摘"要：由于低壓斷路器中電場分布不均勻，在實際運行中易出現(xiàn)局部放電等問題，甚至引發(fā)火災(zāi)事故，因此對低壓斷路器中的電場進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計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分布情況，并對斷路器的絕緣薄弱點進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。最后，通過比較優(yōu)化前后的最大電場強(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。

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

中圖分類號： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 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關(guān)，主要由觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、各種脫扣裝置和開關(guān)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件組成。其中，開關(guān)機(jī)構(gòu)是低壓斷路器的關(guān)鍵部件，通過操作手柄和各種脫扣單元控制觸頭的開閉，直接影響低壓斷路器的開斷能力［1］。在逆變器直流線路中，接頭松脫、接觸不良、絕緣老化等問題的出現(xiàn)易造成拉弧現(xiàn)象。針對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仿真模型，找出電場集中且絕緣薄弱處并提出優(yōu)化設(shè)計顯得至關(guān)重要。

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

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

1"電場的數(shù)值分析方法

1.1"電磁場計算原理

電磁場計算的實質(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個方程組成，包括4個基本的電磁學(xué)定律，即安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、電場高斯定律和磁場高斯定律［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。

電場強(qiáng)度等于電勢負(fù)梯度，即

E=-SymbolQC@φ（6）

結(jié)合上述方程，得到電勢的泊松方程為

SymbolQC@2φ=-ρε（7）

式中："φ——電勢;

ε——材料的介電常數(shù)。

對于電磁場的計算，就是對以電勢函數(shù)為待求量的泊松方程或拉普拉斯方程的求解問題，需以實際物理問題為背景，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有限元仿真軟件對低壓斷路器的電場分布進(jìn)行分析［11］。仿真分析過程包括5個步驟：① 建立三維模型;② 設(shè)置激勵和邊界條件;③ 網(wǎng)格設(shè)置;④ 求解器設(shè)置;⑤ 電場分布結(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、動觸頭、動觸點、靜觸頭、靜觸點、隔弧板和滅弧柵等結(jié)構(gòu)。本文研究斷路器動觸頭、靜觸頭在不同間距下的靜電場分布，通過旋轉(zhuǎn)動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下的電場分布，動觸頭與靜觸頭之間的電壓激勵設(shè)置為1 500 V和2 000 V共2個電壓等級。

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算資源獲得最準(zhǔn)確的計算結(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)化中會消耗相當(dāng)多的時間。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)行手動設(shè)置，然后進(jìn)行少量自適應(yīng)細(xì)化步驟得到的，以實現(xiàn)快速網(wǎng)格劃分。

求解器采用靜電場解析的默認(rèn)設(shè)置。

2"電場仿真分析

2.1"不同電壓和不同觸頭間距下的電場仿真

光伏發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對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下的電場分布，識別絕緣薄弱部位至關(guān)重要。

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

針對工況1，對斷路器進(jìn)行數(shù)值模擬計算。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，各極斷路器電場會互相影響，但每一極電場集中區(qū)域均出現(xiàn)在動觸頭觸點四周、動觸頭末端棱角處、靜觸頭頂端棱角處。為了定位電場強(qiáng)度最大值所在點，在上述電場集中點所在的平面觀察電場分布。工況1下電場集中區(qū)域如圖4所示。

由圖4（a）可知，A極斷路器的動觸頭觸點四周處電場強(qiáng)度最大，達(dá)到2.38×105 V/m。一般空氣的臨界擊穿電場強(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。但電場分布

極不均勻會使空氣的臨界擊穿電場強(qiáng)度低于3×106 V/m，對直流電壓下棒板電極，且棒為正極性時，其平均擊穿場強(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)電場不均勻系數(shù)，可以將電場分為2類：當(dāng)電場不均勻系數(shù)f≤4時，屬于稍不均勻電場;當(dāng)電場不均勻系數(shù)fgt;4時，屬于極不均勻電場。電場不均勻系數(shù)f的計算公式［12］為

f=Emax/Eavg（8）

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

Eavg——平均電場強(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（此處為動觸頭與靜觸頭之間的最小空間距離）為23.19 mm，平均電場強(qiáng)度Eavg=2.16×104 V/m。因此，電場不均勻系數(shù)f=11.02gt;4，屬于極不均勻電場。

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

2.2"模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由仿真結(jié)果可知，斷路器的動觸頭觸點處為金屬尖端，電場場強(qiáng)最大。為降低電場強(qiáng)度，將動觸頭觸點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，在電壓等級為1 500 V、最小觸頭間距下（表2中工況5）進(jìn)行靜電場仿真計算。三極斷路器均開斷成功時外部電場分布對比如圖6所示。

與工況1下的電場分布相比，由于在同樣電壓等級下，觸頭間距減小，電場分布更為嚴(yán)峻，因此在靜觸頭頂端棱角以及動觸頭尖端處均顯示出較大場強(qiáng)。在正常工況下，即三極斷路器同時斷開時，以A極某切面為例，優(yōu)化前的最高電場強(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%。說明了此優(yōu)化方案有利于改善電場，降低斷口間發(fā)生空氣擊穿的風(fēng)險。

3"結(jié)"語

本文通過三維軟件NX UG建立BM5型低壓斷路器的三維模型，通過有限元分析軟件Ansys Maxwell對該低壓斷路器進(jìn)行三維電場計算及優(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集中位置與絕緣薄弱點，對該低壓斷路器在靜電場下求解不同電壓及不同觸頭間距下的最大電場強(qiáng)度，計算出電場不均勻系數(shù)。最終得出低壓斷路器的最大場強(qiáng)位于動觸頭觸點處，且在電壓等級2 000 V、最小觸頭間距工況下仿真得到的最大場強(qiáng)為5.84×105 V/m，存在空氣擊穿的可能。

（2） 通過NX UG軟件修改低壓斷路器模型結(jié)構(gòu)，將動觸頭觸點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），可以顯著降低電場強(qiáng)度，有利于降低發(fā)生空氣擊穿的風(fēng)險。

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收稿日期： 20240423