基于ansys的三相點電場分析及優化

王命梅

摘 要：在高壓設備絕緣中，各種絕緣材料的氣固交界面是絕緣的薄弱環節，尤其是三相接合點位置易受工藝、外界污穢、顆粒、氣體環境等影響，造成電場在三相點區域高度集中，發生電暈，甚至引起閃絡，降低產品的絕緣性能。本文通過靜電場模擬軟件計算三相點區域電力線分布及電場強度，分析了通過電場導向改變電力線走向，來降低三相點處的電場強度，獲得滿足設計需求的三相點區域電場強度，從而抑制三相點區域沿面閃絡現象發生，提高產品的絕緣性能。

關鍵詞：三相點；電場導向；電場強度

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A

0.引言

高壓斷路器是電力系統中最重要的控制和保護設備，在斷路器故障類型中，絕緣故障甚至威脅著電網的安全運行。而極柱絕緣設計是高壓斷路器設計的重要部分，提高極柱的絕緣水平的絕緣結構優化成為設計的重點。

1.三相點

三相點是3種媒質的接合點：如氣體（空氣或SF6），導體，絕緣體相互接觸或非常接近的點或區域。在高電壓下，如果一個導體放置于絕緣體小于3mm的位置，就有三相點的存在。由于制作工藝的原因，產品在澆注過程有時會不可避免地在結合處產生氣泡或收縮，無法實現理想配合，在空氣、絕緣體、導體間三相點區域容易造成電場高度集中，在足夠的電場作用下，三相點區域容易產生電子發射，是閃絡和擊穿發生的激勵源。因此，在高壓產品的絕緣設計中，需要特別關注產品的三相點電場強度，應盡可能減小三相點區域電場強度。

本文采用靜電場數值仿真方法，詳細模擬計算了40.5kV戶外真空斷路器極柱三相點區域的電力線分布及電場強度。通過改變三相點附近絕緣體及導體形狀，比較了多種結構極柱三相點區域的電力線分布及電場強度，尋找可以有效地減小導體、絕緣體、氣體三結合點處的電場強度的極柱結構，從而幫助指導產品的結構優化，提高絕緣性能。

2.電場計算及分析

2.1 計算模型

40.5kV戶外真空斷路器極柱電場仿真模型示意圖如圖1所示。因為斷路器極柱結構為軸對稱，故只用簡化的二維軸對稱模型即可推知整體的電場分布。圖1中，A為上接線板導體；B為下接線板導體；C為環氧絕緣體；D為空氣；放大區域的空氣、環氧、銅嵌件結合點即三相點。

2.2 計算及結果分析

按高壓斷路器產品絕緣設計規則，產品絕緣設計允許的最大電場強度與其所處的環境（如是否存在污染，是否為合模線，是否是三相點）及電場方向有關。本文計算假設了極柱三相點處于受污染的、合模線、電場方向平行于環氧表面，即PJT//狀態。故按高壓斷路器產品的絕緣設計規則，在PJT//狀態，推薦的三相點允許最大電場強度值是0.07kV/mm，表明了三相點區域電場強度應盡可能小。

（1）由圖1初始極柱設計模型仿真的電力線及電場強度分布云圖如圖2所示。由圖可知，在三相點區域，其最大電場強度值約為0.34kV/mm（圖中的計算單位是V/m，轉換1kV/mm=10-6V/m），大幅超過了其允許的電場強度值。

由于電場強度主要與其分布有關，故通過電場導向改變電力線走向，可以改變電場分布，降低電場強度。以下即仿真分析了幾種不同結構極柱三相點區域的電力線分布及電場強度。

（2）改變環氧形狀，增加環氧和下接線板間隙，間隙由0.5mm增加到3mm來改變三相點的電場，其電力線及電場強度分布云圖如圖3所示。由圖可知，由于加大導體和絕緣體的間隙，在三相點區域，其最大電場強度值約為0.24kV/mm。比較圖2和圖3，受環氧形狀影響，電力線走向發生改變，由于間隙增加較小，小幅地降低了三相點處的電場強度。

（3）改變下接線板形狀，增加下接線板外徑，試圖改變三相點區域電力線走向，來改變三相點的電場分布，其電力線及電場強度分布云圖如圖4所示。由圖可知，在三相點區域，其最大電場強度值約為0.06kV/mm，小于推薦的三相點允許最大電場強度0.07kV/mm，滿足PJT//狀態高壓斷路器產品絕緣設計規則。比較圖2和圖4，受下接線板形狀影響，電力線走向發生較大改變，影響了三相點區域的電場分布，大幅降低了三相點處的電場強度。

比較以上幾種結構極柱三相點區域電力線及電場強度分布圖及數值，其結果表明，對于40.5kV戶外真空斷路器極柱三相點的電場，增大三相點附近的下接線板外徑，可以有效地降低其三相點電場強度。該仿真結果同時指導了本公司該產品的極柱優化設計，對樣機的絕緣結構進行了改進。

結論

綜合以上幾種結構分析看出，通過改變三相點附近絕緣體或導體形狀，可以改變電力線走向。在實際產品設計中，可以通過改變絕緣體或導體形狀的電場導向法，尋求適合本產品的可以有效降低三相點區域電場強度的結構，提高產品的絕緣設計。

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