24kV 真空滅弧室內(nèi)部電場結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉世柏 李小釗 薛從軍 劉 暢 趙芳帥

（平高集團(tuán)有限公司 天津平高智能電氣有限公司，天津300300）

1 研究背景

真空滅弧室作為開斷短路電流的核心元器件，在中壓領(lǐng)域占據(jù)了主流位置。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和電力工業(yè)的迅速發(fā)展，城市用電負(fù)荷密度和供電半徑越來越大，傳統(tǒng)城市12kV 的供電越來越不能滿足高負(fù)荷密度供電需求，同時(shí)為了降低土地成本，對(duì)開關(guān)產(chǎn)品的小型化提出了要求。為了解決這一問題，24kV電壓等級(jí)在中壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注和重視，國內(nèi)也開始借鑒國外的成熟經(jīng)驗(yàn)并率先在蘇州工業(yè)園區(qū)展開試點(diǎn)并取得良好效果。

本文設(shè)計(jì)了一種24kV 小型化真空滅弧室，但緊湊的結(jié)構(gòu)帶來的是真空滅弧室內(nèi)部電場分布不均，滅弧室內(nèi)部主回路高電壓部分與瓷殼及主屏蔽罩電場分布惡化，容易產(chǎn)生放電，導(dǎo)致絕緣失效。筆者應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件分析了24kV 小型化真空滅弧室內(nèi)部電場分布，并對(duì)其內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得出了滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求的的24kV 小型化真空滅弧室內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)。

2 24kV 真空滅弧室內(nèi)部電場分析與優(yōu)化

圖1 24kV 真空滅弧室優(yōu)化前內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

真空滅弧室典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，本文僅在真空滅弧室外形尺寸、動(dòng)管芯、靜管芯及瓷殼結(jié)尺寸不變的情況下，只改變內(nèi)部端屏蔽罩和主屏蔽罩的形狀結(jié)構(gòu)，對(duì)內(nèi)部整體電場強(qiáng)度及瓷殼沿面強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算。電場強(qiáng)度計(jì)算中使用的材料屬性如表1 所示。

表1 材料電場仿真計(jì)算屬性

2.1 24kV 真空滅弧室結(jié)構(gòu)優(yōu)化前內(nèi)部電場強(qiáng)度分析

優(yōu)化前的24kV 真空滅弧室結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在動(dòng)、靜管芯觸頭額定開距11mm、內(nèi)部絕緣介質(zhì)為真空情況下，按照額定雷電沖擊耐受電壓，對(duì)內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的真空滅弧室動(dòng)管芯加載145kV 電壓，靜管芯加載0kV 電壓，進(jìn)行電場仿真計(jì)算。其內(nèi)部整體電場強(qiáng)度如圖2 所示，瓷殼內(nèi)壁沿面電場強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前內(nèi)部整體電場強(qiáng)度

圖4 優(yōu)化前瓷殼沿面電場強(qiáng)度

由圖3、圖4 電場仿真計(jì)算結(jié)果，可得出真空滅弧室內(nèi)部各間隙間電場值，如表3 所示。

表2 優(yōu)化前動(dòng)端加載高壓時(shí)滅弧室內(nèi)部各間隙電場強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，動(dòng)端加載高壓時(shí)，其整體電場強(qiáng)度最大值分布在主屏蔽罩靠上端部，數(shù)值為26.88kV/mm，超出真空滅弧室設(shè)計(jì)中電場強(qiáng)度＜25kV/mm 的要求；瓷殼沿面電場強(qiáng)度最大值分別分布在主屏蔽罩與動(dòng)端屏蔽罩之間的瓷殼表面上，數(shù)值為2.92kV/mm，超出真空滅弧室設(shè)計(jì)中瓷殼沿面電場強(qiáng)度＜2.5kV/mm 的要求。

2.2 24kV 真空滅弧室結(jié)構(gòu)優(yōu)化后內(nèi)部電場強(qiáng)度分析

根據(jù)上述電場強(qiáng)度分析結(jié)果，對(duì)24kV 真空滅弧室內(nèi)部的主屏蔽罩和端屏蔽罩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將電場強(qiáng)度最大值集中的主屏蔽罩上端部設(shè)計(jì)為圓角結(jié)構(gòu)；同時(shí)更改端屏蔽罩結(jié)構(gòu)，將加大端屏蔽罩圓弧與瓷殼間徑向間隙，如圖4 所示。

在動(dòng)、靜管芯額定開距11mm、內(nèi)部絕緣介質(zhì)為真空情況下，按照額定雷電沖擊耐受電壓，對(duì)真空滅弧室動(dòng)管芯加載145kV 電壓，靜管芯加載0kV 電壓，進(jìn)行電場仿真計(jì)算。其內(nèi)部整體電場強(qiáng)度如圖5 所示，瓷殼內(nèi)壁沿面電場強(qiáng)度如圖6 所示。

圖5 優(yōu)化后的24kV 真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 優(yōu)化后內(nèi)部整體電場強(qiáng)度

由圖6、圖7 電場仿真計(jì)算結(jié)果可得出真空滅弧室內(nèi)部各間隙間電場值，如表3 所示。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，動(dòng)端加載高壓時(shí)，其整體電場強(qiáng)度最大值分布在動(dòng)靜管芯觸頭圓角位置，數(shù)值為22.97kV/mm，其余各個(gè)間隙的電場強(qiáng)度均小于20kV/mm，符合真空滅弧室設(shè)計(jì)中電場強(qiáng)度＜24kV/mm 的要求；瓷殼沿面電場強(qiáng)度最大值分別分布在主屏蔽罩與靜端屏蔽罩之間的瓷殼表面上，數(shù)值為2.43kV/mm，符合真空滅弧室設(shè)計(jì)中瓷殼沿面電場強(qiáng)度＜2.5kV/mm 的要求。

圖7 優(yōu)化后瓷殼沿面電場強(qiáng)度

表3 優(yōu)化后動(dòng)端加載高壓時(shí)滅弧室內(nèi)部各間隙電場強(qiáng)度

3 結(jié)論

3.1 通過將主屏蔽罩電場強(qiáng)度集中的端部更改為圓角設(shè)計(jì)，可顯著降低其電場強(qiáng)度。

3.2 通過適當(dāng)增大端屏蔽罩與瓷殼徑向間隙，配合主屏蔽罩端部圓角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可減小兩者之間瓷殼的沿面電場強(qiáng)度。

3.3 利用有限元仿真分析軟件ANSYS 建立真空滅弧室仿真計(jì)算模型，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)果能滿足真空滅弧室設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用。