真空灭弧室内部电场分布的分析与仿真

真空断路器以其优良的开断性能得到了广泛应用，特别是在中压领域，真空断路器已经具有明显的优势［1］。随着真空技术的迅速发展，真空断路器在满足其性能要求的基础上，也在不断向小型化发展，作为真空断路器的核心部件，真空灭弧室的优化设计也显得越来越重要。

真空灭弧室内部的绝缘水平主要由内部电场分布决定，对于真空灭弧室内部的电场分布的分析是一项复杂的动态绝缘问题，因此这里从真空灭弧室内部静电场分析着手，运用Ansoft Maxwell软件中的静电场分析功能，对真空灭弧室内部元件，在不同形状和结构时的静电场进行分析比较，根据分析结果进行调整，使其内部电场分布满足设计要求，进而得出绝缘性能良好的真空灭弧室优化设计［2］。

1 真空灭弧室组成及其工作原理

真空灭弧室也叫真空泡或真空开关管，是真空断路器的核心器件之一。真空灭弧室内密封了一对的电极和其它一些零件，利用真空中优良的熄弧能力和绝缘性能，实现电路的合分。在电源被切断后，真空灭弧室内的电弧能快速熄灭，电流被抑止，其主要的组成部分如图1所示。

图1 真空灭弧室的内部示意图

如图1所示，真空灭弧室的主要构成部分包括绝缘外壳、屏蔽罩、波纹管和触头等［3］。其中外壳和绝缘筒保证了优良的绝缘强度与气密性;而波纹管既保证了灭弧室内部的全密封，又是灭弧室外部操动触头运动不可或缺的部分;屏蔽罩采用中封式的结构将有利于改善灭弧室内部的磁场分布，从而提高其绝缘强度;触头作为灭弧室中最重要的构件之一，决定着真空灭弧室的电气寿命与开关能力。

真空断路器的工作原理和其他型式的断路器不同，是指触头在高真空中关合、开端电路的开关设备［4］。真空断路器所采用的绝缘介质和灭弧介质是高真空［5］。当动触头在操动机构作用下合闸时，动、静触头闭合，电源与负载接通，电流流过负载，真空电弧依靠触头上蒸发出来的金属蒸汽维持。当工频电流过零时，金属蒸汽将停止蒸发，同时由于真空电弧的等离子体快速向四周扩散，电弧就被熄灭，触头间隙很快速地变为绝缘体，于是电流被分断［6］。

2 影响电场分布的因素分析

设计的真空灭弧室的结构模型如图2所示，满开距为9±1 mm。

图2 12 kV真空灭弧室模型

真空灭弧室内的各部分材料的相对介电常数如表1所示。

表1 真空灭弧室材料的相对介电常数

在计算模型中，屏蔽罩是由金属导体制成，可以看作是等位体。同时由于真空灭弧室内部结构的对称性，在利用有限元法进行分析时只需要对灭弧室内部场域的1/2部分进行计算，所以灭弧室内部的电场计算原理和边界条件是［7］:

(1)灭弧室内部电位满足

(2)外界空气与绝缘外壳交界面上的电位满足

(3)悬浮屏蔽罩上的电位

(4)动静触头与各个连接部件上电位

式中，φ1和φ2是相邻的两种介质中的电位值;ε1和ε2是相邻的两种介质的介电常数;Qi为第i个悬浮导体上的电位值;Si为第i个悬浮导体的表面积;Ui为求解的电位值。静电场情况下，悬浮屏蔽罩的正负感应电荷量相等，即Q=0。

3 仿真模型及结果

本文利用有限元分析软件Ansoft Maxwell进行静态的二维电磁场仿真。在断路器实际额定工作状况下，分别计算有无悬浮屏蔽罩与触头距离不同情况下灭弧室内部的电场与电位分布。

Ansoft Maxwell中建立的真空灭弧室仿真模型如图3所示。

图3 真空灭弧室仿真模型

图3中上部触头为动触头，材料为铜，设置电位为48 kV;下部触头为静触头，材料为铜，设置电位为0 V，两触头间距离为9 mm;屏蔽罩材料为铜，设置电位为缺省值，真空灭弧室内部材料设置为真空。

图4和图5分别给出了悬浮屏蔽罩对真空灭弧室内部电位和电场分布影响的仿真结果。

通过图4中电位分布图的比较可以看出，没有屏蔽罩的情况下，电位线主要集中在动静触头之间的空隙内，容易引起放电，添加了屏蔽罩后，电位线沿着灭弧室轴向扩展，大幅提高了灭弧室内部空间的利用率，并且瓷壳沿面上的电位梯度变化比较均匀，有利于降低瓷壳沿面的击穿率［8］。

通过图5中有无屏蔽罩情况下电场分布图的比较，可以看出屏蔽罩对灭弧室内部电场分布起到了一定的改善作用，使得真空灭弧室内部的电场分布更加均匀，同时场强最大值的所在位置从导电杆上转移到触头表面附近，这有利于真空灭弧室的绝缘［9］。

图4 有无屏蔽罩对灭弧室内电位分布影响

图5 有无屏蔽罩对灭弧室内电场分布影响

图6给出了有屏蔽罩情况下增加触头距离到19 mm后真空灭弧室内部电位和电场强度分布的仿真结果。

图6 增加触头距离对灭弧室内部电场电位影响

通过图6和上面未增加触头距离时灭弧室内部电场电位图比较可以看出，最大电位依旧处在触头表面附近，场强分布仍然比较均匀，故触头距离增大后对灭弧室内部的电场电位影响不大。在实际情况中，触头的开距主要取决于真空断路器的额定电压和耐压要求，一般额定电压低时触头开距选得较小。但开距过小会影响分断能力和耐压水平［10］。开距过大，虽然可以提高耐压水平，但会使真空灭弧室的波纹管寿命下降。设计时一般在满足运行的耐压要求下尽量将开距选得小一些。

4 结束语

在真空灭弧室中设置屏蔽罩能够有效减少真空灭弧室绝缘外壳处的场强，同时使得内部的电位分布更加均匀。触头开距对于真空灭弧室内部电场分布影响不大，开距的大小应当根据实际情况选择合适的距离。Ansoft Maxwell仿真软件的应用，为设计者提供了依据，缩短了设计周期，经过Ansoft Maxwell仿真软件优化过的真空灭弧室，内部绝缘水平得到了大幅提高，进一步满足了市场的需要。