基于ansys的三相点电场分析及优化

王命梅

摘 要：在高压设备绝缘中，各种绝缘材料的气固交界面是绝缘的薄弱环节，尤其是三相接合点位置易受工艺、外界污秽、颗粒、气体环境等影响，造成电场在三相点区域高度集中，发生电晕，甚至引起闪络，降低产品的绝缘性能。本文通过静电场模拟软件计算三相点区域电力线分布及电场强度，分析了通过电场导向改变电力线走向，来降低三相点处的电场强度，获得满足设计需求的三相点区域电场强度，从而抑制三相点区域沿面闪络现象发生，提高产品的绝缘性能。

关键词：三相点；电场导向；电场强度

中图分类号：TM351 文献标识码：A

0.引言

高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，在断路器故障类型中，绝缘故障甚至威胁着电网的安全运行。而极柱绝缘设计是高压断路器设计的重要部分，提高极柱的绝缘水平的绝缘结构优化成为设计的重点。

1.三相点

三相点是3种媒质的接合点：如气体（空气或SF6），导体，绝缘体相互接触或非常接近的点或区域。在高电压下，如果一个导体放置于绝缘体小于3mm的位置，就有三相点的存在。由于制作工艺的原因，产品在浇注过程有时会不可避免地在结合处产生气泡或收缩，无法实现理想配合，在空气、绝缘体、导体间三相点区域容易造成电场高度集中，在足够的电场作用下，三相点区域容易产生电子发射，是闪络和击穿发生的激励源。因此，在高压产品的绝缘设计中，需要特别关注产品的三相点电场强度，应尽可能减小三相点区域电场强度。

本文采用静电场数值仿真方法，详细模拟计算了40.5kV户外真空断路器极柱三相点区域的电力线分布及电场强度。通过改变三相点附近绝缘体及导体形状，比较了多种结构极柱三相点区域的电力线分布及电场强度，寻找可以有效地减小导体、绝缘体、气体三结合点处的电场强度的极柱结构，从而帮助指导产品的结构优化，提高绝缘性能。

2.电场计算及分析

2.1 计算模型

40.5kV户外真空断路器极柱电场仿真模型示意图如图1所示。因为断路器极柱结构为轴对称，故只用简化的二维轴对称模型即可推知整体的电场分布。图1中，A为上接线板导体；B为下接线板导体；C为环氧绝缘体；D为空气；放大区域的空气、环氧、铜嵌件结合点即三相点。

2.2 计算及结果分析

按高压断路器产品绝缘设计规则，产品绝缘设计允许的最大电场强度与其所处的环境（如是否存在污染，是否为合模线，是否是三相点）及电场方向有关。本文计算假设了极柱三相点处于受污染的、合模线、电场方向平行于环氧表面，即PJT//状态。故按高压断路器产品的绝缘设计规则，在PJT//状态，推荐的三相点允许最大电场强度值是0.07kV/mm，表明了三相点区域电场强度应尽可能小。

（1）由图1初始极柱设计模型仿真的电力线及电场强度分布云图如图2所示。由图可知，在三相点区域，其最大电场强度值约为0.34kV/mm（图中的计算单位是V/m，转换1kV/mm=10-6V/m），大幅超过了其允许的电场强度值。

由于电场强度主要与其分布有关，故通过电场导向改变电力线走向，可以改变电场分布，降低电场强度。以下即仿真分析了几种不同结构极柱三相点区域的电力线分布及电场强度。

（2）改变环氧形状，增加环氧和下接线板间隙，间隙由0.5mm增加到3mm来改变三相点的电场，其电力线及电场强度分布云图如图3所示。由图可知，由于加大导体和绝缘体的间隙，在三相点区域，其最大电场强度值约为0.24kV/mm。比较图2和图3，受环氧形状影响，电力线走向发生改变，由于间隙增加较小，小幅地降低了三相点处的电场强度。

（3）改变下接线板形状，增加下接线板外径，试图改变三相点区域电力线走向，来改变三相点的电场分布，其电力线及电场强度分布云图如图4所示。由图可知，在三相点区域，其最大电场强度值约为0.06kV/mm，小于推荐的三相点允许最大电场强度0.07kV/mm，满足PJT//状态高压断路器产品绝缘设计规则。比较图2和图4，受下接线板形状影响，电力线走向发生较大改变，影响了三相点区域的电场分布，大幅降低了三相点处的电场强度。

比较以上几种结构极柱三相点区域电力线及电场强度分布图及数值，其结果表明，对于40.5kV户外真空断路器极柱三相点的电场，增大三相点附近的下接线板外径，可以有效地降低其三相点电场强度。该仿真结果同时指导了本公司该产品的极柱优化设计，对样机的绝缘结构进行了改进。

结论

综合以上几种结构分析看出，通过改变三相点附近绝缘体或导体形状，可以改变电力线走向。在实际产品设计中，可以通过改变绝缘体或导体形状的电场导向法，寻求适合本产品的可以有效降低三相点区域电场强度的结构，提高产品的绝缘设计。

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