基于有限元分析的开关柜内部电场的改善

2018-11-19李静

通信电源技术 2018年10期

李静

（西门子中压开关技术（无锡）有限公司，江苏无锡 214000）

1 问题的提出

SIMOSEC WORLD系列开关柜在SIMSEC12的基础上将电压等级提升到24 kV，可以在不改变空间净距离情况下，仅改变相应绝缘件爬距实现目的。实验中发现，24 kV开关柜无法满足耐受电压65 kV、雷电冲击电压125 kV的要求，会导致一些危险位置发生放电现象，或者个别位置发生局部击穿。因此，均匀气箱内部电场，改善气箱内部整体的电场环境，显得尤为重要。利用有限元软件对其电场强度进行分析，改善整个电场的计算方法，不仅可以减少实验次数，也可以为设计工程师提供指导。

2 分析与计算方法

电极表面形状和电极间距离对电晕有很大影响。尖角的存在，容易引起击穿，降低电晕。所以，气箱内部不允许有尖锐的突起、划痕和焊接残渣。同时，为了避免极不均匀电场的出现，在零件的倒角部位应尽量增加圆弧半径或者增加屏蔽罩，应避免棒-球空间设计，尽量使用电场更加均匀的同轴圆柱设计或同心球面设计。当产品升级到24 kV时，相-相、相-地存在多处放电情况。对于静刀片，刀片底部到左侧板和上部加强筋都存在放电现象，而刀片底部的尖角是引起放电的主要原因。因此，需要改善底部的尖角来均匀局部的电场强度。采用有限元法对开关柜的气箱进行电场分析，其与其他的电磁场数值计算方法相较有着不可比拟的优势。它能使复杂结构、复杂边界条件的定解问题得到答案，并能胜任非线性问题和时变场的计算和分析，在电磁数值计算中占有主导地位。单元之间只靠节点相连。由于单元形状简单，易从平衡关系和能量关系的基础上建立节点量的方程式[1-2]。

在T的实验中，相间沿轴的放电比较严重，主要因为T柜的刀片较R柜偏小，导致销子的两端电场很不均匀，易造成相间的沿面放电。在稍不均匀电场中，随着电极距离的增大，会因为击穿电压增长逐渐变慢而出现电压增长饱和的现象。同时，在SIMOSEIC12研发时，箱体的空间已经达到工装的饱和，电极间距离的增大很难实现。因此，将重点放到结构电场分布的均匀性上。为了平衡T柜电场，最有效的办法是减短销钉的长度，简化后的模型如图1所示。对计算场域进行三角剖分，输入各材料的介电常数、边界条件及边界坐标。计算机根据这些信息，按照具体公式进行计算，最终得到输出场域各点电场及电位值。本实验采用自动网格剖分、局部细化的划分网格方式，大大提高了计算精度和速度[3]。

图1 新旧销钉

从图2、图3的电势线可以看出，本次实验有效降低了电场值。将本次设计同样应用于R柜，通过改善第三相销钉对后板的放电来降低销钉处的电场强度。由于建立的模型与实际模型有部分差异，不能建立一个更完整和复杂的模型用于有限元分析。因此，需要实验来做进一步验证。实验结果显示，更改后的设计完全可以满足实验要求。

图2 原模型等势线

图3 新模型等势线

多次实验发现，灭弧线圈会对气箱上板放电。灭弧线圈处于三种材料的结合点，在气体、电极与固体绝缘介质的交界处，电场强度提高，因而会形成绝缘的弱点。电场提高的程度与电极和固体绝缘的接触角θ有关。根据结构的不同，接触角有两类，如图4所示。当接触角θ=0时，接合处电场强度E最低，与没有固体绝缘时的电场强度E1之比K如下。

在SF6侧：

在固体绝缘侧：

其中，εg为气体介电常数，εd为绝缘材料的介电常数[4]。

图4 接触角类型

所以，在新方案设计中，会优化灭弧线圈。通过对灭弧磁体原模型进行分析，可以找到电场强度的最大值，而金属对螺母夹板放电。通过电场分析可以优化模型，增大曲率半径，由R10增大到R40。通过有限元分析，在图5和图6中可以观察到，修改后R=40的模型中，灭弧线圈金属导体与夹板的等势线变化明显趋于缓慢、均匀，因此对应电场强度也会改善。通过实验验证，修改后的模型完全满足24 kV开关柜雷电冲击实验和工频实验的要求。