高壓SF6斷路器滅弧室電場計算與分析

滕 云，董嘉豐，羅 恒

沈陽市鴻軒機械廠，遼寧 沈陽 110011

0 引言

絕緣中某處的電場強度如果超過了該處絕緣介質所承受的極限值，就會發生電擊穿或這放電現象，這是導致電力設備絕緣故障的主要原因。在場強集中的地方，絕緣介質有局部的放電與損傷，伴隨著最高場強向鄰近損傷部位移動，這就最終導致了整個絕緣結構的擊穿或者放電。所以，在不同的運行條件下，計算分析絕緣結構中可能出現的最高電場強度，對高壓電氣設備的設計研究和事故分析是尤其重要的。改善斷路器介質恢復特性以及優化SF6斷路器滅弧室內部結構參數都離不開電場計算與分析這一重要工作。由于SF6氣體對電場均勻性非常敏感, 不均勻的電場分布會直接導致SF6的耐受壓程度的下降，因此，有效改善滅弧室內電場分布，對高壓SF6斷路器進行觸頭結構優化設計有重要的作用。

通過ANSYS軟件的計算與分析，調整觸頭的幾何形狀改變滅弧室的內部結構，優化其電場分布。這為高壓SF6斷路器電場優化提供了一種十分有效的方法。

1 理論基礎

1.1 有限元分析的步驟

有限元的解題方法比較復雜，但其一般步驟可歸納為：1）建立積分方程；2）區域單元剖分；3）確定單元基函數；4）單元分析；5）總體合成；6）邊界條件的處理；7）解有限元方程。

1.2 擊穿場強的確定

由于SF6氣體的負電性是空氣負電性的幾十倍，這使得SF6氣體的絕緣性能十分優良，電極間在一定的場強下發射電子，SF6能很快地吸附極間的自由電子，大大阻礙了碰撞電離過程的發展，使極間電離度下降剛耐受電用能力增強。這一負電性十分有利于開斷電弧電流過零后觸頭間的絕緣恢復。因此，SF6氣體被用在高壓開關設備中作為絕緣和熄弧介質，大大提高了開關性能。

根據工程上計算電場強度的經驗公式計算0.5 MPa下SF6氣體擊穿場強和沿絕緣件表面時的閃絡場強過程如下：

1）在50Hz工頻交流電壓下，SF6氣體的工程擊穿場強Edt計算公式如下

上式中，p-SF6氣體壓力，單位MPa。計算得出氣壓在0.5 MPa下，SF6擊穿場強為Edt=21.05 kV/mm。

2）當SF6沿面絕緣結構中最大場強達到某一數值Eft時發生沿面閃絡，工頻電壓下閃絡場強計算公式如下。根據上式估算出0.5 MPa下，SF6氣體沿絕緣件表面時的閃絡場強為Eft=12.61 kV/mm。

3） 由雷電沖擊電壓下SF6氣體擊穿場強公式：Edt=7.5(10p)0.75，得SF6擊穿場強Edt=25.08 kV/ m。

4） 由雷電沖擊電壓下SF6氣體沿絕緣件表面時的閃絡場強公式：，計算得出氣壓在0.5 MPa下，SF6擊穿場強Edt=21.05 kV/mm。

2 滅弧室電場分析與優化

由于在SF6斷路器滅弧室內部有多種不同的材料，這使得觸頭邊界處的電場強度要大于周圍的電場強度，這就導致此處的電介質比較容易擊穿，從而使得整個場域被擊穿，斷路器開斷的失敗。所以，在進行電場優化時，要盡可能的使觸頭表面的電場均勻分布并且使得電場強度盡量小。由于滅弧室內的電場強度和分布情況與電極的結構形狀及其表面粗糙程度有關，因而我們進行優化設計時，就是要通過調整滅弧室內觸頭的幾何形狀，使得周圍的電場強度盡可能的小并且均勻分布，以達到提高絕緣介質的絕緣能力和滅弧性能的目的。

對觸頭的幾何形狀進行設計，首先要計算和分析SF6斷路器的電場的大小和分布情況，我們采用ANSYS軟件進行計算和分析。ANSYS有限元軟件能方便的求解結構、電力以及電磁場等問題，利用其對SF6斷路器的電場進行計算和分析能得到比較好的效果，其內嵌的APDL參數化語言編程提高了分析、優化效率。

3 計算結果分析

圖1 斷路器觸頭開距為40mm時電勢云圖

圖2 斷路器觸頭開距為40mm時電場云圖

通過計算分析得結果如圖1和圖2，分析可得：靜弧觸頭和動主觸頭處等位線較為密集即此處電場強度較大，分析其原因主要有3點：1）觸頭形狀設計沒有達到最優化，使得此處場強較大；2）靜弧觸頭較靜主觸頭長，靜主觸頭對其屏蔽作用比較小，造成靜弧觸頭處場強較大；3）由于輔助噴口的存在,動主觸頭比動弧觸頭伸出長，距離高電位部分(靜觸頭)近，并且動主觸頭對動弧觸頭電場屏蔽作用較強，使得動主觸頭對電力線有拉聚的作用，造成此處等位線有較大的彎曲。動弧觸頭盡管距高電位端(靜弧觸頭)也較近，但是由于較長的動主觸頭的屏蔽作用,此處等位線彎曲較小，相對比較稀疏,所以動弧觸頭表面的電場強度不會很大，因而對動弧觸頭的幾何形狀做改動時，由于屏蔽效應影響較大，所以對其進行結構優化不會產生十分明顯的效果。

根據分析結果，設計時可以加大動靜觸頭邊緣的曲率半徑，這樣可以改善電場分布，使等位線變得較為緩和，分布相對均勻。

4 結論

通過分析并計算了斷路器滅弧室內的電場分布，對滅弧室內觸頭形狀提出了優化設計的建議：加大動靜觸頭邊緣的曲率半徑。

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