罩的長(zhǎng)度為138 mm，外徑為102.5 mm;觸頭片的直徑為79 mm，觸頭片的厚度為5 mm，觸頭片上的徑向直槽的寬度為2 mm，長(zhǎng)度為22 mm;觸頭座的高度為22 mm，杯壁厚度為9 mm，觸頭座的杯指與水平面的夾角為25°。

圖1 中壓真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)的計(jì)算模型Fig 1 Calculation model of electric field inside medium voltage vacuum arcing chamber

2 材料屬性和邊界條件的設(shè)置

完成模型的建立后，需要對(duì)各個(gè)部分設(shè)置相應(yīng)的材料特性。其中:導(dǎo)電桿、觸頭座、母排和套接的材料均為純銅;觸頭支撐的材料為不銹鋼;觸頭片的材料為CuCr50;屏蔽罩的材料為不銹鋼。模型所用的材料屬性如表1所示(真空的相對(duì)介電常數(shù)為1)。

表1 模型材料屬性Tab.1 Properties of model material

邊界條件的設(shè)置:對(duì)靜觸頭及其金屬連接件施加高電位(12 kV)，動(dòng)觸頭及其金屬連接件為零電位;主屏蔽罩設(shè)置為懸浮導(dǎo)體;計(jì)算場(chǎng)域?yàn)槟Ｐ偷?倍，無(wú)限遠(yuǎn)邊界處設(shè)置為零電位。

3 電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

將電場(chǎng)仿真計(jì)算模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，然后按照材料屬性和邊界條件進(jìn)行計(jì)算，得到中壓真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布，電場(chǎng)仿真模型縱向剖面的電場(chǎng)分布云圖如圖2所示。

圖2 中壓真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布云圖Fig．2 Electric field distribution inside medium voltage vacuum arcing chamber

從圖2可以看出，電場(chǎng)分布最密集的區(qū)域?yàn)橛|頭間隙和觸頭片表面邊緣處。為了更直接地顯示電場(chǎng)分布，分別選取靜觸頭表面沿直徑方向的路徑、動(dòng)觸頭表面沿直徑方向的路徑和觸頭中心平面沿直徑方向的路徑，將這三條路徑上的電場(chǎng)分布進(jìn)行對(duì)比，觸頭表面與觸頭中心平面徑向的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)如圖3所示。其中:靜、動(dòng)觸頭表面沿直徑方向路徑的取值位置為從觸頭表面的中心處沿觸頭表面徑向方向到觸頭表面的外緣;觸頭中間平面沿直徑方向路徑的取值位置為從仿真模型的中心處沿觸頭中心平面徑向方向到模型外緣。

圖3 觸頭表面與觸頭中心平面徑向的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)圖Fig．3 Radial electric field distribution curve of contact terminal surface and contact terminal center plane

從圖3可以看出:1)動(dòng)、靜觸頭之間中心平面的電場(chǎng)強(qiáng)度雖然比較大(最大值為1.5×106V/m)，但是這部分區(qū)域的電場(chǎng)分布比較均勻，不易發(fā)生放電。2)真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在靜觸頭表面邊緣處，也就是觸頭間隙的邊緣位置，最大值為1.62×106V/m，超過(guò)了動(dòng)、靜觸頭之間的中心平面的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值。3)動(dòng)、靜觸頭表面的電場(chǎng)分布不均勻，在距離觸頭表面中心35 mm處，電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)了快速的增大。4)靜觸頭表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于動(dòng)觸頭表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。這是因?yàn)?以滅弧室樣品的實(shí)際模型為基礎(chǔ)建立的電場(chǎng)仿真模型的靜端組件與動(dòng)端組件不完全對(duì)稱(chēng)，靜導(dǎo)電桿的長(zhǎng)度小于動(dòng)導(dǎo)電桿，而且靜導(dǎo)電桿完全封閉在屏蔽罩內(nèi)部，從而靜端組件(靜端觸頭和靜導(dǎo)電桿)周?chē)碾妶?chǎng)全部集中在屏蔽罩內(nèi)部。

