基于Ansys靜電場的含并聯電容的超高壓斷路器電場分析及設計

段崇福

(山東泰開電力建設工程有限公司，山東泰安 271000)

隨著國家電力建設的發展，550kV輸變電線路將逐漸取代252kV輸電網而成為主干網，另外為保障電力系統各大電網的供電可靠性，國網公司將加大各大電網進行聯網，聯網電壓為550kV.這些因素促進了550kV斷路器的發展［1－2］.

目前，由于技術的限制及電力系統為了運行的可靠性，550kV斷路器多采用雙斷口串聯結構，該技術目前比較成熟，短路開斷電流可以達63kA.但采用雙斷口結構時，由于斷口間電容及斷口對地電容的影響，導致兩個斷口的電壓分布極不均勻，嚴重影響了斷路器的使用性能，因此，為了均壓及改善開斷性能，在雙斷口串聯結構中，每個斷口間并聯電容。當前，斷口間并聯電容的選擇多采用國產的多只電容串聯，然后再并聯的結構.此結構在斷路器的型式試驗及運行中，表現性能優良.但是，并聯電容與斷口及屏蔽罩相對位置，以及斷口間考慮并聯電容時如何計算分析電場，卻少有文章論述.另外，當前靜電場的分析軟件有很多，考慮到電容器的特殊結構，在本文中采用了Ansys中的靜電場模塊，其中考慮電容器的電極結構時，采用了節點電壓耦合的命令，對含并聯電容的斷路器進行了靜電場分析.

1 并聯電容的結構及等效電路圖

圖1 斷口并聯電容的結構示意圖

斷口并聯電容的結構見圖1，從圖1中可以看出，并聯電容固定在斷路器斷口的兩側，在屏蔽罩的內部，圖1中僅是一個斷口的結構圖，雙斷口時，在該斷口的一側再串聯一個斷口.雙斷口串聯時的等效電路圖見圖2.

從圖2等效電路圖可以得出，整個回路的電容C為:

則兩斷口上的電壓分布U1和U2分別為:

對于結構固定550kV斷路器，通過計算分析可得對地電容約為:

斷口間的電容通過實測可得:

根據參考文獻［3］及高壓開關的研發設計經驗，并聯電容一般約取:

根據式(2)和(3)計算可分析，當開關斷口不并聯電容時U1和U2分別為:

圖2 帶并聯電容的雙斷口串聯等效電路圖

當開關斷口并聯電容時，則

由此可見，當開關采用雙斷口時，必須并聯電容，否則，兩個斷口的電壓差可能很大，導致斷口絕緣出現問題。

2 含并聯電容的超高壓斷路器電場分析

圖1所示的模型中，斷路器的每個斷口約有8組電容器，均勻分布在斷口的截面上，準確的說，計算含電容器的斷口間電場分布時，應該為三維模型，為了簡化計算，對模型進行處理，近似認為是二維分布，由于電容器的兩個極為金屬電極，因此，在用Ansys中的靜電場有限元法［4－5］進行計算分析時，對金屬電極的所有節點電壓進行了電位耦合.通過以上處理后，在利用Ansys進行電場計算時，對模型進行統一剖分，不用再單獨處理金屬電極，Ansys能夠自動計算分析每個電容器的電位.對圖1中的模型進行分析，圖1中電容器組離屏蔽罩的垂直距離為25mm，其電場強度分布見圖3.

圖3 含并聯電容的斷口間電場強度分布圖

從圖3中可以看出，模型中最大的電場強度為17.726kV/mm，而且發生在屏蔽罩的外面，根據參考經驗值，SF6表計氣壓為0.5MPa時，許用場強為29kV/mm［3］，可知，此時斷路器的結構設計是合理的.

3 電容器不同位置時的電場計算分析和比較

斷路器的滅弧室在安裝電容器和屏蔽罩時，由于制造公差，以及人為因素，導致與設計尺寸可能有較大的偏差，下面的算例中，主要圍繞電容器離屏蔽罩的垂直距離進行分析，為了效果更加明顯，將圖1模型中的電容器組向屏蔽罩移近20mm，電容器離屏蔽罩的距離約為5mm，其電場分布見圖4.

從圖4中，可以看出，電容器組離屏蔽罩太近時，屏蔽罩內緣的電場分布發生畸變，最大場強達到31.9kV/mm.為了進一步分析，圖5中繪出了每只電容器的電位值，從圖中可以看出，電容器組中每只電容器的電壓降除兩端稍低外，中間壓降基本相同，這主要是由于電容器的極與屏蔽罩之間形成的容性電流造成的.

圖4

圖5

通過圖5分析可知，由于電容器的每只壓降比較大，而屏蔽罩為了能有效的屏蔽動靜觸頭，大約3只電容器在屏蔽罩內，通過圖1也能夠看出.當電容器組接近屏蔽罩時，由于每只電容的壓降，實際在第三只電容的極與屏蔽罩之間已經有很大的壓差，因此，當距離較近時，二者之間的電場分布將極不均勻.當斷口間使用均壓電容器時，應該注意此點.為了驗證計算分析的正確性，我公司對此進行了試驗.

4 試驗驗證

試驗分兩個方案進行.

第一方案，是裝有電容器的絕緣管正確按圖1模型所示進行安裝，斷路器的一端接地，一端接高壓，試驗沖擊電壓為1675kV，正負極性各15次，工頻耐壓為1分鐘740kV.

該電容器安裝方式下，通過了所有的試驗，試驗結果非常好，沒有發生任何問題.

第二方案，是裝有電容器的絕緣管向屏蔽罩方向移動，基本接近屏蔽罩進行安裝，試驗方案同方案一.

該方案下，僅3次沖擊就發生了斷口間擊穿現象，擊穿的絕緣管照片見圖6，擊穿的電容器見圖7.

圖6 擊穿的絕緣管照片

圖7 擊穿的電容器照片

通過以上試驗驗證及理論計算分析，可以得到，斷口間并聯電容器的安裝位置至關重要，否則，很可能會導致電容器擊穿，發生絕緣失敗問題.

5 結論

通過計算分析，論述了550kV斷路器采用雙斷口串聯的滅弧室時，斷口間需并聯電容器組，該并聯電容器組能夠有效的完成斷口間的均壓.

但是，斷口間并聯的電容組的安裝位置至關重要，通過計算分析和試驗驗證，證實了電容器組安裝時，應該充分考慮到離金屬屏蔽罩的距離，否則，很可能會造成電容器對屏蔽罩的擊穿，最終導致斷口間絕緣失敗.

［1］中國電器工業協會高壓開關分會.我國高壓開關行業發展綜述［J］.電器工業，2009，(2):6－11.

［2］吳懷權.高壓開關行業共性技術發展綜述［J］.電器工業，2009，(7):34－38.

［3］黎斌.SF6高壓電器［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［4］孔明禮，胡仁喜，崔海蓉.Ansys 10.0電磁學有限元分析實例指導教程［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［5］盛劍霓.工程電磁場數值分析［M］.西安:西安交通大學出版社，1991.