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1、1602 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 24 kV 户外真空断路器绝缘性能分析 刘向东 路 璐 林 莘 沈阳工业大学电气工程学院 辽宁 沈阳 110023 【摘 要】 本文采用电磁场理论以及有限元分析方法，利用电磁场数值分析软件平台，对三相分立敞 开式 24 kV 户外高压交流真空断路器进行了电场绝缘结构的分析校核。获得触头分别在不 同开距下，真空断路器的整体和真空灭弧室的电位及电场强度分布云图，分析其绝缘的薄 弱环节，所得分析结果及理论数据为产品样机的绝缘结构设计提供了可靠依据。 【关键词】 户外真空断路器 真空灭弧室 绝缘分析 电场数值计算 有限元法 Analysis of
2、Insulation Strength of 24 kV Outdoor Vacuum Circuit Breaker Liu Xiangdong Lu Lu Lin Xin School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology，Shenyang 110178，Liaoning，China Abstract：The method of computing electric field and electric potential with ANSYS in 24kV high voltage ourdoor vac
3、uum circuit breaker chamber is introduced. ANSYS is used to analyse the influence of different boundary on electric field in vacuum interrupter，which lays a basis for the exact quantitative analysis and putation. By analyzing the electrical field intensity distribution of vacuum circuit breake chamb
4、er，the distribution nephogram of the whole area and the maximal electric field intensity area are attained. Key words：outdoor vacuum circuit breaker；vacuum interrupter；insulation analysis；numerical analysis of electric field；finite element method 1 前 言 我国迅猛发展的电力事业以及日趋增加的用电负荷需求，带动着我国的电网规划建设前进步伐。 近年来，
5、20 kV 配电网以其投资低、节约线损、供电能力强等强大优势，逐步取代了 10 kV 配电网的垄 断地位。断路器作为 20 kV 配电网中的重要开关设备，在配电系统中得到广泛的应用，其中蕴涵着深 远的社会效益和经济效益1。为满足国内 20 kV 配网建设的需要，研发制造出技术先进质量可靠的 24 kV 户外高压交流真空断路器，是目前高压开关制造行业迫切需要解决的课题2。 真空断路器一直以其优异的灭弧性能和杰出的绝缘耐受特性，在配电系统中得到了广泛的应用， 是电力系统中很有发展前景的一类开关产品。真空灭弧室是真空断路器中最核心的部件，具有开断容 量大、可频繁操作、灭弧性能好、无污染、体积小等特点
6、。由于真空断路器正在朝向高电压等级发 展，因此，对户外真空灭弧室的内外绝缘性能更需要进行深入的研究。灭弧室的电场分布很大程度上 影响着真空断路器的绝缘性能，不均匀的电场分布，将会导致触头间隙的击穿，最终使开断失败。在 真空灭弧室内部设置均压屏蔽罩，会使内部电场分布均匀，进而使真空灭弧室的结构更加合理化和小 型化。然而，加入屏蔽罩又会使得灭弧室中的电场分布发生变化，为了准确地校核灭弧室的绝缘性 作者简介：刘向东（1962）男，博士研究生，研究方向高压电器电磁场分析与优化设计。 电机与电器 1603 能，分析屏蔽罩对电场分布的影响，对户外真空断路器进行电场数值分析是验证产品可靠性能的关键 一环。因
7、此，本文针对国内开关生产企业自行研发并制造生产的一种新型 24 kV 户外高压交流真空断 路器的绝缘结构进行了分析和设计。 2 建立数学模型 本文以三相分立的支柱式敞开式结构的 24 kV 户外交流高压真空断路器产品样机为原始模型，采 用有限元分析方法对该真空断路器进行数学建模，应用 ANSYS 仿真软件，对模型进行三维电场计算。 断路器的整体模型如图 1 所示，图 2 为真空断路器的内部三维结构图，该真空断路器的真空灭弧室封 装在硅橡胶及环氧树脂复合绝缘内，灭弧室套管和绝缘支柱是由环氧树脂采用 APG 工艺浇注而成，其 外部设有带伞裙的硅橡胶外套。图 3 为真空灭弧室的内部放大结构图，主要包
8、括静触头、动触头、均 压屏蔽罩、灭弧室瓷外壳、绝缘介质以及外绝缘。在此计算中，涉及的媒质有，灭弧室内部气体为真 空，相对介电常数取为 1；瓷外壳的相对介电常数取为 6；外绝缘及绝缘拉杆是环氧树脂，环氧树脂的 相对介电常数取为 4；填充的绝缘介质为硅橡胶，相对介电常数取为 2.8；金属铜的相对介电常数取为 2 000。真空灭弧室的动静触头开距为 12 mm，灭弧室内有均匀屏蔽罩，它是一个悬浮电位，因此计算 中对其进行耦合处理。 图 1 真空断路器的模型图 图 2 真空断路器灭弧室内部三维图 Fig.1 Structure of vacuum circuit breaker Fig.2 Inter
