一种具有不对称屏蔽罩的12 kV真空断路器灭弧室电场分析及优化

董华军，宋杰，陈培军，孙鹏，库照宇

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001)

真空断路器因具有优异的开断性能，被广泛应用在电力系统中，其在中压领域占据着主导地位[1-2]，其中12 kV真空断路器的产量在行业中占比较大，其市场份额达到93%，在国民经济中发挥着重要作用[3-5]。真空断路器灭弧室是真空断路器的“心脏”[6-10]，其内部的绝缘和开断性能主要取决于内部电场分布。真空断路器灭弧室内部电场不均匀会出现击穿现象，进而导致开断失败[11]，因此真空断路器灭弧室电场分布及绝缘结构的合理设计成为重要的研究课题。但前人所建研究模型大多为对称结构，较为陈旧，且电场集中点及内部电场分布情况较为单一，优化方式固定，大多在对称主屏蔽罩的基础上研究裙边存在与否的影响、两侧裙边方向及半径的影响、主屏蔽罩长度的影响，并未考虑内部波纹管屏蔽罩等不对称因素带来的内部电场分布不均问题。对此，本文建立具有不对称屏蔽罩的真空断路器灭弧室二维模型，旨在研究真空断路器灭弧室内部不对称时的电场优化问题。

现有研究大多建立了对称屏蔽罩的二维模型，对影响真空断路器灭弧室内部电场分布的因素进行分析。文献[12]建立了12 kV真空断路器灭弧室的二维模型，利用有限元方法计算分析灭弧室内部的电场和电位分布；文献[13]对12 kV真空断路器在不同开距下灭弧室的电场进行计算和分析，并进行综合优化设计；文献[11]针对某种12 kV/3 150 A/40 kA的真空断路器灭弧室进行电场仿真研究，分析了触头开距、形状以及屏蔽罩半径等因素对灭弧室内部电场分布的影响；文献[1]利用有限元方法，研究了有无屏蔽罩对真空断路器灭弧室电场分布的影响。本文选取的模型相较上述研究更具有参考价值，能得到更具有普适性的优化方法。

本文以具有不对称屏蔽罩的12 kV真空断路器灭弧室为研究对象，利用有限元法，使用Maxwell中的静电场模块对其内部电场进行计算，得到电场分布云图、电位分布云图及电场分布曲线图。通过分析，找出电场集中的部位，随后从不对称主屏蔽罩的半径、主屏蔽罩裙边翻转角度以及触头片的圆角半径3个角度对其内部进行优化设计，为中压真空断路器的开发提供参考。

1 12 kV真空断路器灭弧室模型建立

1.1 电场仿真模型

真空断路器灭弧室主要由动静触头及其导电杆、各屏蔽罩以及绝缘外壳组成，其绝缘强度设计的主要目的是：通过合理布置内部结构使得电场分布更加均匀，降低触头间的电场强度，同时减少触头表面的有效面积[14]。本文研究的具有不对称屏蔽罩的12 kV真空断路器灭弧室仿真模型如图1所示。为节约成本，减少计算量，对其内部结构进行简化处理，仅保留主要结构，同时为节约时间，仅建立轴对称模型，可通过旋转得到真实情况。

1—静导电杆；2—绝缘外壳；3—不对称屏蔽罩；4—静触头；5—动触头；6—动导电杆；7—波纹管屏蔽罩；8—端部屏蔽罩

由图1可以看到：本文将真空断路器灭弧室的主屏蔽罩绘制为不对称结构，与传统普通屏蔽罩相比，其动触头一侧屏蔽罩裙边半径较小，而静触头一侧屏蔽罩裙边半径较大，更加真实地还原了模型主屏蔽罩的形状，得到了更具有普适性的优化方法。

1.2 数学模型

1.2.1 Maxwell方程与位函数

电场数值计算的起点与基础是Maxwell方程组，它包括4个定律：安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通定律(磁通连续定律)[15]，式(1)为4个定律的微分形式。有限元法是使用微分方程法，选取位函数并施加边界条件，以此求得方程组唯一的解。

(1)

式中：J为传导电流密度矢量；∂D/∂t为位移电流密度，单位为A/m2；D为电通密度，单位为C/m2；B为磁感应强度，单位为T；ρ为电荷体密度，单位为C/m3；H为磁场强度，单位为A/m。

静电场为可以使用标量位函数的无旋场，因此引入标量电位φ，其与场强E的关系为

E=-∇φ.

