一种交流滤波器断路器绝缘结构设计改进思路

(西安西电高压开关有限责任公司，陕西 西安 710018)

一种交流滤波器断路器绝缘结构设计改进思路

陈高翔

(西安西电高压开关有限责任公司，陕西 西安 710018)

本文以交流滤波器断路器为例,对其原有结构进行了静电场数值仿真,依据仿真结果对其绝缘结构进行了分析,提出了一种绝缘结构改进思路和方案,并对改进后结构进行了仿真、对比。同时,对改进后的局部零件进行了试验，间接验证了仿真计算的正确性。

交流滤波器;断路器;绝缘仿真;电通量

1 引言

换流站换流过程中，换流器会产生大量的谐波，换流站的交、直流侧都会有比较严重的电压畸变。为了保证电能质量，实现电力系统无功补偿，换流站需要装设交流滤波器，通过交流滤波断路器与交流侧母线相连接[1]。

换流站交流滤波器组容量大、投切频繁，且换流站中谐波情况复杂，导致开断交流滤波器时断路器可能承受较大的恢复电压。因此，对断路器灭弧室进行绝缘设计时，在满足电气基本要求的前提下应设法改善绝缘结构，使电场分布尽可能合理，以满足要求。

2 断口绝缘仿真分析及设计改进

目前，高压断路器电场计算中大多将灭弧室看作是一个轴对称的场域，将一个三维的场域计算问题近似简化为二维的轴对称场或1/4 的三维场域来处理[2-3]。为描述高压SF6断路器灭弧室内场强分布情况，本文以某电压等级断路器灭弧单元为研究对象，测得的运动特性曲线和恢复电压的规律得到边界参数如表1。确定不同运动位置时触头及其他影响断口电压分布的零件电场的最大值，以便使断口获得最佳的动态绝缘配合。并以此为依据，对原结构进行优化，以进一步改善断口电场分布，提高其均匀性。

表1 不同时间的触头间距离和恢复电压值

2.1 原结构电场数值仿真及分析

采用有限元法对断路器灭弧单元(如图1所示)进行电场数值仿真。并以触头刚分后12ms内每1ms时的断口位置电场进行仿真，仿真结果如图2所示。

图1 原断口结构及有限元模型

根据电场计算，断口电场分布大致呈正态曲线分布规律，场强最大位置出现在触头刚分后8ms处。在实际运行时，该位置的重燃概率较高。从而证实了仿真分析的可行性。

结构中静弧触头场强较高，且与其他触头场强差别大，电场分布均匀性不足。当断口间电压较高时，一般电弧发生在电场强度最大的动弧触头和静弧触头之间，由于原结构中动弧触头和动主触头电场强度接近，由于电弧的发生具有一定的随机性，并且当受其他因素影响时(例如：喷口壁厚、喷口座端部R值)，常出现弧触头与喷口座击穿，烧穿喷口[4]。

图2 原结构各触头表面电场强度最大值及场强最大位置云图

2.2 改进思路及方案

解决思路及方案一般有以下几种方法:

(1)SF6气隙绝缘性能取决于电极形状。由于在开断小电容电流时，因熄弧距离小，静弧触头端部电场大小对熄弧影响很大。通过改变静弧触头圆角，以此来降低静弧触头与其他触头场强的差别。

(2)SF6气隙绝缘性能取决于气隙尺寸。通过调整静弧触头圆角间接调整其相对位置，使得灭弧室动触头一侧电场分布产生被静弧触头吸引的趋势，以此来改善断口电场的均匀性。

(3)对喷口座端部R进行调整，并增大喷口壁厚δ，进一步降低喷口击穿概率。

2.3 新结构电场数值仿真

为使灭弧室断口电场分布尽量均匀并降低触头最大场强。按照仿真结果的分析及改进方案，在原结构基础上，对电极距离和电极形状进行了相应的调整(如图3所示)。并对新结构进行了电场数值仿真。仿真结果如图4所示。

