40.5 kV真空灭弧室内部电场强度分布的仿真分析

研制了1种363 kV/5 kA/63 kA的快速断路器，适用于363 kV电压等级5 kA额定电流，短路开断能力63 kA，能够在短路电流的第一个半波内将其可靠开断，用于限制系统短路电流，减少对变压器及其他电气设备的冲击，提高电力系统的安全稳定运行能力［1-8］。断路器的总体设计采用了先六串后两并的拓扑结构，每个子单元采用参数为40.5 kV/2.5 kA/63 kA的罐式真空断路器。子单元灭弧室的性能对于整套快速断路器的开断性能起到关键性的影响，因此为了确保子单元的灭弧室性能，须对用于363 kV快速真空断路器的40.5 kV真空灭弧室进行对应的仿真分析计算以及优化分析，以确保其内部绝缘性能良好。

根据40.5 kV真空灭弧室的零部件尺寸参数建立了灭弧室的二维模型，依据二维模型在Ansoft中建立了40.5 kV真空灭弧室的仿真模型，设置了在电压均匀分布的条件下仿真模型的边界条件以及激励，在该条件下进行了仿真计算，得到了灭弧室内部的各部分电位分布，并得到了场强最大，最容易发生击穿的4个部位［9-12］，提出了对该4个部位的优化设计方案，进一步改善内部场强分布，为多断口快速断路器的设计和研制奠定基础。

1 40.5 kV真空灭弧室的基本模型

根据初步测量与计算得到灭弧室二维模型，如图1所示，模型零部件尺寸见表1，各部件的材料如表2所示。

图1 40.5 kV真空灭弧室二维截面

表1 模型零部件尺寸

表2 灭弧室各部分材料

2 40.5 kV真空灭弧室内部的电场强度分布仿真计算与分析

2.1 仿真模型的建立和部件设置

以图1中的模型建立电场计算仿真模型，如图2所示，触头开距为20 mm。真空灭弧室为轴对称结构，所建模型为轴对称2D模型。

图240.5 kV真空灭弧室在Ansoft中的仿真模型

动触头倒角区域、静触头倒角区域场强略大，可以进一步改变静触头倒角，以改善此区域的电场分布。根据3.1节分析得出，动静触头台阶处倒角半径取值2 mm较优，因此优选台阶倒角半径2 mm固定不变，静动触头倒角半径取值3 mm，进行电场仿真计算，结果如图7所示。当动触头倒角区域、静触头倒角区域的倒角半径取值为3 mm时，动触头倒角区域、静触头倒角区域电场强度最大值分别为0.97×107 V/m，1.0×107 V/m，与倒角半径取值为2 mm时相比，静触头倒角场强有明显降低，此时动触头台阶倒角区域、静触头台阶倒角区域处最大场强分别为0.99×107 V/m和1.01×107 V/m。

表3 Ansoft中各部分材料参数

2.2 边界条件和激励

电压设置：6个断口串联，6个断口共同承担工频电压，假设6个断口完全均压，该断口所承受的工频电压有效值为510/6＝85 kV；假设极端恶劣情况下，电压完全加在1个断口上，该断口所承受的工频电压有效值为510 kV，因此单个灭弧室两端所承受的工频电压有效值为U＝（510/6×a）kV，a取1.0～6.0。

图36断口真空断路器模型

取电压有效值510/6＝85 kV进行仿真计算，对于边界条件，软件自动设置了轴对称线上的轴对称条件，只需额外设置求解域的外边界为气球边界条件即可［18-20］。

2.3 仿真计算结果及其分析

由于电场仿真试验的金属材料不影响电场分布，因此可以将金属材料直接采用铜与不锈钢即可［13-17］。在Ansoft中各部分材料的参数见表3。

40.5 kV真空灭弧室在工频电压有效值85 kV条件下的电位分布和电场分布如图4所示。

图4 灭弧室场强分布

表4 灭弧室场强集中区域对应电场强度

从图4可以看出，灭弧室内部共有10个场强较为集中的表面，结果如表4所示。分析表4数据，动触头台阶倒角区域、动触头倒角区域、静触头台阶倒角区域、静触头倒角区域，这4个区域电场强度最大值较为突出，在同种材料的情况下，这4个区域最有可能发生击穿。因此有必要对此区域进行详细分析，通过改变台阶倒角和触头倒角来改善此处的电场分布，进而进行优化设计。

