基于有限元的隔离开关静触头均压环设计

刘雨芳 张 旻

（湖南航空技师学院，湖南 株洲 412000）

高压隔离开关应用广泛于电力系统，目前超高压、特高压的快速发展要求隔离开关具有更强的电磁环境控制能力和更好的防电晕结构。16、17 型号隔离开关的静触头为存在多处尖角的钳夹式，其绞线圈也存在较大的曲率效应，导致静触头极易因电场强度过大而发生放电，产生电磁干扰、噪声污染等危害，甚至会引起安全事故。因此降低静触头表面电场强度、改善电场分布十分重要。目前，解决该问题常用的方法是经验法和试验法，即测试不同参数的均压环对静触头电场的控制能力，但该方法效率低、经济投入高。有限元技术的发展为解决该问题提供了有力工具，通过ANSYS 仿真计算不同模型参数下的三维电场并确定最优方案，具有效率高、投入少等优点，降低了设计难度、人力、物力以及时间成本[1]。本文以GW16A-550、GW17A-550 型隔离开关静触头为例来分析最优防电晕结构方案。

1 有限元建模

隔离开关静触头如图1（a）所示，由导电板、夹块、绞线圈和静触杆等部分组成，其中导电板连接母线，静触杆合闸时与动触头相连。根据实际经验与理论，夹块、静触头两端等尖角部位和绞线圈是需要重点控制电场强度的区域，本文提出2 种防电晕结构方案。方案一如图1（b）所示，在4 个夹块部分均对称加装1060 铝合金制成的小均压盘，具体参数为盘直径D=220mm，管直径F=80mm，厚度为2mm。方案二如图1（c）所示，在静触头两侧对称加装1060 铝合金大均压环，环直径D=1140mm，管直径F=60mm，薄壁厚2mm。

图1 静触头实际模型

为节省计算资源并提高计算效率，在将三维模型导入ANSYS 前需要对模型进行合理处理，简化部件装配间的细微空气间隙，简化螺孔、倒角和圆角等特征，将绞线圈简化为2 匝，以便在ANSYS 中对模型进行进一步处理和布林计算。为准确计算空气域，考虑计算机资源，以静触头为中心建立双层立方体空气域，内层立方体为8m×8m×8m，剖分细腻网格，外层立方体为16m×16m×16m，进行粗剖。设置有限元模型为solid123 静电单元，重点区域的单元尺寸控制在0.01m～0.02m。根据不同部件的几何形状调整分网参数，充分平衡计算精度和单元数量[2]。图1 中的3 种有限元模型划分的网格数平均为2×107个左右，节点数平均为3×107个左右，保证了计算精度。

选取solid123 静电单元，设置重点区域单元尺寸为0.01m～0.02m。根据各零件几何特征，对默认单元尺寸比例因子、涨缩因子和过滤因子等参数进行调整，在保证计算精度的情况下尽量减少单元数量，优化计算过程[3]。分网完毕后，3 种模型平均单元数量达到2×107个左右，节点数达3×107个左右，网格质量较好，计算精度较高。

本文计算作准静电场处理，不计管母和相间影响，设静触头处于清洁、干燥且零海拔环境。网格划分完毕后，设空气的相对介电常数为1，静触头的相对介电常数为1×105，并给静触头加载550kV 电压等级下的峰值相电压，如公式（1）所示。

对空气立方体的外表面加载无限远边界条件和零电位，选择预处理共轭梯度法处理器PCG 进行计算求解。

2 无均压环静触头电场分布

空气的击穿场强为2500V/mm～3000V/mm（标准状态下），本文要求电场强度控制在2500V/mm 以下。无防电晕结构下静触头表面的电场强度分布云图如图2所示，各部件的最大电场强度见表1。计算结果与实际经验、理论分析一致，绞线圈、下部夹块、静触杆两端场强较大，超过2500V/mm，需要重点分析。

表1 无均压环静触头各部位最大电场强度

图2 无均压环静触头表面电场分布云图

通过设置视图选项过滤场强在2500V/mm 以下的部位，得到起晕部位，如图3所示。绞线圈起晕部位为朝外一侧，其直径为22mm，大曲率、大电荷密度导致电场强度较大。由于下部夹块和静触杆两端存在尖角，因此也会发生电晕现象。为降低静触头表面电场强度，需要加装防电晕结构。

图3 无均压环静触头起晕部位

3 带均压盘的静触头电场分布

3.1 550kV 电压等级

小均压盘防电晕结构质量轻、工艺简单且经济成本低，在垂直方向上有更好的柔性表现。在550kV 下装配小均压盘的静触头表面电场分布如图4所示，各部位最大电场强度见表2。结果表明，均压盘对夹块、静触头端部具有良好的屏蔽作用，与无均压环情况相比，下夹块的电场强度下降了42.5%，静触杆的电场强度降低了47.1%。但是绞线圈的最大场强为3090V/mm，仍超过控制场强2500V/mm。

