劉雨芳 張 旻

（湖南航空技師學(xué)院，湖南 株洲 412000）

高壓隔離開關(guān)應(yīng)用廣泛于電力系統(tǒng)，目前超高壓、特高壓的快速發(fā)展要求隔離開關(guān)具有更強(qiáng)的電磁環(huán)境控制能力和更好的防電暈結(jié)構(gòu)。16、17 型號隔離開關(guān)的靜觸頭為存在多處尖角的鉗夾式，其絞線圈也存在較大的曲率效應(yīng)，導(dǎo)致靜觸頭極易因電場強(qiáng)度過大而發(fā)生放電，產(chǎn)生電磁干擾、噪聲污染等危害，甚至?xí)鸢踩鹿?。因此降低靜觸頭表面電場強(qiáng)度、改善電場分布十分重要。目前，解決該問題常用的方法是經(jīng)驗(yàn)法和試驗(yàn)法，即測試不同參數(shù)的均壓環(huán)對靜觸頭電場的控制能力，但該方法效率低、經(jīng)濟(jì)投入高。有限元技術(shù)的發(fā)展為解決該問題提供了有力工具，通過ANSYS 仿真計(jì)算不同模型參數(shù)下的三維電場并確定最優(yōu)方案，具有效率高、投入少等優(yōu)點(diǎn)，降低了設(shè)計(jì)難度、人力、物力以及時(shí)間成本[1]。本文以GW16A-550、GW17A-550 型隔離開關(guān)靜觸頭為例來分析最優(yōu)防電暈結(jié)構(gòu)方案。

1 有限元建模

隔離開關(guān)靜觸頭如圖1（a）所示，由導(dǎo)電板、夾塊、絞線圈和靜觸桿等部分組成，其中導(dǎo)電板連接母線，靜觸桿合閘時(shí)與動(dòng)觸頭相連。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與理論，夾塊、靜觸頭兩端等尖角部位和絞線圈是需要重點(diǎn)控制電場強(qiáng)度的區(qū)域，本文提出2 種防電暈結(jié)構(gòu)方案。方案一如圖1（b）所示，在4 個(gè)夾塊部分均對稱加裝1060 鋁合金制成的小均壓盤，具體參數(shù)為盤直徑D=220mm，管直徑F=80mm，厚度為2mm。方案二如圖1（c）所示，在靜觸頭兩側(cè)對稱加裝1060 鋁合金大均壓環(huán)，環(huán)直徑D=1140mm，管直徑F=60mm，薄壁厚2mm。

圖1 靜觸頭實(shí)際模型

為節(jié)省計(jì)算資源并提高計(jì)算效率，在將三維模型導(dǎo)入ANSYS 前需要對模型進(jìn)行合理處理，簡化部件裝配間的細(xì)微空氣間隙，簡化螺孔、倒角和圓角等特征，將絞線圈簡化為2 匝，以便在ANSYS 中對模型進(jìn)行進(jìn)一步處理和布林計(jì)算。為準(zhǔn)確計(jì)算空氣域，考慮計(jì)算機(jī)資源，以靜觸頭為中心建立雙層立方體空氣域，內(nèi)層立方體為8m×8m×8m，剖分細(xì)膩網(wǎng)格，外層立方體為16m×16m×16m，進(jìn)行粗剖。設(shè)置有限元模型為solid123 靜電單元，重點(diǎn)區(qū)域的單元尺寸控制在0.01m～0.02m。根據(jù)不同部件的幾何形狀調(diào)整分網(wǎng)參數(shù)，充分平衡計(jì)算精度和單元數(shù)量[2]。圖1 中的3 種有限元模型劃分的網(wǎng)格數(shù)平均為2×107個(gè)左右，節(jié)點(diǎn)數(shù)平均為3×107個(gè)左右，保證了計(jì)算精度。

選取solid123 靜電單元，設(shè)置重點(diǎn)區(qū)域單元尺寸為0.01m～0.02m。根據(jù)各零件幾何特征，對默認(rèn)單元尺寸比例因子、漲縮因子和過濾因子等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在保證計(jì)算精度的情況下盡量減少單元數(shù)量，優(yōu)化計(jì)算過程[3]。分網(wǎng)完畢后，3 種模型平均單元數(shù)量達(dá)到2×107個(gè)左右，節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)3×107個(gè)左右，網(wǎng)格質(zhì)量較好，計(jì)算精度較高。