(2)

利用公式(3)进行两边取散度处理，得到电位函数与电荷密度间的关系，从而得到相应的位函数，进而求出电场强度[16-17]。

∇·E=-Δφ.

(3)

1.2.2 静电场求解方程

静电场是有源无旋场，则Maxwell方程组及本构关系表示为：

(4)

式中ε为材料的介电常数。

将式(2)与式(4)中的D=εE代入∇·D=ρ，得到Maxwell进行静电场求解所需的基本方程[18]

∇·(ε∇φ)=-ρ.

(5)

2 12 kV真空断路器灭弧室电场计算结果

2.1 电场分布云图

对静触头及其连接件施加12 kV高电压，对动触头及其连接件施加零电压，计算时采用自然边界条件，对仿真模型进行Maxwell内置的自适应网格剖分，对模型面域施加对应材料。表1为各部件材料属性[19-20]。

表1 二维模型各部件材料属性

通过观察电场分布情况可以观察到电场是否均匀，局部是否集中，从而判断发生击穿的可能性。

图2所示为12 kV真空断路器灭弧室内部电场分布云图。从图2可以看出，在主屏蔽罩两端及动静触头片位置外侧边缘处电场比较集中，且这几处电场强度值较大，说明这几处容易发生击穿，电场强度最大值出现在主屏蔽罩端部，为2 452.8 V/mm。

图2 12 kV真空断路器灭弧室电场分布云图

图3、图4所示为屏蔽罩两端部以及动静触头片外侧边缘处的局部电场分布云图。从局部电场分布云图中可以更加清晰地观察到电场集中现象，因此，需要对这几处进行优化来缓解场强集中的情况。

图3 屏蔽罩两端部电场分布云图

图4 动静触头附近电场分布云图

主屏蔽罩右侧间隙处电场强度值低于最大电场强度值，但仍有优化的必要，可通过优化屏蔽罩半径来降低此处电场强度值。动静触头间隙在云图上表现为同种颜色，表明电场变化不大，分布较为均匀。两触头背面的电场强度最低，灭弧室内部其余位置电场强度适中，分布均匀，变化幅度不大。

2.2 电位分布云图

通过电位分布场图可以观察到真空断路器灭弧室内部电位的均匀程度，从而判断其绝缘性能，通过等势线的紧密程度来判断容易发生击穿的部位。图5所示为真空断路器灭弧室内部的电位分布场。

图5 12 kV真空断路器灭弧室电位分布云图

从图5可以看出，电位在灭弧室内部分布呈对称形状，变化梯度明显，电势从静触头端至动触头端由12 kV逐渐降低为0，等势线沿着施加电压的动静触头向外扩散。由于主屏蔽罩的均压作用，整个真空断路器灭弧室内部空间得到了有效利用。但主屏蔽罩两端部及动静触头片位置的外侧边缘处等势线分布较为紧密，电压变化落差较大，在较小区域内承受了较大电压，这2处容易发生击穿。此结论与上文由电场分布云图得出的结论较为一致。

2.3 电场分布曲线图

为了更直观地展示12 kV真空断路器灭弧室内部电场分布，选取主屏蔽罩内表面及动静触头表面作为观察路径，沿这3条路径绘制电场分布曲线图。

图6所示为屏蔽罩内表面电场分布曲线。

图6 屏蔽罩内表面的电场分布曲线

从图6可以看出，在主屏蔽罩中部电场变化幅度不大，且电场强度数值较小。当曲线到达主屏蔽罩与动触头侧间隙处时，电场强度数值有一定幅度的增加；当曲线到达主屏蔽罩边缘时，电场强度达到最高值；最后曲线到达主屏蔽罩边缘外表面，电场强度值又迅速下降。此结果与电场分布云图较为一致。

