靜電場中邊界條件對場強的影響研究

杜道忠， 吳中友， 王智勇， 張廣泰， 方太勛

(1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州213025；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211100)

0 引 言

柔性直流輸電技術是解決新能源并網和消納問題的有效技術手段之一，高壓直流斷路器是其中的關鍵設備，對柔性直流輸電系統的安全可靠運行有著極其重要的作用[1]。由于高壓直流斷路器的電壓較高，需在斷路器的每一層上安裝屏蔽罩。因此，研究屏蔽罩上場強的分布就顯得尤其重要。

隨著現代計算機技術的發展，計算機仿真技術也隨之飛速發展，力、磁場、電場等皆可以用仿真進行分析和計算，從而得到更加直觀的云圖和數據[2-3]。在電磁場仿真方面，應用較為普遍的是Ansoft Maxwell，它與眾多的仿真軟件一樣，通過求解方程或者矩陣的形式來仿真計算電磁場。因此，電磁場的分析和計算也可以歸結為求微分方程的解[4-7]。對于微分方程，其中的任意常數確定之后，其解就有且只有一個。但偏微分方程，要想其解有且只有一個，其輔助條件可以有兩種情況。其中一種就是表達場的邊界所處的物理情況，稱為邊界條件[8-9]。

在本文中，將著重研究在仿真分析過程中，邊界設置時，分別設置為默認邊界條件和實體邊界條件兩種情況下，屏蔽罩上場強數值和分布不同之處。從而對后期屏蔽罩結構優化和場地建設提供參考依據。

1 分析前處理

在高壓設備中，由于結構復雜，通常會出現尖端等現象，容易造成局部場強較大，因此，通常會在結構的四周或場強較大的地方安裝屏蔽罩或均壓環。屏蔽罩或均壓環的作用主要有兩個：一是減少外界環境的電磁波對電路正常工作的干擾，從而提高質量、穩定性及工作壽命；二是降低產品工作時所產生的電磁輻射，從而降低其對人體和環境的傷害和影響。在高壓直流斷路器中，屏蔽罩或均壓環主要將金屬梁端部、連接絕緣子的金屬部分和某些元器件進行包圍屏蔽，控制局放，減小場強。因此，屏蔽罩或均壓環在整個高壓設備中起著至關重要的作用。若是屏蔽罩或均壓環上的場強分布不均或局部場強過大，就會出現局部放電，甚至導致擊穿，影響屏蔽罩的使用。因此，對整個設備的電場仿真就可以簡化為對屏蔽罩和均壓環進行電場仿真。

1.1 模型的導入及材料的定義

535 kV高壓直流斷路器結構復雜，且電子元件較多，因此，針對535 kV高壓直流斷路器的屏蔽罩進行電場強度仿真，抽取其中的屏蔽罩作為仿真模型[10]。將簡化后的模型導入到Ansoft中，如圖1所示，求解器類型選擇Electrostatic（靜電），材料選擇鋁。

圖1 模型的導入

1.2 激勵設置

激勵設置的正確與否直接影響到結果的準確性，因此，在設置激勵時，一定要清楚整個斷路器的電位分布。直流斷路器分為5層，每層的電位都不相同，激勵加載比較復雜。在此，以直流斷路器底層為例，通態閥部分電壓分布按最高電位設置，即1175 kV，電壓激勵施加情況如圖2所示，根據具體情況，對各個屏蔽罩施加電壓。其余層電壓激勵與底層類似施加。

圖2 底層電壓激勵

1.3 邊界條件

在 利 用Ansoft在進行靜電場分析時，邊界條件有很多種，具體包括：矢量磁位邊界條件、對稱邊界條件、氣球邊界條件、主邊界條件和從邊界條件，此外還有默認的自然邊界條件。下面介紹一下自然邊界條件。

自然邊界條件在設置時，不需要手動輸入參數進行定義，軟件會在求解的過程中，根據內部的計算方式將邊界條件自行設置到外邊界。自然邊界條件有時也叫紐曼邊界條件，可以用來形容兩個互相接觸的物體，在接觸面上，磁場強度H的切向分量和磁感應強度B的法向分量保持連續[11]。