图3 断口结构调整方案

图4 新结构各触头表面电场强度最大值及场强最大位置云图

通过对电场数值仿真结果对比分析，结构调整后灭弧室断口电场分布比较均匀，触头间电场分布未出现交错情况，并且触头和瓷套最大场强均得到显著降低。同时，动弧触头电场分布值与动、静主触头电场分布值差距拉大，这样就可以防止弧触头电流开断后动静主触头间发生闪落,并确保开断过程中的电弧复燃和关合过程中的预击穿均发生在弧触头间。从而显著降低主触头击穿概率。

3 试验验证

由于交流滤波器断路器的绝缘影响因素繁多、复杂，有限元计算方法还不能完全和实际相符，因而需要试验验证其结构优化的可行性。而试验验证涉及到样机成套、调试和型式试验等环节，试验周期长、成本高、风险大。本文通过对局部零件改进前后结构进行试验对比,以此间接验证仿真计算的可靠性。

对喷口改进前后结构进行了电通量计算(如图5所示)和试验验证。按照改进前、改进后各加工了三个喷口，分别进行编号，原喷口编号为A1、A2、A3，改进喷口编号为B1、B2、B3(如图6所示)。

图5 喷口改进前后电通量对比

试验主要是为了验证喷口壁厚的耐压程度，在喷口内部放置圆形高压电极，紧贴喷口内壁，高压电极和套管端子板相连接；外面放置环形接地金属带电极，紧贴喷口外壁。为了防止对地击穿，喷口放置在绝缘垫块上，为了防止喷口表面闪络，试验在密闭容器内进行，容器内部抽真空充0.6MPa的SF6气体，试验后0.6MPa气体回收(如图7所示)。

试验时，试验变压器通过套管加工频高压，逐渐升高电压直到喷口壁击穿，变压器跳闸，记录击穿数据见表2，每次放置一个喷口，逐个进行耐压试验。

图6 试验用喷口

图7 试验工装及设备

击穿电压(kV)平均值(kV)喷口A1:70A2:68A3:6969改进喷口B1:78B2:81B3:7979.3

根据有限元计算及喷口试验验证表明，改进后的喷口，喷口壁耐压能力有显著提高。试验也间接验证了理论和电场计算的正确性。

4 结论

本文依托某型断路器，以绝缘设计理论为基础，数值计算不同结构下灭弧室的电场分布情况，并对改进后的局部零件进行了试验，间接验证了仿真计算的准确性。使断路器在设计时，对绝缘结构设计有一定的参考依据，缩短试验周期，降低试验成本。

[1] 方冰，关永刚，申笑林.特高压换流站交流滤波器断路器恢复电压特性研究[J].高压电器，2015，51(8)：1-7.

[2] 宫瑞磊、赵江涛.基于Ansys静电场的含并联电容的超高压断路器电场分析及设计[J].高压电器，2012，48(6)：44-47.

[3] 杨敬华、范承勇.40.5kV真空断路器绝缘结构电场分析及优化设计[J].电网技术，2011，35(12)：146-152.

[4] 黎斌.SF6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2015.

AnalysisandStructureOptimizationofACFilterBreaker

CHENGao-xiang

(Xi′an XD High Voltage Apparatus Co.,Ltd.,Xi′an 710018,China)

Article takes the AC filter breaker for instance.Using numerical simulation method,We calculated static electric field of original structure.According to the interpretation of result,We analysed the structure of insulation,And presented an idea about structure optimization of insulation.And then,We calculated the static electric field of optimization structure,contrastive analysis between original and optimization structure.We indirect verified the validity of numerical simulation method by means of conduct a test for nozzle which between using original and optimization structure.

AC filter;circuit breaker;simulated analysis of insulation;electric flux

1004-289X(2017)03-0104-03

TM56

B

2017-02-08

陈高翔(1983-)，男，工程师，主要从事高压开关电气的设计研发工作。