4 真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布影響因素的分析

真空滅弧室絕緣性能的好壞主要取決于滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布。研究真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響因素，需要采用不同的電場(chǎng)模型進(jìn)行對(duì)比仿真計(jì)算。在真空滅弧室長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐中，表面光滑的電極在高真空度(P≤6.6×10－2Pa)間隙的電場(chǎng)耐受強(qiáng)度為107V/m。考慮到電場(chǎng)的不均勻系數(shù)、電極表面的狀態(tài)和絕緣裕度等因素，在實(shí)際的真空滅弧室設(shè)計(jì)中，真空滅弧室內(nèi)部的最大電場(chǎng)強(qiáng)度不應(yīng)該高于 8 ×106V/m［5－6］。然而，真空滅弧室的絕緣性能不僅單純與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，更取決于滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值與最小值之差，即電場(chǎng)分布的均勻性，場(chǎng)強(qiáng)差越小，說(shuō)明電場(chǎng)的分布越均勻，真空滅弧室的絕緣性能也越好。因此，采用對(duì)比計(jì)算的方式，闡述真空滅弧室中動(dòng)靜觸頭的開(kāi)距、觸頭和懸浮屏蔽罩的形狀等因素對(duì)滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響。

4.1 觸頭開(kāi)距對(duì)電場(chǎng)分布的影響

在之前的設(shè)計(jì)中，動(dòng)、靜觸頭之間的開(kāi)距為8 mm?，F(xiàn)改變觸頭開(kāi)距，使其分別為8 mm、10 mm和11 mm，對(duì)從仿真模型中心處沿觸頭中心平面徑向方向到模型外緣的區(qū)域和從靜觸頭表面中心處沿觸頭表面徑向方向到觸頭表面外緣路徑的電場(chǎng)強(qiáng)度分別進(jìn)行對(duì)比，得到不同觸頭開(kāi)距下觸頭中心平面徑向電場(chǎng)分布曲線(xiàn)和不同觸頭開(kāi)距下靜觸頭表面徑向電場(chǎng)分布曲線(xiàn)如圖4和圖5所示。

圖4 不同的觸頭開(kāi)距下觸頭中心平面徑向電場(chǎng)分布曲線(xiàn)Fig．4 Radial electric field distribution curve of contact terminal center plane under different contact terminal distance

圖5 不同的觸頭開(kāi)距下靜觸頭表面徑向電場(chǎng)分布曲線(xiàn)Fig．5 Radial electric field distribution curve of static contact terminal surface under different contact terminal distance

從圖4和圖5可以看出:隨著動(dòng)、靜觸頭之間開(kāi)距的增大，觸頭中心平面的電場(chǎng)強(qiáng)度減小，靜觸頭表面的電場(chǎng)強(qiáng)度和滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值也隨之減小，但是電場(chǎng)強(qiáng)度的分布趨勢(shì)沒(méi)有明顯改變。這說(shuō)明:改變觸頭之間的開(kāi)距，只是可以降低滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度，但是不能改變滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布，不能降低場(chǎng)強(qiáng)差。所以，單純改變動(dòng)、靜觸頭之間的開(kāi)距，不能明顯改善真空滅弧室的絕緣性能。

4.2 不同電極對(duì)電場(chǎng)分布的影響

雖然真空滅弧室動(dòng)、靜觸頭之間的電位差最大，場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)，但是由于這部分區(qū)域的面積較大，因此電場(chǎng)分布比較均勻，耐壓性能較好，動(dòng)、靜觸頭之間不易發(fā)生擊穿。然而靜觸頭表面的電場(chǎng)分布不均勻，在距離觸頭表面中心35 mm處(即觸頭邊緣倒角處)電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)了快速的增大，是真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布的最強(qiáng)點(diǎn)。分別對(duì)觸頭邊緣為直角、倒圓角(半徑1 mm和半徑1.5 mm)情況下的電場(chǎng)模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)從靜觸頭表面中心處沿觸頭表面徑向方向到觸頭表面外緣路徑的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得到不同電極的靜觸頭表面徑向電場(chǎng)分布曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 不同電極的靜觸頭表面徑向電場(chǎng)分布曲線(xiàn)Fig．6 Radial electric field distribution curves of static contact surface at different electrode

