王 英，鄒天韻，鄒貴榮

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連培訓(xùn)中心，遼寧 大連 116023；2.復(fù)旦大學(xué)，上海 200433）

油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)設(shè)計與仿真的研究

王 英1，鄒天韻2，鄒貴榮1

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連培訓(xùn)中心，遼寧 大連 116023；2.復(fù)旦大學(xué)，上海 200433）

以有限元理論為基礎(chǔ)，利用有限元分析軟件Ansoft V12，建立油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)的數(shù)學(xué)模型。改變已建模型的相關(guān)參數(shù)，得到開關(guān)油介質(zhì)氣泡剖面的全場域電場分布仿真顯示效果圖，并進(jìn)行相關(guān)分析，提出改善開關(guān)絕緣性能的可行性設(shè)計思路。

Ansoft V12；油介質(zhì)；脈沖功率開關(guān)；設(shè)計；仿真

油介質(zhì)PAO具有擊穿場強(qiáng)高、維護(hù)費(fèi)低、潤滑性能良好等特點(diǎn)，因此在重復(fù)頻率高壓脈沖功率開關(guān)中常選用PAO作為開關(guān)的絕緣介質(zhì)［1－2］。影響油介質(zhì)絕緣特性的因素很多，其中油介質(zhì)中的氣泡是重要影響因素之一［3－5］。采用電磁場有限元分析軟件Ansoft V12對油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)進(jìn)行建模仿真，對比油介質(zhì)中不同氣泡大小和不同氣泡個數(shù)的開關(guān)電場強(qiáng)弱的仿真分布情況，找出氣泡對油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)絕緣特性的影響規(guī)律，對油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)設(shè)計進(jìn)行相關(guān)研究。

1 油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)設(shè)計

1.1 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

開關(guān)核心部件的物理結(jié)構(gòu)總體為半球（半球觸頭電極），結(jié)合應(yīng)用中的開關(guān)實(shí)際大小，并且參比經(jīng)濟(jì)因素和比例模型，選定開關(guān)觸頭直徑為200 mm，開關(guān)兩觸頭間距為30 mm，開關(guān)觸頭仿真區(qū)域?yàn)?00 mm×400 mm×230 mm，開關(guān)觸頭的尺寸大小如圖1所示。

按照圖1的外形尺寸，采用Solidworks制圖軟件設(shè)計1個三維立體仿真模型，如圖2所示。

圖1 開關(guān)觸頭尺寸

圖2 3D觸頭模型

1.2 主要材料

油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)簡易模型由觸頭、油介質(zhì)以及氣泡3個單元組成。觸頭選定良導(dǎo)體銅，其電導(dǎo)率為5.8×10－7S／m，εr＝1。油介質(zhì)選定PAO，其電導(dǎo)率為2×10－10S／m，εr＝2.2。氣泡設(shè)定為理想真空介質(zhì)，其電導(dǎo)率為0，εr＝1。

2 使用Ansoft V12軟件進(jìn)行開關(guān)建模仿真

Ansoft V12在三維分析中按照分析對象的不同，分成很多計算模塊，每個模塊對應(yīng)不同的計算原理［6］。設(shè)定合理的邊界條件，運(yùn)用Ansoft V12電場強(qiáng)度求解器，通過式（1）求得標(biāo)量電位Φ。

式中：Φ（x，y，z）是三維標(biāo)量電位值；ε0是真空的介電常數(shù)；εr（x，y，z）是三維矢量相對介電常數(shù)；ρV（x，y，z）是帶電體電荷密度。

如果標(biāo)量電位值Φ已知，可借助Maxwell's E?quations公式，計算得到參量值E和D。

式中：E是電場強(qiáng)度；D是電位移矢量。

2.1 銅球觸頭模型前處理

2.1.1 建立工程項目

在Ansoft V12軟件主界面工具菜單欄中點(diǎn)擊新建工程按扭，即生成1個Maxwell 3D工程項目，取名maichong kaiguan。點(diǎn)擊菜單欄項目中Maxwell 3D選項，點(diǎn)擊Solution Type選項，隨即會彈出圖3所示的對話框，選定Electrostatic，點(diǎn)擊OK即可。

2.1.2 引入采用solidworks繪制的銅球觸頭

點(diǎn)擊Modeler／Import菜單選項，雙擊Unnamed _1及Unnamed_2可方便地進(jìn)行觸頭更名與觸頭材料更換，如圖4所示。

2.1.3 開關(guān)外形制作

圖3 求解器與坐標(biāo)系設(shè)定界面

圖4 銅球觸頭示意圖

首先設(shè)定開關(guān)外形為長方體，取名Box1，隨后在屏幕右下角的坐標(biāo)定義欄中輸入預(yù)先設(shè)計的坐標(biāo)值，軟件就可自動繪制所需的長方體。每一次坐標(biāo)正確賦值后，都需要通過按回車鍵來進(jìn)行確認(rèn)，否則賦值無效。點(diǎn)擊線條菜單按鈕，以chutou1的球心作為起始點(diǎn)，繪制一條平行于z軸，長為200 mm的直線1。然后以直線1的終點(diǎn)為起始點(diǎn)，再繪制一條平行于x軸，長為200 mm的直線2。最后點(diǎn)擊長方形菜單按鈕，以直線2的終點(diǎn)作為起始點(diǎn)，繪制出所需的長方體。具體的坐標(biāo)賦值界面如圖5所示。