图7、图8分别为动静触头表面电场分布曲线。

图7 动触头表面的电场分布曲线

图8 静触头表面的电场分布曲线

从图7可以看出，触头片表面电场没有变化，且数值适中，说明触头间隙电场分布均匀。当曲线到达触头片边缘时，电场强度迅速变大，最后曲线到达触头侧面时，电场强度数值又急剧下降，动静触头片边缘电场强度最大值以及两触头侧面的最小电场强度值略有不同。以上曲线变化趋势与电场分布云图较为一致。

综上分析可知，具有不对称屏蔽罩的12 kV真空断路器灭弧室内部有电场集中现象，需进行优化，第3章将针对不对称屏蔽罩的半径、主屏蔽罩两端部裙边的翻转角度及动静触头片圆角半径进行优化。

3 12 kV真空断路器灭弧室内部电场优化

3.1 主屏蔽罩半径对电场分布的影响

通过改变主屏蔽罩半径，观察主屏蔽罩与触头之间距离的不同对电场分布的影响，以及主屏蔽罩右侧间隙处的电场集中情况是否有所改善。本文选取主屏蔽罩与触头之间的距离分别为8 mm、9 mm、10 mm、11 mm以及12 mm来进行对比分析。图9—图13分别为5种间距下，主屏蔽罩与触头间隙处的电场分布云图。

图9 间距为8 mm时的电场分布云图

图10 间距为9 mm时的电场分布云图

图11 间距为10 mm时的电场分布云图

图12 间距为11 mm时的电场分布云图

图13 间距为12 mm时的电场分布云图

从图9—图13可以看出：随着主屏蔽罩与触头间距增加，电场强度最大值逐渐降低。且受间距影响最大的位置为动触头侧与主屏蔽罩裙边的间隙处，随着间距增加，此位置电场集中现象逐渐缓解，电场强度值逐渐降低，间距从10 mm之后，此区域的电场集中现象已经消失。5种间距下的电场强度最大值分别为2 758 V/mm、2 526 V/mm、2 452 V/mm、2 306 V/mm、2 268 V/mm，前2种间距下电场集中现象仍然存在，因此不再考虑，后3种间距下电场强度最大值下降幅度分别为74 V/mm、146 V/mm和38 V/mm。可见随着间距增加，电场强度最大值下降幅度也在逐渐降低，间距为11 mm时，电场强度下降幅度较大，电场强度数值已经满足要求。并且考虑到过远的间距会降低屏蔽罩吸收能量的效果，也会影响真空断路器灭弧室的小型化，因此，最终将主屏蔽罩与触头的间距确定为11 mm。

主屏蔽罩两端部以及动静触头片边缘处受此间距的影响，电场强度有所缓解，但电场集中现象并未消失，下文将继续针对这2处进行优化。

3.2 两侧裙边翻转角度对电场分布的影响

通过改变动静触头侧裙边的翻转角度，来观察其对这2处电场分布的影响以及电场集中情况是否有所改善。本文选取翻转角度分别为45°、90°以及135°来进行对比分析，计算时，主屏蔽罩与触头的距离选择11 mm。图14—图17为初始模型及选取的3个角度下两侧裙边位置的电场分布云图。

图14 初始模型下的电场分布云图

图15 45°翻转角度下的电场分布云图

从图14—图17可看出：

图17 135°翻转角度下的电场分布云图

在动触头侧，裙边随着翻转角度增大，电场集中现象逐渐缓解。当翻转角度为90°时，裙边电场集中现象已消失，但当翻转角度达到135°时，虽然没有发生电场集中现象，但从云图刻度尺来看，相比于90°时，电场强度值反而上升，且从制造工艺的角度看，135°的裙边加工难度较大。因此，主屏蔽罩动触头侧裙边翻转角度选择90°最佳。

