363 kV快速真空断路器电场计算

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真空灭弧室和SF6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

图1 363 kV真空断路器拓扑连接

图2 1个单元的三维结构

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。在进行仿真计算时，只需要对其1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。简化后的仿真模型结合结构如图3所示。

图3 简化后的仿真模型

2 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）。

图4 电场计算模型

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。

图5 真空灭弧室的网格剖分

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。

表1 363 kV高压断路器的额定绝缘水平 kV

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，小于金具表面电场起晕控制值。

图6 均压环电场分布

真空灭弧室位于双层绝缘套筒内部，其电场分布见图7。电场集中于绝缘套筒上方的金属盖板边缘，最大值为2.23 MV/m。灭弧室内部电场集中于触头边沿和主屏蔽罩边沿，最大值分别为0.23 MV/m和0.11 MV/m。

图7 真空灭弧室电场分布

支柱绝缘子由硅橡胶和环氧树脂芯子材料组成，每一个由3节拼接而成。其电位分布和电场分布见图8-图10。支柱绝缘子第1段沿线电位分布均匀，说明均压环均压效果良好。伞裙表面电场成马鞍形分布，第1片绝缘子表面电场最大，为0.36 MV/m，低于硅橡胶表面电场控制值。绝缘子两端金具和中间连接金具有电场集中现象，其最大值为1.32 MV/m。断路器其他部件表面电场均控制于范围内。

图8 支柱绝缘子伞裙电位分布

图9 支柱绝缘子伞裙电场分布

图10 支柱绝缘子电场分布

3.2 开断工况下电场

断路器的每个断口都并联了均压电容，目的是分析整体的电场。假设均压效果理想，每个断口承担的电压为断路器两端施加电压的1/6。断口开距为20 mm，计算得到的真空灭弧室断口的电场见图11所示。电场集中于触头断口侧的边沿和主屏蔽罩的边沿，最大值分别为3.5 MV/m和2.3 MV/m。

图11 灭弧室开断电场分布

灭弧室陶瓷外壳的电场沿线分布如图12所示，最大值为0.29 MV/m。灭弧室外层和内层绝缘套筒伞裙第1片的电场分别见图13和图14，最大场强分别为0.34 MV/m和0.29 MV/m。

图12 灭弧室陶瓷外壳电场分布

图13 灭弧室外小伞裙第1片表面电场

图14 灭弧室外大伞裙第1片表面电场

4 结 论

采用有限元法，加载额定电压值，对363 kV快速真空断路器闭合和开断工况下的电场分布进行了计算，结果表明：

（1）5组均压环表面的电场最大值分别为1.92 MV/m，1 MV/m，1.46 MV/m，0.9 MV/m和1.1 MV/m，满足绝缘要求。

（2）均压环的均压效果良好，支柱绝缘子电压分布较为均匀，伞裙表面最大电场为0.36 MV/m。

（3）真空灭弧室外部绝缘套筒大小伞裙表面最大电场分别为0.34 MV/m和0.29 MV/m。在完全开断工况下，灭弧室断口最大电场为3.5 MV/m。

断路器的其他部件电场均小于控制值，总体结构设计合理，计算可以为断路器的制造和运维提供参考