断路器灭弧室绝缘特性分析与计算

李承

辽宁高压电器产品质量检测有限公司。辽宁 沈阳 110000

摘要：断路器进行负载情况下开断时，交流断路器都是在电流零点位置进行开断，此时也是绝缘介质的快速恢复过程，这个过程不仅受断路器灭弧室内各模块之间的相影响，也受到整体灭弧室的静态场强影响着。想要设计一台可靠性高的断路器，场强结构的优化具有决定性的意义。分别对断路器的合闸位置和分闸位置进行电场强度的绝缘特性分析，并对分析结果进行不断的优化设计，最终要以较低的成本，较高的场强值最为优化的结果，确保断路器的开断能力和绝缘能力，这也是对断路器灭弧室绝缘特性设计最为重要的。

关键词：灭弧室；场强；绝缘特性分析；绝缘特性优化

引言

随着计算机技术的不断发展，以计算机为工具、数值计算为支撑的电场数值仿真分析技术在SF6高压断路器设计的重要作用越来越突出，主要体现在以下方面：

首先，在高压断路器的设计和分析中，绝缘设计是其中最基本也是最关键的问题，而绝缘结构设计的大部分工作是以电场数值计算为基础而进行的。其次，电场数值计算对于SF6高压断路器各部分结构参数优化设计以及改善断路器介质绝缘强度恢复特性具有重要意义。

国内外关于高压断路器绝缘性能的分析大多采用静电场分析计算方法，而高压电器的运行工况和试验工况是工频电压，为了更接近真实地模拟运行工况和试验工况下高压电器内部的电场分布，本文将建立交流电压下的电场数值分析计算方法。

1、灭弧室电场强度的计算方法

电场强度计算问题是在适当的边界条件下求取满足拉普拉斯方程的ψ值，即场域中电位的分布。由于电位、电场均随场域的变化而变化，所以任意场域都具有无限个函数值，把该连续变化的量“离散化”并求解，即完成电场的计算。

由于断路器的外壳是接地的，所以我们可将场域的外边界定义为罐体内壁，各边界条件均为第一类边界条件。

当断路器位于合闸状态时，取： ，

当断路器位于分闸状态时，取：， ，

上述两式中，s1表示罐体内表面，s2表示合闸下灭弧室带电表面，s3和s4分别表示分闸状态下，灭弧室动、静侧带电表面，U1,U2和U3分别表示各边界施加的电位条件。这样便可解出有限元方程组，得到各点电位值。

在解出各点电位值后，即可按下式求出电场强度：

场域中各点电场强度即为该处的负电位梯度。

2、 灭弧室电场强度许用值

断路器合闸工况或分闸工况下的绝缘特性计算，需要分别用工频难受电压值和雷电耐受电压值进行断路器的静电场计算，420kV电压等级断路器应承受标准规定的工频耐压值及雷电冲击耐压值，如表1所示（单位：kV），并根据表2中的经验公式计算出来的结果来验证设计是否合理。

表1 420kV电压等级断路器绝缘水平

表2 SF6气体工程击穿场强经验公式

P为SF6最低气体充气绝对压力(MPa)。

表3 不同运行表压下SF6气体工程击穿场强

表3为不同表压下，工频峰值耐受电压下SF6气隙间隙击穿场强许用值，该许用值是综合了各种情况下很多试验数据的下限值，因此具有一定的设计裕度。在工厂实际应用中，一般的电气结构多以施加工频峰值电压进行计算，最大场强值控制在不超过上述经验值，以保证足够的绝缘裕度。该控制值在许多结构设计的实际应用中，取得了非常好的效果。

3、灭弧室合闸工况电场强度分析与优化设计

灭弧室合闸工况的电场强度值关系到整体结构长期对地的安全性，因此，必须通过仿真优化设计尽可能地降低合闸工况灭弧室的电场强度值。

灭弧室合闸工况的电场强度设计主要是指灭弧室内屏蔽结构的设计和罐体内径优化，电气绝缘结构的设计原则是使屏蔽结构与罐体之间的相互关系，应满足该电压等级所规定的绝缘性能的要求。它要求考虑内屏蔽结构要使断路器能够承受标准规定的对地（罐体内壁）工频耐压和雷电冲击耐压试验，420kV等级的开关产品，断路器绝缘水平如表1所示。

