高压SF6断路器灭弧室电场计算与分析

时间：2024-05-20

滕云，董嘉丰，罗恒

沈阳市鸿轩机械厂，辽宁沈阳 110011

0 引言

绝缘中某处的电场强度如果超过了该处绝缘介质所承受的极限值，就会发生电击穿或这放电现象，这是导致电力设备绝缘故障的主要原因。在场强集中的地方，绝缘介质有局部的放电与损伤，伴随着最高场强向邻近损伤部位移动，这就最终导致了整个绝缘结构的击穿或者放电。所以，在不同的运行条件下，计算分析绝缘结构中可能出现的最高电场强度，对高压电气设备的设计研究和事故分析是尤其重要的。改善断路器介质恢复特性以及优化SF6断路器灭弧室内部结构参数都离不开电场计算与分析这一重要工作。由于SF6气体对电场均匀性非常敏感, 不均匀的电场分布会直接导致SF6的耐受压程度的下降，因此，有效改善灭弧室内电场分布，对高压SF6断路器进行触头结构优化设计有重要的作用。

通过ANSYS软件的计算与分析，调整触头的几何形状改变灭弧室的内部结构，优化其电场分布。这为高压SF6断路器电场优化提供了一种十分有效的方法。

1 理论基础

1.1 有限元分析的步骤

有限元的解题方法比较复杂，但其一般步骤可归纳为：1）建立积分方程；2）区域单元剖分；3）确定单元基函数；4）单元分析；5）总体合成；6）边界条件的处理；7）解有限元方程。

1.2 击穿场强的确定

由于SF6气体的负电性是空气负电性的几十倍，这使得SF6气体的绝缘性能十分优良，电极间在一定的场强下发射电子，SF6能很快地吸附极间的自由电子，大大阻碍了碰撞电离过程的发展，使极间电离度下降刚耐受电用能力增强。这一负电性十分有利于开断电弧电流过零后触头间的绝缘恢复。因此，SF6气体被用在高压开关设备中作为绝缘和熄弧介质，大大提高了开关性能。

根据工程上计算电场强度的经验公式计算0.5 MPa下SF6气体击穿场强和沿绝缘件表面时的闪络场强过程如下：

1）在50Hz工频交流电压下，SF6气体的工程击穿场强Edt计算公式如下

上式中，p-SF6气体压力，单位MPa。计算得出气压在0.5 MPa下，SF6击穿场强为Edt=21.05 kV/mm。

2）当SF6沿面绝缘结构中最大场强达到某一数值Eft时发生沿面闪络，工频电压下闪络场强计算公式如下。根据上式估算出0.5 MPa下，SF6气体沿绝缘件表面时的闪络场强为Eft=12.61 kV/mm。

3）由雷电冲击电压下SF6气体击穿场强公式：Edt=7.5(10p)0.75，得SF6击穿场强Edt=25.08 kV/ m。

4）由雷电冲击电压下SF6气体沿绝缘件表面时的闪络场强公式：，计算得出气压在0.5 MPa下，SF6击穿场强Edt=21.05 kV/mm。

2 灭弧室电场分析与优化

由于在SF6断路器灭弧室内部有多种不同的材料，这使得触头边界处的电场强度要大于周围的电场强度，这就导致此处的电介质比较容易击穿，从而使得整个场域被击穿，断路器开断的失败。所以，在进行电场优化时，要尽可能的使触头表面的电场均匀分布并且使得电场强度尽量小。由于灭弧室内的电场强度和分布情况与电极的结构形状及其表面粗糙程度有关，因而我们进行优化设计时，就是要通过调整灭弧室内触头的几何形状，使得周围的电场强度尽可能的小并且均匀分布，以达到提高绝缘介质的绝缘能力和灭弧性能的目的。

对触头的几何形状进行设计，首先要计算和分析SF6断路器的电场的大小和分布情况，我们采用ANSYS软件进行计算和分析。ANSYS有限元软件能方便的求解结构、电力以及电磁场等问题，利用其对SF6断路器的电场进行计算和分析能得到比较好的效果，其内嵌的APDL参数化语言编程提高了分析、优化效率。

3 计算结果分析

图1 断路器触头开距为40mm时电势云图

图2 断路器触头开距为40mm时电场云图

通过计算分析得结果如图1和图2，分析可得：静弧触头和动主触头处等位线较为密集即此处电场强度较大，分析其原因主要有3点：1）触头形状设计没有达到最优化，使得此处场强较大；2）静弧触头较静主触头长，静主触头对其屏蔽作用比较小，造成静弧触头处场强较大；3）由于辅助喷口的存在,动主触头比动弧触头伸出长，距离高电位部分(静触头)近，并且动主触头对动弧触头电场屏蔽作用较强，使得动主触头对电力线有拉聚的作用，造成此处等位线有较大的弯曲。动弧触头尽管距高电位端(静弧触头)也较近，但是由于较长的动主触头的屏蔽作用,此处等位线弯曲较小，相对比较稀疏,所以动弧触头表面的电场强度不会很大，因而对动弧触头的几何形状做改动时，由于屏蔽效应影响较大，所以对其进行结构优化不会产生十分明显的效果。

根据分析结果，设计时可以加大动静触头边缘的曲率半径，这样可以改善电场分布，使等位线变得较为缓和，分布相对均匀。