24kV 真空灭弧室内部电场结构优化

2020-11-05刘世柏李小钊薛从军赵芳帅

科学技术创新 2020年32期

刘世柏李小钊薛从军刘畅赵芳帅

（平高集团有限公司天津平高智能电气有限公司，天津300300）

1 研究背景

真空灭弧室作为开断短路电流的核心元器件，在中压领域占据了主流位置。随着我国国民经济和电力工业的迅速发展，城市用电负荷密度和供电半径越来越大，传统城市12kV 的供电越来越不能满足高负荷密度供电需求，同时为了降低土地成本，对开关产品的小型化提出了要求。为了解决这一问题，24kV电压等级在中压配电网中的应用越来越受到人们的关注和重视，国内也开始借鉴国外的成熟经验并率先在苏州工业园区展开试点并取得良好效果。

本文设计了一种24kV 小型化真空灭弧室，但紧凑的结构带来的是真空灭弧室内部电场分布不均，灭弧室内部主回路高电压部分与瓷壳及主屏蔽罩电场分布恶化，容易产生放电，导致绝缘失效。笔者应用ANSYS 有限元分析软件分析了24kV 小型化真空灭弧室内部电场分布，并对其内部绝缘结构进行了优化，得出了满足设计参数要求的的24kV 小型化真空灭弧室内部绝缘结构。

2 24kV 真空灭弧室内部电场分析与优化

图1 24kV 真空灭弧室优化前内部结构示意图

真空灭弧室典型结构如图1 所示，本文仅在真空灭弧室外形尺寸、动管芯、静管芯及瓷壳结尺寸不变的情况下，只改变内部端屏蔽罩和主屏蔽罩的形状结构，对内部整体电场强度及瓷壳沿面强度进行仿真计算。电场强度计算中使用的材料属性如表1 所示。

表1 材料电场仿真计算属性

2.1 24kV 真空灭弧室结构优化前内部电场强度分析

优化前的24kV 真空灭弧室结构如图2 所示。在动、静管芯触头额定开距11mm、内部绝缘介质为真空情况下，按照额定雷电冲击耐受电压，对内部绝缘结构优化前的真空灭弧室动管芯加载145kV 电压，静管芯加载0kV 电压，进行电场仿真计算。其内部整体电场强度如图2 所示，瓷壳内壁沿面电场强度如图3所示。

图3 优化前内部整体电场强度

图4 优化前瓷壳沿面电场强度

由图3、图4 电场仿真计算结果，可得出真空灭弧室内部各间隙间电场值，如表3 所示。

表2 优化前动端加载高压时灭弧室内部各间隙电场强度

结构优化前，动端加载高压时，其整体电场强度最大值分布在主屏蔽罩靠上端部，数值为26.88kV/mm，超出真空灭弧室设计中电场强度＜25kV/mm 的要求；瓷壳沿面电场强度最大值分别分布在主屏蔽罩与动端屏蔽罩之间的瓷壳表面上，数值为2.92kV/mm，超出真空灭弧室设计中瓷壳沿面电场强度＜2.5kV/mm 的要求。

2.2 24kV 真空灭弧室结构优化后内部电场强度分析

根据上述电场强度分析结果，对24kV 真空灭弧室内部的主屏蔽罩和端屏蔽罩进行了结构优化。将电场强度最大值集中的主屏蔽罩上端部设计为圆角结构；同时更改端屏蔽罩结构，将加大端屏蔽罩圆弧与瓷壳间径向间隙，如图4 所示。

在动、静管芯额定开距11mm、内部绝缘介质为真空情况下，按照额定雷电冲击耐受电压，对真空灭弧室动管芯加载145kV 电压，静管芯加载0kV 电压，进行电场仿真计算。其内部整体电场强度如图5 所示，瓷壳内壁沿面电场强度如图6 所示。

图5 优化后的24kV 真空灭弧室内部结构

图6 优化后内部整体电场强度

由图6、图7 电场仿真计算结果可得出真空灭弧室内部各间隙间电场值，如表3 所示。

结构优化后，动端加载高压时，其整体电场强度最大值分布在动静管芯触头圆角位置，数值为22.97kV/mm，其余各个间隙的电场强度均小于20kV/mm，符合真空灭弧室设计中电场强度＜24kV/mm 的要求；瓷壳沿面电场强度最大值分别分布在主屏蔽罩与静端屏蔽罩之间的瓷壳表面上，数值为2.43kV/mm，符合真空灭弧室设计中瓷壳沿面电场强度＜2.5kV/mm 的要求。