9、ior structure of vacuum circuit breaker 静电场计算的基本方法通常是当电极上加规定电压时，求取电极外部空间的电场35。如把电极 表面取作边界S，电极以外的空间称作场域，则场域中电位函数满足微分方程 2 0= （1） 对于导体表面有 L U= （2） 式中 U已知电位； L导体表面边界。 在瓷外壳与硅橡胶，硅橡胶与外绝缘，外绝缘与空气的交界面上，其边界条件应满足 12 = （3） 12 12 nn = （4） 式中 1 、 2 交界面上两种不同材料的相对介电常数； n交界面的外法线矢量。 对于真空断路器的悬浮导体表面有 1604 2008 全国博士生学术论坛
10、电气工程论文集 x = （5） 1 dsq n = （6） 式中 x 待求的悬浮导体表面电位； q悬浮导体的表面电荷量。 对真空断路器进行静电场分析时，选择在模型边界上加电压，根据模型结构采用四面体剖分单 元。剖分网格是采用智能剖分，整体网格模型图如图 4 所示。因为真空断路器为轴对称结构，将灭弧 室沿三维坐标 X 轴做剖面，内部结构的网格划分情况如图 5 所示。由图可以看出，采用智能剖分的优 点在于，图形曲率变化较大的区域，网格划分很密集，而对于结构较规整的区域，网格密度也比较 小。按照断路器触头分断与关合两个工位以及分断时触头的不同开距等情况，分别对灭弧室进行电场 分析，确立电场分布特点及
11、场强集中点，场强集中点是本文分析的重点区域，将各种不同情况下所获 得的电场结果进行比较。 图 3 真空灭弧室的内部放大结构图 图 4 真空断路器的网格剖分图 图 5 真空灭弧室单相剖分图 Fig.3 Interior structure of vacuum interrupter Fig.4 Mesh of vacuum circuit breaker model Fig.5 Mesh of vacuum interrupter 3 计算结果与分析 本文考察在额定雷电冲击耐受电压下，隔离断口间的绝缘性能，将断路器的静触头加高压 125 kV，动触头加零电位 0，得出开距分别在 50%、80%、
12、100% 下断路器整体的电位分布，如图 6中 （a）（c） 各图所示。图中电位单位是 V，场强单位是 V/m。图中左侧的颜色指示条，位于上部的颜 色代表最大值，位于下部的颜色代表最小值，可以看到，图形中颜色的过渡表示着电位呈梯度变化的 过程。灭弧室中由于屏蔽罩的存在，抑制了电场畸变，使得触头附近区域的电压分布很均匀而且是对 称的，屏蔽罩上的悬浮电位约为 60 kV。 （a）50%开距真空灭弧室的电位分布 （b）80%开距真空灭弧室的电位分布 （c）100%开距真空灭弧室的电位分布 图 6 不同开距真空灭弧室的电位分布云图 Fig.6 Distribution of voltage of vac
13、uum interrupter 电机与电器 1605 图 7 中（a）（c）各图分别为以上三种不同触头开距条件下的灭弧室电场强度分布云图。真空 断路器在50% 开距下的电场强度最大值出现在屏蔽罩端部，其电场强度为 25.4 kV/mm，此时触头间的 电场强度明显高于前两种开距下的电场强度，均压屏蔽罩使触头附近的电压呈梯度分布，电场强度分 布均匀，触头间的电场强度较大。真空断路器触头在 80% 开距下以及 100% 开距下，电场强度最大值 分别为21.2 kV/mm 和 18.1 kV/mm，触头附近的电压呈梯度分布，电场强度分布均匀。 （a）50%开距真空灭弧室的电场云图 （b）80%开距真空
14、灭弧室的电场云图 （c）100%开距真空灭弧室的电场云图 图 7 不同开距真空灭弧室的电场强度分布云图 Fig.7 Distribution of electrical field intensity of vacuum interrupter 由图中可以看出当外绝缘介质一定且为均匀介质时，真空灭弧室的电场分布强度相对较大的地方 主要集中分布在动、静触头表面端部和屏蔽罩上下两端部，这些绝缘危险区域易产生绝缘击穿。因 此，在产品的实际设计中，可以通过加大动静触头表面端部的曲率，钝化屏蔽罩两端部的尖角等优化 设计方法，改善场强集中点的电场分布情况。真空灭弧室外表面的电场强度相对较小，由图可以看 到
15、，真空灭弧室外表面的瓷外壳两端与灭弧室两端盖板相接近的附近区域，电场强度值相对于沿表面 的其他位置的电场强度值较大67。 真空断路器触头关合时，其整体的电压等位线分布如图 8，真空灭弧室的电场分布如图 9。真空断 路器触头闭合时，中心导体加高压 125 kV，取无穷远边界为零电位 0，加载后计算得出，无论是断路 器的内部还是外部的电场强度都很小，其中最大电场强度为 0.8 kV/mm。电场强度分布均匀，由触头为 中心，周围的电压呈梯度分布趋势。 图 8 断路器关合的电压等位线分布 图 9 断路器关合的真空灭弧室的场强云图 Fig.8 Distribution of voltage isoline of Fig.9 Distribution of electrical field intensity of vacuum interrupter vacuum interrupter 4 结 论 通过对 24 kV 户外高压交流真空断路器在电场分析与研究，获得了在不同边界条件下断路器的电 1606 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 场强度及电位的变化情况，由以上结果可以很清楚地了解利用 ANSYS 准确的模拟物体的原型，采用有 限元法对电场及电位进行数值计算，可以实现对灭弧室内的电场及电位的变