图16 90°翻转角度下的电场分布云图

在静触头侧，随着裙边翻转角度增大，裙边部位的电场强度变化没有动触头一侧明显，但最大电场强度值有先减小后增大的变化趋势。从45°之后，电场强度数值逐渐开始增大，即45°时，此处电场强度已经降至最低值。因此，静触头侧的裙边翻转角度选择45°最佳。

综上分析，最终将主屏蔽罩静触头侧的裙边翻转角度优化为45°，将主屏蔽罩动触头侧的裙边翻转角度优化为90°。图18、图19所示分别为屏蔽罩两侧裙边翻转角度优化后，其内表面的电场分布曲线图。

从图18、图19可以看出：相比于上文屏蔽罩内表面的电场分布曲线，优化裙边翻转角度之后两侧的电场分布曲线在峰值处有了明显降低，主屏蔽罩静触头侧裙边处电场强度由2 250 V/mm降至 2 100 V/mm，动触头侧裙边处电场强度由2 452.8 V/mm降至1 400 V/mm，下降幅度较大。从曲线图可直观地观察到，对主屏蔽罩两侧裙边翻转角度的优化较好地缓解了电场集中现象。

图18 优化后屏蔽罩静触头侧内表面的电场分布曲线

图19 优化后屏蔽罩动触头侧内表面的电场分布曲线

3.3 触头片圆角半径对电场分布的影响

触头片外侧边缘处电场集中现象较为明显，通过改变触头片外侧边缘的圆角半径，来观察其对此处电场分布的影响以及电场集中现象是否有所改善。由于模型触头片的厚度仅为3.0 mm，本文选取触头片圆角半径分别为1.5 mm、2.0 mm以及2.5 mm来进行对比分析。图20—图22分别为3种圆角半径下触头位置的电场分布场图。

图20 圆角半径为1.5 mm时的电场分布云图

图21 圆角半径为2.0 mm时的电场分布云图

图22 圆角半径为2.5 mm时的电场分布云图

从图20—图22可以看出：随着触头片圆角半径增大，触头片边缘处的电场集中现象逐渐得到缓解，当圆角半径到达2.5 mm时，电场集中现象基本消失，说明此处发生击穿的概率已大大降低。由于模型触头片厚度仅为3.0 mm，且过大的圆角半径会减少两触头片的接触面积，本文不再继续增大触头片的圆角半径继续研究，最终选择触头片的圆角半径为2.5 mm。

为了更直观地观察到触头片外侧边缘处的变化，仍然以动静触头片表面作为观察路径，沿路径绘制电场分布曲线。图23与图24所示分别为优化后动静触头片表面的电场分布曲线。

从图23、图24可以看出：相比于优化之前的曲线图，两触头片边缘处的电场强度数值大幅降低，动触头片边缘处由2 100 V/mm降至1 700 V/mm，静触头片边缘处由2 300 V/mm降至1 950 V/mm，说明触头片圆角半径的增加缓解了电场集中现象，大大降低了此处出现击穿现象的可能性。

图23 优化后动触头表面的电场分布曲线

图24 优化后静触头表面的电场分布曲线

4 结论

本文针对具有不对称屏蔽罩的12 kV真空断路器灭弧室电场进行分析和优化，得出如下结论：

a)具有不对称屏蔽罩的12 kV真空断路器灭弧室在主屏蔽罩两端部裙边处以及触头片边缘位置存在电场集中现象，同时需要对主屏蔽罩动触头侧间隙处的电场进行优化。

b)随着主屏蔽罩与触头间距增加，间隙处电场强度逐渐下降，在电场集中现象消失后，下降幅度先增大后减小，将间距设为11 mm可降低电场强度，并且能够保证灭弧室的小型化。

c)主屏蔽罩两侧裙边的翻转角度对此处的电场分布影响较大，动静触头侧裙边翻转角度分别设为90°及45°时，既可保证适中的裙边加工难度，又可缓解电场集中现象。

d)将真空断路器灭弧室触头圆角半径设定为2.5 mm时，触头边缘的电场集中现象基本消失，大大降低了此处出现击穿现象的可能性。