363kV快速真空断路器电场计算_数学_自然科学_专业资料。363 kV 快速真空断路器电场计算 艾绍贵 1，余晓 2，刘恒 2，黄永宁 1，罗海荣 1，于浩 3，李全明 3 【摘 要】 高电压等级开关设备的绝缘水平严重影响设备的安全运行和开断能力， 因此在研
363 kV 快速真空断路器电场计算 艾绍贵 1，余晓 2，刘恒 2，黄永宁 1，罗海荣 1，于浩 3，李全明 3 【摘 要】 高电压等级开关设备的绝缘水平严重影响设备的安全运行和开断能力， 因此在研发高电压真空断路器时需要分析其电场分布。以 363 kV 快速真空断 路器设计结构为原型，建立三维有限元电场计算模型，分别计算了额定电压下 闭合和开断工况下的电场分布，分析了灭弧室、绝缘子以及主要金具表面的电 场大小。结果表明：均压环表面电场最大值为 1.92 MV/m，绝缘子表面最大值 为 0.36 MV/m，开距 20 mm 时灭弧室断口电场最大值为 3.5 MV/m，其他部 位电场均处于控制范围内，断路器总体结构设计合理，满足绝缘要求。 【期刊名称】宁夏电力 【年(卷),期】2019(000)003 【总页数】6 【关键词】 多断口；真空断路器；有限元；电场计算 有效访问地址： http：10.3969/j.issn.1672-3643.2019.03.001 基金项目：国家电网公司总部科技项目（5229DK160005） 多断口高电压等级真空断路器具有工作电压等级高、开断速度快、可靠性高、 环境友好等优点，已经成为真空断路器未来发展的趋势［1-4］。配以快速永磁 操动机构的真空断路器在配电网单相接地事故预防、电网短路限流、串联补偿 等方面得到了应用研究，并进行了推广，取得了良好的社会经济效益［5-6］， 然而目前尚未被用于快速开断短路电流的 363 kV 电压等级的开关设备。对于 高电压真空断路器，其电场分布将会严重影响其正常运行和开断能力，因此在 断路器的设计阶段，应对整机的金具和绝缘部分进行计算校核，保证各部分电 场强度处于控制范围。 断路器结构复杂，目前对其电场的研究主要集中于计算与优化线 气体灭弧室的电场，对于高电压等级平台式的真空断路器的研究较少。在 高压断路器现代设计和分析中，绝缘设计是其最基本问题，有效途径是以电场 数值计算为基础而展开分析。文献［7-8］对 40.5 kV 和 72.5 kV 真空灭弧室 电位和电场进行了计算和优化。文献［9-10］对 550 kV 和 1100 kV 的双断口 SF6 断路器电场进行了分析。以上研究都体现出了有限元法能够处理断路器复 杂的几何结构，实现电场的精确计算。 以 363 kV 快速真空断路器的设计结构为原型，建立三维有限元电场计算模型， 获得了整机额定闭合和开断工况下的电场分布特征，并分析了电场值是否超过 控制值，指出电场集中位置和绝缘薄弱点。研究结果可为断路器的制造和运维 提供支持。 1 363 kV 快速断路器物理模型 363 kV/5 kA 真空断路器的拓扑连接结构如图 1 所示。整机由 40.5 kV/2.5 kA 的真空灭弧室串并联构成，每一相由 2 组 6 个串联的真空灭弧室并联构成，每 一个真空灭弧室均并联了均压电容。图 2 为 1 个单元的三维结构，主要由 2 台 灭弧室和并联电容构成，分 6 个单元，永磁斥力机构位于操动机构箱内，灭弧 室和并联电容均安装于操动机构箱上表面，2 台灭弧室和均压电容均由铜排连 接。真空灭弧室位于双层结构的复合绝缘子和环氧树脂套筒内，并在绝缘子套 筒上下端安装有上下接线端盖。在额定工况下，断路器的工作电压为 断路器单相由 3 个单元体串联再与另 3 个单元体并联组成，结构非常复杂，尺 寸以及尺寸对比度大。在进行仿线 个单元进行计算分析 即可，同时在建模时进行了适当的简化，省略了操作机构以及真空灭弧室中的 波纹管、屏蔽罩等结构更为复杂且对计算结果影响甚微的部件。简化后的仿线 电场有限元计算模型 2.1 数学模型 断路器的复合绝缘子、高压支架、灭弧室、均压电容等系统组成的场域是一个 无界三维电场问题，而有限元法无法直接解决无界场域的计算问题，因此必须 增加有界的空气计算区域。断路器整机的尺寸差距巨大，单台整机所占空间的 高度达到 7 m 左右，直径为 3.5 m。在断路器外面增加 70 m×70 m×70 m 的 空气域，整个计算域由空气和断路器构成（见图 4）。 计算场域满足拉普拉斯方程： 式中，φ—节点电位。 2.2 网格剖分 单台断路器最大部件的尺寸为 5.4 m，最小尺寸为 1 mm，甚至更小，尺寸比 超过 5000，对网格的划分以及计算的精度提出了更高的要求。网格质量影响着 计算的精度和收敛性，因此在进行网格剖分时需要采用手动分部细化剖分。首 先对所有的表面进行三角形网格剖分，因为三角形网格可以对任何结构的几何 进行非结构化网格的划分。对于绝缘子伞裙、支架边缘、灭弧室、铜排、接线、 拉杆、均压环等小部件进行精细化剖分。整体模型采用四面体网格进行剖分， 剖分结果为 47759969 个域单元、1533708 个边界元。局部的网格剖分处理及 效果如图 5 所示。 2.3 材料参数 静电场求解时只需要材料的相对介电常数，分析中远场物质选默认物质为空气， 其他部件按实际部件的材料组成分别从软件材料库中选定。导电体全部设置为 金属，复合绝缘子为硅橡胶和环氧树脂芯子构成，灭弧室的外壳为陶瓷。环氧 树脂的介电常数为 3.6 F/m，硅橡胶的相对介电常数为 4 F/m，灭弧室陶瓷外 壳的相对介电常数为 6 F/m。 3 计算结果与分析 根据文献［11］，高压交流 363 kV 断路器除了承受额定电压外，还要能够通过 工频耐压试验和冲击电压试验。对于闭合工况下，施加电压为；开断工况下， 一端的导体部件加载型式电压值，断口另一侧加载反向电压峰值为空气域的外 边界设置为零电位。 3.1 闭合工况下电场 断路器从上到下配备了 5 组均压环来均衡金具以及绝缘子表面的电场，均压环 及其附近金具表面电场如图 6 所示。均压环表面电场集中于均压环外侧，最大 值为 1.92 MV/m，位于第 1 组均压环表面，小于金