灭弧室合闸工况优化结构电场计算分析

对灭弧室合闸工况结构电场强度进行优化设计，通过改变屏蔽罩的形状及对地距离达到降低电场强度值的目的，使产品绝缘性能更加可靠。

通过反复的电场强度优化设计，得出的结构，屏蔽罩到罐体距离为110mm，优化计算结果见下图所示。

合闸工况优化后屏蔽罩上电场强度分布曲线 合闸工况优化后罐体上电场强度分布曲线

优化前后结构电场强度计算结果汇总见表4.4所示。（单位：kV/cm）

表4 优化前后电场强度计算结果汇总

通过对断路器原方案和优化后方案的电场强度值对比，可以得出如下结论：

1）原结构方案，屏蔽罩上电场强度值为211.32kV/cm，大于工频电压下电场强度许用值200 kV/cm，因此，需要对结构进行优化设计；

2）经过仿真优化设计，动静侧屏蔽罩采用相同的结构，并适当地增大了屏蔽罩的对地距离；

3）从优化计算结果可以看出，屏蔽罩电场强度最大值为129.96kV/cm，远小于工频电压下电场强度许用值；

4）经过优化设计，罐体上电场强度值由原方案的71.7kV/cm降低到44.1 kV/cm，减小了放电的几率；

5）经过优化设计的结构，电场强度满足绝缘性能的要求，并具有足够的安全裕度，优化后的结构能够更好地满足产品性能的要求。

4、灭弧室分闸工况电场分析与优化设计

在产品实际开发设计过程中，我们要重点考虑灭弧室内主要零部件的形状和尺寸，避免由于过高的场强值而影响断路器的开断性能。想要提高其开断性能，我们通常通过设计和调整动、静主触头，动、静弧触头的形状及它们之间的相对位置关系，优化断路器分闸工况的绝缘配合，改善负载绝缘特性。

对断路器灭弧室分闸工况电场强度进行优化设计，通过对现有其他电压等级产品结构的分析，为了使弧触头上电场强度值大于主触头上的电场强度值，通过改变动静侧弧触头之间的距离来实现。

表5 不同方案电场强度计算结果汇总（单位kV/cm）

由上述计算可以看出，分闸工况时，灭弧室最大场强出现在弧触头上，为191.72kV/cm，电场强度值在许用控制裕度范围内，灭弧室绝缘性能良好，能够满足分闸工况时绝缘水平的要求，方案1弧触头上场强大于原方案的电场强度，能更好的起到引弧作用，因此选择方案1。

优化后动侧弧触头电场强度分布 优化后动侧主触头电场强度分布

优化后静侧弧触头电场强度分布 优化后静侧主触头电场强度分布

通过对断路器原方案和优化方案分闸工况的电场强度计算结构对比，得出如下结论：

1）原方案的静侧主触头上电场强度值为188.59 kV/cm，静侧弧触头上电场强度值为176.43 kV/cm，主触头上电场强度值大于弧触头上电场强度值，不利于断路器的开断，需要对原结构进行优化；

2）优化后的弧触头上电场强度值均大于主触头上电场强度值，有利于电弧的转移，满足结构设计要求；

3）优化后的静侧弧触头上电场强度值大于静主触头上电场强度值，两者差值较大，更有利于电弧的转移，因此方案1结构更优。

5、结束语

通过多年实际的工作经验，标准要求的绝缘参数，分别对断路器的合闸工况和分闸工况绝缘特性进行了分析和计算，并对初始结构进行了结构优化设计，确定了断路器的罐体和屏蔽结构，并对断路器分闸工况动静触头之间的相对位置进行了合理优化；为断路器开断性能的评判提供电气特性的依据。

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