表2 带均压盘静触头各部位最大电场强度

图4 带均压盘静触头表面电场分布云图

起晕部位如图5所示，位于绞线圈外侧。均压盘因其尺寸较小，难以覆盖绞线圈，因此屏蔽能力较弱，对绞线圈表面电场强度的控制作用不大。要提高均压盘对绞线圈的屏蔽能力，可以增加均压盘的盘径，进而增加屏蔽范围。

图5 带均压盘静触头起晕部位

保持其他条件不变，分别计算均压盘盘径以20mm 为间隔、从220mm 逐步增至460mm 对静触头最大电场强度的影响，并将13 组数据绘制成如图6所示的曲线图，可见最大场强随盘径的增加而平稳降低，每级的最大场强与前一级相比平均下降3.4%，当盘径增至460mm 时，最大场强为2497V/mm，满足控制要求。因此增加均压盘管径虽能提高屏蔽作用，但效果不明显，即使能达到控制要求，但出于工艺、成本等实际因素考虑，大尺寸的薄壳均压盘在550kV 电压等级下实用价值不高。

图6 不同均压盘盘直径下静触头最大电场强度

3.2 363kV 电压等级

363kV 电压等级隔离开关静触头结构相似。保持均压盘F=80mm，D=220mm，其他条件均不变，将加载的峰值相电压改为公式（2）。

由于电压等级降低，静触头表面电荷密度变小，因此均压盘能起到较好的防电晕作用。363kV 下带均压盘静触头各部位最大电场强度见表3，最大电场强度为绞线圈上的2002V/mm，满足控制要求，并且均压盘结构具有较多优点，因此该方案虽不适用于550kV，但适用于363kV 电压等级。

表3 363kV 下带均压盘静触头各部位最大电场强度

4 带均压环的静触头电场分布

4.1 电场强度分析

针对均压盘尺寸较小，难以对绞线圈起到屏蔽作用的问题，可在静触头两侧装配一对大尺寸均压环，覆盖起晕部位[4]。带均压环静触头电场分布如图7所示，带均压环静触头各部位最大电场强度见表4。由图7、表4 可知，装配均压环后，静触头表面电场强度大幅降低，最大值为1973V/mm，与不加均压环相比，场强降低了43.3%，满足控制要求。与均压盘相比，均压环防电晕结构屏蔽范围更广，效果更明显，克服了均压盘对绞线圈表面电场作用不明显的不足。从成本方面考虑，不计静触头与防电晕结构的连接件，通过上文计算，达到场强控制要求的均压盘管径为80mm，环径为460mm，4 个这样的均压盘总体积为4.2×106mm3，而本文方案中均压环尺寸为环直径D=1140mm，管直径F=60mm，薄壁厚2mm，2 个这样的均压环体积总和仅为2.7×106mm3，因此该方案更具优越性。

表4 带均压环静触头各部位最大电场强度

图7 带均压环静触头电场分布

4.2 现场试验

本文设定在理想条件下进行有限元仿真计算是，并对仿真模型进行了一定简化处理，与实物存在一定偏差，在实际环境中，湿度、污秽程度、海拔等自然因素以及其他电极的存在都有可能造成实际值与计算值之间存在偏差，超过击穿场强，引起电晕[5-6]。因此对装配均压环静触头的GW16A-550隔离开关进行无线电干扰试验。电晕放电会产生高频脉冲电流，进而形成高频电磁场，给无线电造成干扰，因此电磁兼容性是隔离开关的一项重要指标，126kV 及以上的高压隔离开关必须进行无线电干扰试验。

根据GBT11022—2011 规定，如果干扰电平不超过2500mV，则认为试验通过。

试验所得无线电干扰特性如图8所示。施加试验电压时，无线电干扰值远小于国标规定的2500mV，试验通过。结果表明，装配均压环防电晕结构的隔离开关电晕放电强度低，具有较均匀的电场强度分布，验证了有限元计算方法的正确性与准确性。

图8 无线电干扰特性

5 结论

在550kV 电压等级下，无防电晕结构的钳夹式隔离开关静触头夹块尖角、静触头两端和绞线圈外侧等部位电场强度大，极易引起电晕。

均压盘式防电晕结构能有效降低夹块和静触杆端部表面电场强度，但对绞线圈的影响不明显，增加均压盘盘径虽能在一定程度上降低绞线圈表面场强，但从工艺和成本方面考虑，在550kV 下不适用，但在363kV 下具有优越性。

均压环式防电晕结构作用范围大、屏蔽效果好，是550kV 电压等级下的理想方案。现场无线电干扰试验验证了计算结果。运用有限元方法计算静电场，研究防电晕结构的方法具有一定价值。