本文計(jì)算作準(zhǔn)靜電場處理，不計(jì)管母和相間影響，設(shè)靜觸頭處于清潔、干燥且零海拔環(huán)境。網(wǎng)格劃分完畢后，設(shè)空氣的相對介電常數(shù)為1，靜觸頭的相對介電常數(shù)為1×105，并給靜觸頭加載550kV 電壓等級下的峰值相電壓，如公式（1）所示。

對空氣立方體的外表面加載無限遠(yuǎn)邊界條件和零電位，選擇預(yù)處理共軛梯度法處理器PCG 進(jìn)行計(jì)算求解。

2 無均壓環(huán)靜觸頭電場分布

空氣的擊穿場強(qiáng)為2500V/mm～3000V/mm（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），本文要求電場強(qiáng)度控制在2500V/mm 以下。無防電暈結(jié)構(gòu)下靜觸頭表面的電場強(qiáng)度分布云圖如圖2所示，各部件的最大電場強(qiáng)度見表1。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、理論分析一致，絞線圈、下部夾塊、靜觸桿兩端場強(qiáng)較大，超過2500V/mm，需要重點(diǎn)分析。

表1 無均壓環(huán)靜觸頭各部位最大電場強(qiáng)度

圖2 無均壓環(huán)靜觸頭表面電場分布云圖

通過設(shè)置視圖選項(xiàng)過濾場強(qiáng)在2500V/mm 以下的部位，得到起暈部位，如圖3所示。絞線圈起暈部位為朝外一側(cè)，其直徑為22mm，大曲率、大電荷密度導(dǎo)致電場強(qiáng)度較大。由于下部夾塊和靜觸桿兩端存在尖角，因此也會(huì)發(fā)生電暈現(xiàn)象。為降低靜觸頭表面電場強(qiáng)度，需要加裝防電暈結(jié)構(gòu)。

圖3 無均壓環(huán)靜觸頭起暈部位

3 帶均壓盤的靜觸頭電場分布

3.1 550kV 電壓等級

小均壓盤防電暈結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、工藝簡單且經(jīng)濟(jì)成本低，在垂直方向上有更好的柔性表現(xiàn)。在550kV 下裝配小均壓盤的靜觸頭表面電場分布如圖4所示，各部位最大電場強(qiáng)度見表2。結(jié)果表明，均壓盤對夾塊、靜觸頭端部具有良好的屏蔽作用，與無均壓環(huán)情況相比，下夾塊的電場強(qiáng)度下降了42.5%，靜觸桿的電場強(qiáng)度降低了47.1%。但是絞線圈的最大場強(qiáng)為3090V/mm，仍超過控制場強(qiáng)2500V/mm。

表2 帶均壓盤靜觸頭各部位最大電場強(qiáng)度

圖4 帶均壓盤靜觸頭表面電場分布云圖

起暈部位如圖5所示，位于絞線圈外側(cè)。均壓盤因其尺寸較小，難以覆蓋絞線圈，因此屏蔽能力較弱，對絞線圈表面電場強(qiáng)度的控制作用不大。要提高均壓盤對絞線圈的屏蔽能力，可以增加均壓盤的盤徑，進(jìn)而增加屏蔽范圍。

圖5 帶均壓盤靜觸頭起暈部位

保持其他條件不變，分別計(jì)算均壓盤盤徑以20mm 為間隔、從220mm 逐步增至460mm 對靜觸頭最大電場強(qiáng)度的影響，并將13 組數(shù)據(jù)繪制成如圖6所示的曲線圖，可見最大場強(qiáng)隨盤徑的增加而平穩(wěn)降低，每級的最大場強(qiáng)與前一級相比平均下降3.4%，當(dāng)盤徑增至460mm 時(shí)，最大場強(qiáng)為2497V/mm，滿足控制要求。因此增加均壓盤管徑雖能提高屏蔽作用，但效果不明顯，即使能達(dá)到控制要求，但出于工藝、成本等實(shí)際因素考慮，大尺寸的薄殼均壓盤在550kV 電壓等級下實(shí)用價(jià)值不高。

圖6 不同均壓盤盤直徑下靜觸頭最大電場強(qiáng)度

3.2 363kV 電壓等級

363kV 電壓等級隔離開關(guān)靜觸頭結(jié)構(gòu)相似。保持均壓盤F=80mm，D=220mm，其他條件均不變，將加載的峰值相電壓改為公式（2）。