圖5 開關(guān)外形坐標(biāo)賦值界面

2.1.4 確定材質(zhì)

由于Ansoft V12軟件默認(rèn)狀態(tài)下，材料庫中沒有油介質(zhì)選項，因此，需要在材料庫中添加oil選項。具體步驟如下：雙擊Box1，選擇Meterial／edit，點(diǎn)擊Add Material，Material Name輸入oil，Realative Permittivity的value輸入2.2，Bulk Conductivity的Value輸入2×10－10。

2.1.5 氣泡的建模

以1個氣泡為例，其他情況參考本例。點(diǎn)擊氣泡菜單按鈕，在適當(dāng)位置添加球體，半徑為5 mm。命名為qipao，材料為vacuum，如圖6所示。

2.1.6 布爾減運(yùn)算

圖6 氣泡建模過程

打開工程樹目錄，依次選擇繪制好的Box1和 qipao，chutou1，chutou2，然后點(diǎn)擊Modeler／Boolean／Substract命令，進(jìn)行相應(yīng)的布爾減運(yùn)算。

2.2 設(shè)置模型的邊界條件與模型的激勵源

建模完成后，接下來在2個銅球觸頭兩端加載適當(dāng)?shù)碾妷涸?。首先選中chutou1觸頭，然后執(zhí)行Maxwell 3D／Excitations／Assign／Voltage命令選項，隨即會彈出選項對話框。在此對話框中，將該觸頭重命名為Positive，同時將激勵電勢值賦值為300 kV，在Positive觸頭外等電勢面加載＋300 kV的激勵電勢值。按照同樣的步驟和方法，將chutou2觸頭重命名為Negative，同時將激勵電勢值賦值為0 kV，在Negative觸頭外等電勢面加載0 kV的激勵電勢值。

2.3 設(shè)置模型的剖分和求解

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的開關(guān)模型，需要進(jìn)行人工設(shè)定模型的剖分選項，基于上述開關(guān)模型的結(jié)構(gòu)簡單，所以采用仿真軟件的自適應(yīng)剖分功能就可直接進(jìn)行計算求解。執(zhí)行Maxwell 3D／Analysis Setup／Add So?lution Setup命令選項，仿真軟件就會自動按照默認(rèn)的求解設(shè)置進(jìn)行運(yùn)算，最多可以進(jìn)行10次迭代運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果的收斂誤差不超過1%。

盡管該開關(guān)模型比較簡單，但在開關(guān)建模設(shè)定過程中可能存在人為錯誤因素，導(dǎo)致錯誤的仿真運(yùn)算結(jié)果。應(yīng)用Ansoft V12軟件的自動檢測選項，能夠方便快捷地自動檢測出該開關(guān)模型的激勵和邊界條件、網(wǎng)格剖分、參數(shù)設(shè)置以及求解設(shè)置等建模過程中的人為錯誤［7］。

點(diǎn)擊檢測菜單按鈕或Maxwell 3D／Validation Check命令選項，軟件可以對所建模型的相關(guān)設(shè)定進(jìn)行總體上的自動檢測，軟件自動檢測通過后，方可進(jìn)行求解。接下來點(diǎn)擊運(yùn)算菜單按鈕，系統(tǒng)將自動進(jìn)行3D靜電場分析運(yùn)算，待運(yùn)算完成后保存系統(tǒng)的計算結(jié)果。至此，仿真模型的前處理步驟結(jié)束，隨后轉(zhuǎn)入仿真模型的后處理程序。

2.4 模型的靜電場后剖分處理

為了更好地顯示真空材質(zhì)的Box1場強(qiáng)仿真效果圖，便于分析查看，需要對模型進(jìn)行相應(yīng)的剖分處理。在工程樹目錄中選取所有物體，點(diǎn)擊Modeler／Boolean／Split選項，隨即會彈出對話框界面，選擇相應(yīng)選項，點(diǎn)擊OK即可。如圖7所示。

圖7 模型剖分處理界面

執(zhí)行Edit／Select／Faces菜單選項，在剖面中選擇油介質(zhì)。點(diǎn)擊Maxwell 3D／Fields／Fields／E／Mag_E選項，可得到圖8所示的油介質(zhì)電場強(qiáng)度仿真效果圖。

圖8 Box1電場強(qiáng)度仿真效果圖

3 仿真結(jié)果分析

假定油介質(zhì)中沒有氣泡，且油介質(zhì)自身分布很均勻，通過仿真試驗(yàn)，可得到如圖8所示的開關(guān)油介質(zhì)場強(qiáng)分布仿真結(jié)果。