高壓直流斷路器的工作環境為閥廳，由于閥廳四周墻壁和高度是不變的。因此，實體邊界條件就以閥廳的實際尺寸來定義。為了研究不同邊界條件對場強分布的影響，本次分析分為兩種方案：方案一邊界條件設置為默認邊界條件；方案二邊界條件設置為實體邊界條件，即根據閥廳的尺寸，在模型的周圍畫一個實體的區域模擬閥廳，區域的材料電位設置為0，求解域大小相同。

方案一：設置求解域和邊界條件。求解域和邊界條件設置如表1所示。方案二：設置實體邊界。由于閥廳的四周墻壁和屋頂均與地面等電位，因此，根據試驗的實際情況，在模型的周圍畫一個實體的殼子，模擬實驗的閥廳，尺寸設置和方案一的求解域相同，殼子材料為金屬，電位設置為0，如圖3所示。

表1 求解域和邊界條件

2 場強分布分析

由于直流斷路器實際是安裝在現場閥廳內，根據要求，閥廳的內部環境要求較為嚴格，一般為恒溫恒濕環境。但恒溫恒濕的環境中，電暈電荷容易在設備表面積累，造成局部場強較大，出現放電等現象。因此，在進行結構設計時，要考慮到電暈，進行結構優化，使得電暈電荷沒有產生的條件。判斷是否產生電暈，一般看整個設備上電場強度分布和最大值。因此，對高壓直流斷路器屏蔽罩的電場強度進行計算可以為設計提供指導，對于直流斷路器的安全運行、避免放電等有著非常重要的作用[13-14]。同時，若設備中部分地方電場強度過大，就會導致此處的絕緣材料發生擊穿、放電等現象，從而導致整個設備的絕緣出現問題。因此，在進行設備的前期設計時，必須對其進行仿真，避免局部電場強度過大[15-17]。

在高電壓設備設計中，增加屏蔽罩是避免電場強度過大的有效方法之一。但若是屏蔽罩上的場強分布不均或局部場強過大，也會出現局部放電，甚至導致擊穿，影響屏蔽罩的使用。屏蔽罩上的場強越小越好，分布越均勻越好。本文中，通過上述兩種不同的邊界條件的設置，觀察兩種情況下屏蔽罩上的場強分布，以此來判斷設置的默認邊界條件和實體邊界條件對場強分布的影響[18-19]。

通過上面設置的兩種方案，分析的結果如圖4、圖5所示。通過觀察分析以上兩種方案的場強分布圖可以看出，方案一的最大場強為3.32 kV/mm，最大處位于底部均壓環部分。方案二的最大場強為5.56 kV/mm，最大場強均位于底部均壓環部分。兩種情況雖然最大場強不同，但是兩種情況最大的場強分布位置基本相同，都出現在底部的均壓環上。因此，通過仿真分析的結果可知，設置實體邊界條件分析得出的最大場強要比設置默認邊界得出的最大場強大很多，但最大場強出現的位置相同。

圖3 實體邊界

圖4 方案一場強分布

圖5 方案二場強分布

為觀察不同邊界條件下場強的分布規律。將兩種結果的場強限值調整為3.0 kV/mm，結果如圖6和圖7所示。從場強云圖中可以看出，方案一（默認邊界條件）的最大場強在底部一層屏蔽罩和均壓環處。方案二（實體邊界條件）也是如此。雖然邊界條件不同，但不同邊界條件下的最大場強出現的位置和場強大小變化規律是基本相同的[20]。

圖6 方案一場強分布（0～3.0 kV/mm）

圖7 方案二場強分布（0～3.0 kV/mm）

3 結 論

通過上述仿真分析和計算，可以得出以下幾點結論：

1）從仿真結果可以看出兩種計算方式的計算結果有很大差別，邊界條件設置為實體邊界條件時，仿真出的場強較大。因此，在進行仿真時，建議邊界條件設置為實體邊界條件。

2）通過觀察兩種方案的場強分布，可以得知兩種方案的最大場強分布位置和場強大小變化規律基本相同，與邊界條件設置沒有太大關聯。