550kV GIS用SF6断路器电场分析计算

王艳秋，魏俊梅

(新东北电气(沈阳)高压开关有限公司，辽宁 沈阳 110025)

1 引言

在电力系统中，GIS在近年来得到了极为广泛的应用，断路器作为GIS的心脏元件，其绝缘的可靠性至关重要。三峡工程中采用的550kV ELK3型GIS用SF6断路器(见图1)系瑞士ABB公司研制，该断路器直径小，性能优良。本文采用有限元分析计算方法对该断路器结合其1min工频绝缘耐压试验对其合闸位置和分闸位置的静电场分布进行了分析计算，并对该断路器分闸过程中电场的不均匀程度进行了分析计算，从而全面地掌握了该断路器的绝缘特点，为国内自行设计新的断路器提供数据依据和参考。该断路器行程为200mm，分闸位置开距为152mm，额定充气压力为0.7MPa(20℃绝对压力)，1min工频耐压试验时充气压力为0.6MPa(20℃绝对压力)，1min工频绝缘耐压试验的相关技术参数见表1。

图1 550k VELK3型SF6断路器

2 理论基础及数学模型

由图1可知，本文研究的550kV SF6断路器是双断口断路器，由于该断路器的两个灭弧室完全一样(两断口间具有并联电容从而达到良好的均压效果)且其单个灭弧室具有轴对称的特点，所以采用平面分析方法，将其一个灭弧室轴截面的一半作为研究对象，分析其在不同情况下的电场分布。在计算模型图2(分闸位置)中，假定静触头侧电位为1000V(为方便计算)，动触头侧和罐体电位为0，对称轴和两端为对称边界;计算模型中区域1、2为聚四氟乙烯，区域3为玻璃纤维，其余区域为SF6气体，所以与该电场分布对应的边值问题［1］为:

式中，u为电势，单位V;εr为相对介电常数，无量纲;ε0为真空介电常数，且 ε0=8.854 ×10－12A·s/(V·m)。

图2 计算模型

场域中各点的电场强度

计算模型中三种电介质的相对介电常数分别为:SF6气体εr=1.0，用于浇注喷口的聚四氟乙烯，εr=2.0，用于压制绝缘筒的玻璃纤维εr=3.0。

断路器从合闸位置到分闸位置，灭弧室内的电场分布发生了很大的变化，为了清楚地认识断路器开断过程中灭弧室内电场均匀程度的变化，文中引入电场不均匀系数电场f。

式中，Emax为最大电场强度;Ea为平均电场强度;U为电极间所加的电压;d为电极间的距离。

3 电场计算结果

为了对该断路器1min工频绝缘耐压性能及断路器开断过程中电场不均匀程度的变化有清楚的认识，本文计算了该断路器在1000V计算电压下分合闸位置及10%开距～100%开距、步长为10%开距共12个位置对应的电场分布，计算结果如图3～图9所示。其中图3～图8分别为1000V计算电压下合闸位置和分闸位置灭弧室内的电压等值线分布、电力线分布和电场强度矢量图;得到1000V计算电压下分合闸位置对应电场中的最大电场强度之后，乘以1min工频绝缘耐压相关电压的峰值，便得到了其1min工频耐压下的最大电场强度值如表1所示(需要说明的是，由于该断路器是双断口断路器，所以对于单个灭弧室分闸位置的电场强度最大值，乘以的电压是整台断路器应该耐受试验电压的一半)。关于电场不均匀程度的计算，以触头间开距d=40%开距=0.4×152=59mm为例，经计算得其在1000V计算电压下灭弧室内的最大电场强度Emax=44270.4V/m，而1000V电压下断口间的平均电场强度Ea=1000/0.059=17241.3V/m，则电场不均匀系数f=Emax/Ea=2.6，按此方法可计算得到本文研究断路器的电场不均匀系数在整个开断过程中的变化趋势如图9所示，计算结果中开距的单位为m，电场不均匀系数无量纲。