當(dāng)油介質(zhì)出現(xiàn)氣泡時，油介質(zhì)必然分布不均勻。根據(jù)PAO的相關(guān)物理特性，分別選取半徑為2.5 mm和5 mm 2種最具代表性的氣泡按照文中介紹的方法進(jìn)行仿真試驗(yàn)，2種開關(guān)氣泡剖面場強(qiáng)分布顯示效果圖仿真結(jié)果分別如圖9—10所示。

圖9 1個半徑為2.5 mm的氣泡

圖10 1個半徑為5 mm的氣泡

隨著氣泡半徑的增大，單個氣泡會破裂，分成多個小氣泡。按照這個思路，現(xiàn)取氣泡個數(shù)為4、12、20、40、50，同樣按照文中介紹的仿真方法進(jìn)行仿真試驗(yàn)，可得出5種氣泡剖面場強(qiáng)分布顯示效果圖仿真結(jié)果分別如圖11—15所示。

圖11 4個半徑為5 mm的氣泡

圖12 12個半徑為5 mm的氣泡

圖13 20個半徑為5 mm的氣泡

圖14 40個半徑為5 mm的氣泡

對比氣泡半徑為2.5 mm和氣泡半徑為5 mm開關(guān)氣泡剖面油介質(zhì)場強(qiáng)仿真效果圖，發(fā)現(xiàn)后者的油介質(zhì)場強(qiáng)分布更不均勻。由此得出結(jié)論：開關(guān)的油介質(zhì)中氣泡半徑愈大，油介質(zhì)的場強(qiáng)分布愈不均勻，絕緣強(qiáng)度也隨之下降。

圖15 50個半徑為5 mm的氣泡

分析開關(guān)油介質(zhì)中氣泡半徑都是5 mm，氣泡個數(shù)為1、4、12、20、40及50個的油介質(zhì)場強(qiáng)仿真效果圖?？傻贸鼋Y(jié)論：開關(guān)場強(qiáng)分布與油介質(zhì)的均勻度密切相關(guān)，隨氣泡數(shù)量增加，油介質(zhì)均勻度隨之下降，顯然油介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度也會下降，開關(guān)就更容易被擊穿。

4 結(jié)束語

通過以上仿真試驗(yàn)結(jié)果分析，氣泡對油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)的絕緣特性影響較大，為提高開關(guān)的絕緣性能，必須有效地抑制開關(guān)工作時絕緣油介質(zhì)產(chǎn)生氣泡。因此，在開關(guān)設(shè)計中，通常采用液體和固體絕緣介質(zhì)并用、給油介質(zhì)加壓以及加速油介質(zhì)流動等措施及其相互組合的方法，抑制絕緣油介質(zhì)產(chǎn)生氣泡，提高開關(guān)自身的絕緣水平等級，確保開關(guān)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［8－9］。

［1］Khodorkovsky J，＆Khsusid B，Acrivos A，et al.Comprehensive Electrical EvaluationofPolyalphaolefin（PAO）Dielectric Coolant［R］.Beltran INC Brooklyn NY，1997.

［2］劉志一.少油開關(guān)油中微水運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的探討［J］.廣東電力，2001，14（6）：30－32.

［3］梁曦東，周遠(yuǎn)翔，曾 嶸.高電壓工程（第2版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

［4］孟 輝.變壓器有載分接開關(guān)動作波形異常的分析與處理［J］.東北電力技術(shù)，2006，27（11）：36－37.

［5］陳鵬飛，王宏宇，李 爽，等.72.5 kV空氣絕緣HGIS關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（12）：40－42.

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［7］高 潔.基于Ansoft的開關(guān)磁阻電機(jī)有限元分析與研究［D］.石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2008.

［8］鄒貴榮，王 榮，孫法治.油介質(zhì)脈沖功率開關(guān)相關(guān)理論研究探析［J］.東北電力技術(shù)，2015，36（12）：5－7.

［9］王 瑩，孫元章，阮江軍，等.脈沖功率科學(xué)與技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

Study on Switch Design and Simulation of Oil Medium Pulse Power

WANG Ying1，ZOU Tianyun2，ZOU Guirong1
（1.Dalian Training Center of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Dalian，Liaoning 116023，China；2.Fudan University，Shanghai 200433，China）

Based on finite element theory，using finite element analysis software Ansoft V12，a mathematic model of the oil medium pulse power switch is set up.Changing the related parameters of this model，simulation impression drawing of electric field distribution for oil medium bubble section is got.By analysis，feasibility design that can improve the switch insulation performance is put forward.

ansoft V12；oil medium；pulse power switch；design；simulation

TM564

A

1004－7913（2016）11－0012－04

王 英（1970），女，學(xué)士，高級講師，從事高壓開關(guān)技術(shù)研究。

2016－08－20）