由于電壓等級降低，靜觸頭表面電荷密度變小，因此均壓盤能起到較好的防電暈作用。363kV 下帶均壓盤靜觸頭各部位最大電場強(qiáng)度見表3，最大電場強(qiáng)度為絞線圈上的2002V/mm，滿足控制要求，并且均壓盤結(jié)構(gòu)具有較多優(yōu)點(diǎn)，因此該方案雖不適用于550kV，但適用于363kV 電壓等級。

表3 363kV 下帶均壓盤靜觸頭各部位最大電場強(qiáng)度

4 帶均壓環(huán)的靜觸頭電場分布

4.1 電場強(qiáng)度分析

針對均壓盤尺寸較小，難以對絞線圈起到屏蔽作用的問題，可在靜觸頭兩側(cè)裝配一對大尺寸均壓環(huán)，覆蓋起暈部位[4]。帶均壓環(huán)靜觸頭電場分布如圖7所示，帶均壓環(huán)靜觸頭各部位最大電場強(qiáng)度見表4。由圖7、表4 可知，裝配均壓環(huán)后，靜觸頭表面電場強(qiáng)度大幅降低，最大值為1973V/mm，與不加均壓環(huán)相比，場強(qiáng)降低了43.3%，滿足控制要求。與均壓盤相比，均壓環(huán)防電暈結(jié)構(gòu)屏蔽范圍更廣，效果更明顯，克服了均壓盤對絞線圈表面電場作用不明顯的不足。從成本方面考慮，不計(jì)靜觸頭與防電暈結(jié)構(gòu)的連接件，通過上文計(jì)算，達(dá)到場強(qiáng)控制要求的均壓盤管徑為80mm，環(huán)徑為460mm，4 個(gè)這樣的均壓盤總體積為4.2×106mm3，而本文方案中均壓環(huán)尺寸為環(huán)直徑D=1140mm，管直徑F=60mm，薄壁厚2mm，2 個(gè)這樣的均壓環(huán)體積總和僅為2.7×106mm3，因此該方案更具優(yōu)越性。

表4 帶均壓環(huán)靜觸頭各部位最大電場強(qiáng)度

圖7 帶均壓環(huán)靜觸頭電場分布

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

本文設(shè)定在理想條件下進(jìn)行有限元仿真計(jì)算是，并對仿真模型進(jìn)行了一定簡化處理，與實(shí)物存在一定偏差，在實(shí)際環(huán)境中，濕度、污穢程度、海拔等自然因素以及其他電極的存在都有可能造成實(shí)際值與計(jì)算值之間存在偏差，超過擊穿場強(qiáng)，引起電暈[5-6]。因此對裝配均壓環(huán)靜觸頭的GW16A-550隔離開關(guān)進(jìn)行無線電干擾試驗(yàn)。電暈放電會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖電流，進(jìn)而形成高頻電磁場，給無線電造成干擾，因此電磁兼容性是隔離開關(guān)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，126kV 及以上的高壓隔離開關(guān)必須進(jìn)行無線電干擾試驗(yàn)。

根據(jù)GBT11022—2011 規(guī)定，如果干擾電平不超過2500mV，則認(rèn)為試驗(yàn)通過。

試驗(yàn)所得無線電干擾特性如圖8所示。施加試驗(yàn)電壓時(shí)，無線電干擾值遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的2500mV，試驗(yàn)通過。結(jié)果表明，裝配均壓環(huán)防電暈結(jié)構(gòu)的隔離開關(guān)電暈放電強(qiáng)度低，具有較均勻的電場強(qiáng)度分布，驗(yàn)證了有限元計(jì)算方法的正確性與準(zhǔn)確性。

圖8 無線電干擾特性

5 結(jié)論

在550kV 電壓等級下，無防電暈結(jié)構(gòu)的鉗夾式隔離開關(guān)靜觸頭夾塊尖角、靜觸頭兩端和絞線圈外側(cè)等部位電場強(qiáng)度大，極易引起電暈。

均壓盤式防電暈結(jié)構(gòu)能有效降低夾塊和靜觸桿端部表面電場強(qiáng)度，但對絞線圈的影響不明顯，增加均壓盤盤徑雖能在一定程度上降低絞線圈表面場強(qiáng)，但從工藝和成本方面考慮，在550kV 下不適用，但在363kV 下具有優(yōu)越性。

均壓環(huán)式防電暈結(jié)構(gòu)作用范圍大、屏蔽效果好，是550kV 電壓等級下的理想方案?，F(xiàn)場無線電干擾試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。運(yùn)用有限元方法計(jì)算靜電場，研究防電暈結(jié)構(gòu)的方法具有一定價(jià)值。