图3 合闸位置电压等值线分布

图4 合闸位置电力线分布

图5 合闸位置电场强度矢量图

图6 分闸位置电压等值线分布

图7 分闸位置电力线分布

图8 分闸位置局部电场强度矢量图

图9 断路器开断过程中电场不均匀程度变化曲线

4 电场计算结果分析及绝缘强度较核

4.1 电场计算结果分析

通过对该断路器灭弧室12个不同位置对应电场分布的计算，发现在断路器整个开断过程中，电场强度最大值一直发生在静弧触头或动弧触头上，该设计原理保证了断路器在开断和关合过程中发生电击穿时电弧仍产生于动静弧触头之间，从而有效地避免了动静主触头可能发生的不当烧蚀。由图3～图5断路器合闸位置灭弧室内的电场分布可知，该断路器在合闸位置的电场分布充分利用了静动侧屏蔽罩的屏蔽作用，使得其高电位部位与罐体间的电场分布较为均匀，且合闸位置的电场强度最大值发生在屏蔽罩上。由图6～图8(分闸位置灭弧室内的电场分布)结合图9(断路器开断过程中电场不均匀程度的变化曲线)可知，在断路器开断过程中，灭弧室内的电场分布较合闸位置发生了根本的变化，静动侧屏蔽罩失去了屏蔽作用，灭弧室内电场的不均匀程度随着开距的增加在逐步增大。由于SF6气体的绝缘性能对电场的均匀程度比较敏感，所以在设计断路器时，应注意不能单纯靠增加间隙距离来提高击穿电压。由图5和图8分合闸位置的电场强度矢量图可知，在不同介质的分界面，由于相邻介质的介电常数有差别，所以电场强度在分界面上出现了不同程度的畸变。

4.2 绝缘强度较核

高压开关设备的击穿场强受很多因素影响，如SF6气体充气压力、SF6气体纯度(特别是SF6气体中的水分含量)、电压形式和极性、电场不均匀程度、电极表面粗糙度和电极面积等，因此要精确计算比较困难;查找相关绝缘资料，仅有文献［2］给出了SF6气体在50Hz工频交流峰值电压下的工程击穿场强由式(5)决定(该文献声明此经验公式是综合了各种情况下很多试验数据的下限值，由此确定的绝缘距离可能偏大)。

式中Ebt的单位为kV/cm;P为气体压力，单位为MPa;η为绝缘利用系数。

文献［2］中给出了不同电极结构的绝缘利用系数η。参考该文献，本文研究的断路器合闸位置的η取0.625，分闸位置的η取0.56;该断路器1min工频耐压试验时充气压力为0.6MPa(20℃绝对压力)，对应合闸位置的Ebt合=150.26kV/cm，分闸位置的Ebt分=133.33kV/cm。将表1中得到的电场强度最大值分别与Ebt合和Ebt分比较，均小于Ebt合和Ebt分，所以该断路器有能力通过表1中所给出的1min工频耐压的相关电压值;该断路器在实际型式试验及随后大批产品出厂试验中的1min工频耐压试验时均是非常顺利地一次通过;在电力系统长期运行中也是深得用户好评。

表1 1min工频耐压试验参数及相应的电场强度最大值

5 结论

绝缘结构设计与绝缘安全系数的设计是高压开关行业工程技术人员最为关心的问题。通过该断路器电场强度计算最大值和允许场强的比较并结合其在实际试验和运行中的表现，说明该断路器绝缘性能优良的同时也进一步证实了文献［2］给出的击穿判据具有一定的安全裕度;该断路器绝缘结构设计特点及绝缘安全系数可以为其他新产品开发借鉴。

［1］谈克雄.高压静电场数值计算［M］.北京:水利电力出版社，1991.

［2］徐国政，张节容，钱家骊，等.高压断路器原理和应用［M］.北京:清华大学出版社，2000.