從圖6可以看出:1)觸頭外形中的棱邊做圓倒角處理后，靜觸頭表面的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯下降，電場(chǎng)分布更加均勻。2)觸頭外形中的棱邊做圓倒角處理后，真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度也明顯減小，改善了真空滅弧室的絕緣性能。3)在一定范圍內(nèi)，隨著觸頭邊緣棱邊圓倒角半徑的增大，靜觸頭表面的電場(chǎng)強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。但需要的注意的是:在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，要綜合考慮各種因素來(lái)選擇觸頭邊緣圓倒角的半徑，不能一味增大圓倒角的半徑。這是因?yàn)?圓倒角半徑的增大會(huì)減小觸頭之間實(shí)際的接觸面積，引起觸頭表面電流密度的增大，導(dǎo)致真空電弧難以開(kāi)斷，從而影響真空滅弧室的開(kāi)斷性能。

4.3 屏蔽罩對(duì)電場(chǎng)分布的影響

觸頭與屏蔽罩之間的區(qū)域和屏蔽罩邊緣區(qū)域的電場(chǎng)分布比較不均勻，影響了滅弧室的絕緣性能。因此，有必要分析屏蔽罩尺寸、翻邊開(kāi)口處的半徑與朝向?qū)缁∈覂?nèi)部電場(chǎng)分布的影響，以使上述區(qū)域的電場(chǎng)分布更加均勻。

4.3.1 屏蔽罩半徑對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響

為研究屏蔽罩尺寸對(duì)真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響，當(dāng)其他條件不變時(shí)，只改變屏蔽罩的半徑，對(duì)比計(jì)算真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布。分別取屏蔽罩半徑為46.25、48.75和51.25 mm時(shí)的情況進(jìn)行分析，對(duì)從靜觸頭下端面外緣處沿徑向到屏蔽罩內(nèi)側(cè)路徑的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得到不同屏蔽罩半徑的真空滅弧室沿路徑方向的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 不同屏蔽罩半徑的真空滅弧室沿路徑方向的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)Fig.7 Electric field distribution curve of different shielding radius vacuum arcing chamber along the direction

從圖7可以看出:1)從三條曲線(xiàn)的趨勢(shì)來(lái)看，在靜觸頭下端面的外緣處附近，電場(chǎng)強(qiáng)度快速上升，但是隨著與靜觸頭距離的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸下降，并且最終趨于平緩。這是因?yàn)樵陟o觸頭下端面的外緣處附近區(qū)域的面積較小，導(dǎo)致這部分區(qū)域的電荷分布相對(duì)集中，所以這部分區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)快速上升。但隨著與靜觸頭距離的增大，電荷分布逐漸均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度逐步下降，最終趨于平緩。2)屏蔽罩半徑為46.25 mm時(shí)，所選路徑最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.23×106V/m;而屏蔽罩半徑增加到51.25 mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度下降為6.75×105V/m。所以，在一定范圍內(nèi)，隨著屏蔽罩半徑的增大，屏蔽罩與觸頭之間的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯減小而且電場(chǎng)分布更加均勻。

4.3.2 屏蔽罩翻邊開(kāi)口處半徑對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響

為了研究屏蔽罩翻邊開(kāi)口處半徑對(duì)周?chē)妶?chǎng)分布的影響，當(dāng)其他條件不變時(shí)，只改變屏蔽罩翻邊開(kāi)口處的半徑，對(duì)比計(jì)算真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布。取屏蔽罩翻邊開(kāi)口處半徑分別為2.5、3和3.5 mm時(shí)的情況進(jìn)行分析，對(duì)從屏蔽罩翻邊處開(kāi)口處內(nèi)側(cè)沿徑向到屏蔽罩外緣的路徑的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得到不同屏蔽罩翻邊開(kāi)口處半徑的真空滅弧室沿路徑方向的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 不同屏蔽罩翻邊開(kāi)口處半徑的真空滅弧室沿路徑方向的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)Fig．8 Electric field distribution curve in different shielding flange opening radius vacuum arcing chamber along the path