2.3.2 不同均压条件下灭弧室场强分布

当6个灭弧室分压完全均匀时，单个灭弧室承担电压85 kV；当6个断口不均压时，每个断口所承受的电压不同，假设所有电压分别由1个断口到6个断口来承担，则单个断口承担85～510 kV。最大场强分布始终处于动触头台阶倒角区域、动触头倒角区域、静触头台阶倒角区域、静触头倒角区域，这4个区域电场强度最大值较为突出。因此，对这4个区域进行着重分析，分别沿着动触头和静触头表面作1条曲线，统计沿曲线场强变化规律，仿真计算结果如图5所示。

图5 沿静触头表面场强分布

从图5曲线可以看出，在动触头台阶倒角区域、动触头倒角区域、静触头台阶倒角区域、静触头倒角区域曲线有很大的凸起，电场强度最大值分别从外施电压有效值85 kV时的1.43×107 V/m，1.10×107 V/m，1.40×107 V/m，1.12×107 V/m增长到外施电压510 kV时的8.55×107 V/m，6.62×107 V/m，8.45×107 V/m，6.73×107 V/m，这4个区域为最有可能发生击穿部位。当外施电压值增长了6倍，场强最大值也近似为原来的6倍。

3 灭弧室场强分布优化设计

3.1 触头台阶处倒角对灭弧室电场场强分布的影响

动静触头台阶处倒角半径分别取值R＝1 mm，R＝2 mm，动静触头倒角半径取值2 mm固定不变，进行电场仿真计算，结果如图7所示。

图6 动静触头台阶处倒角半径取值为1 mm和2 mm的场强分布

当动触头台阶倒角区域、静触头台阶倒角区域的倒角半径取值为1 mm时，动触头台阶倒角区域、静触头台阶倒角区域电场强度最大值分别为1.17×107 V/m，1.19×107 V/m，与倒角半径取0.5 mm相比，该处场强有明显降低。动触头倒角区域、静触头倒角区域处最大场强分别为1.12×107 V/m和1.14×107 V/m，该倒角半径未变化，场强变化不大。当动触头台阶倒角区域、静触头台阶倒角区域的倒角半径取值为2 mm时，动触头台阶倒角区域、静触头台阶倒角区域电场强度最大值分别为0.98×107 V/m，1.00×107 V/m；动触头倒角区域、静触头倒角区域处最大场强分别变为1.00×107 V/m和1.14×107 V/m。

3.2 动静触头倒角对灭弧室电场场强分布的影响

2.3.1 相同均压条件下灭弧室场强分布

图7 动静触头倒角半径取值为3 mm的场强分布

3.3 1个触头片方案对灭弧室电场场强分布的影响

当触头只设置1个触头片时，灭弧室内部的场强分布云图如图8所示。当动触头倒角区域、静触头倒角区域的倒角半径取值为2 mm时，动触头倒角区域与静触头倒角区域电场强度最大值分别为1.3×107 V/m和1.29×107 V/m。动触头倒角区域、静触头倒角区域的倒角半径取值为3 mm时，动触头倒角区域、静触头倒角区域电场强度最大值分别为1.11×107 V/m，1.13×107 V/m。动触头倒角区域、静触头倒角区域的倒角半径取值为3 mm时，动触头倒角区域、静触头倒角区域电场强度最大值分别为1.01×107 V/m和1.03×107 V/m。

图8 动静触头倒角半径取不同值时的场强分布

4 结 论

通过对40.5 kV罐式真空灭弧室进行仿真建模，计算其内部的电场分布情况，得到了如下结论：

（1）灭弧室中的动触头台阶倒角区域、动触头倒角区域、静触头台阶倒角区域、静触头倒角区域这4个区域的电场强度最大，最有可能发生击穿。

（2）通过改变台阶倒角和触头倒角改善电场分布进而进行优化设计，触头台阶处倒角取值2 mm，动静触头倒角半径2 mm或3 mm设计较优。只设置1个触头片时触头倒角取值3 mm设计较优。