從圖8可以看出:1)從三條曲線(xiàn)的趨勢(shì)來(lái)看，在屏蔽罩翻邊開(kāi)口處附近電場(chǎng)強(qiáng)度快速上升，并且達(dá)到最大值，但隨著與屏蔽罩翻邊開(kāi)口處距離的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度逐步下降，最終趨于平緩。這是因?yàn)槠帘握址呴_(kāi)口處的面積很小，這部分區(qū)域的電場(chǎng)分布也相對(duì)集中。雖然這部分區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于動(dòng)、靜觸頭之間的電場(chǎng)強(qiáng)度，但是由于屏蔽罩翻邊開(kāi)口處的材料比較薄，絕緣性能比較差，所以此處也是真空滅弧室絕緣性能的薄弱點(diǎn)。2)屏蔽罩翻邊開(kāi)口處半徑為2.5 mm時(shí)，所選路徑最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.64×105V/m;而屏蔽罩翻邊開(kāi)口處的半徑增加到3.5 mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度下降為1.4×105V/m。所以，在一定范圍內(nèi)，隨著屏蔽罩翻邊開(kāi)口處的半徑的增大，屏蔽罩翻邊開(kāi)口處附近區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度略有減小而且電場(chǎng)分布更加均勻。

4.3.3 主屏蔽罩翻邊開(kāi)口朝向?qū)?nèi)部電場(chǎng)分布的影響

為了研究屏蔽罩翻邊開(kāi)口朝向?qū)χ車(chē)妶?chǎng)分布的影響，在其余部分結(jié)構(gòu)和條件不變的情況下，只改變屏蔽罩翻邊開(kāi)口的朝向，對(duì)比計(jì)算真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布。分別取屏蔽罩翻邊內(nèi)翻與外翻時(shí)的情況進(jìn)行分析，對(duì)屏蔽罩與靜導(dǎo)電桿之間中線(xiàn)位置的路徑的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得到不同屏蔽罩翻邊朝向情況下沿路徑方向的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)如圖9所示。

從圖9可以看出:當(dāng)保證同樣絕緣間隙時(shí)，屏蔽罩翻邊開(kāi)口朝向滅弧室外側(cè)時(shí)，所選路徑的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為3.37×105V/m;而屏蔽罩翻邊開(kāi)口朝向滅弧室內(nèi)側(cè)時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度上升為3.52×105V/m。因此，屏蔽罩翻邊開(kāi)口朝向滅弧室外側(cè)時(shí)，屏蔽罩與靜導(dǎo)電桿之間區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度比較小。

圖9 不同屏蔽罩翻邊朝向情況下沿路徑方向的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)Fig.9 Electric field distribution curve of different shielding flanging towards the case along the path

5 結(jié)論

1)真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在靜觸頭表面邊緣處，此處是絕緣的薄弱點(diǎn)。

2)單純改變動(dòng)、靜觸頭之間的開(kāi)距，真空滅弧室的絕緣性能不能得到明顯改善。

3)在一定范圍內(nèi)，隨著屏蔽罩半徑的增大，屏蔽罩與觸頭之間的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯減小。

4)屏蔽罩翻邊開(kāi)口外翻時(shí)的屏蔽罩周?chē)鷧^(qū)域的電場(chǎng)分布比內(nèi)翻時(shí)小，而且隨著蔽罩翻邊開(kāi)口處半徑的增大，翻邊開(kāi)口處附近區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度下降。

［1］NIMS J W．SMITH R E．Application of a genetic algorithm to power transformer design［J］．Electric Machines and Power Systems，1995，24(10):669 680．

［2］SHOKICHI It O，KAWASE Y，MORI H．3D finite element analysis of magnetic blowout force acting on the arc in molded case circuit breakers［J］． IEEE Transaction on Magnetics，1997，33(2):2053 2056．

［3］WEXLER A．Finite-element field analysis of an inhomogeneous，an isotropic，reluctance machine rotor［J］．Journal of Beijing Institute of Technology，1999，8(2):12 15．

［4］WEIMERS L．HVDC Light——A New Technology for a Better Environment［J］．IEEE Power Engineering Review，1998，18(8):19 20．

［5］梁淑華，范志康，胡銳．CuCr50觸頭材料優(yōu)化熱處理工藝研究［J］．金屬熱處理學(xué)報(bào)，2000(3):66 70．LIANG Shuhua，F(xiàn)AN Zhikang，HU Rui．Investigation on the optimum heat treatment process of CuCr50 contact materials［J］．Transactions of Metal Heat Treatment，2000(3):66 70．

［6］李禹成．小型化真空滅弧室的研究與設(shè)計(jì)［D］．西安:西安交通大學(xué)，2008．LI Yucheng．Study and design of small scale vacuum interrupter［D］．Xi’an:Xi’an Jiaotong University，2008．