基于有限元的隔離開關靜觸頭均壓環設計

劉雨芳 張 旻

（湖南航空技師學院，湖南 株洲 412000）

高壓隔離開關應用廣泛于電力系統，目前超高壓、特高壓的快速發展要求隔離開關具有更強的電磁環境控制能力和更好的防電暈結構。16、17 型號隔離開關的靜觸頭為存在多處尖角的鉗夾式，其絞線圈也存在較大的曲率效應，導致靜觸頭極易因電場強度過大而發生放電，產生電磁干擾、噪聲污染等危害，甚至會引起安全事故。因此降低靜觸頭表面電場強度、改善電場分布十分重要。目前，解決該問題常用的方法是經驗法和試驗法，即測試不同參數的均壓環對靜觸頭電場的控制能力，但該方法效率低、經濟投入高。有限元技術的發展為解決該問題提供了有力工具，通過ANSYS 仿真計算不同模型參數下的三維電場并確定最優方案，具有效率高、投入少等優點，降低了設計難度、人力、物力以及時間成本[1]。本文以GW16A-550、GW17A-550 型隔離開關靜觸頭為例來分析最優防電暈結構方案。

1 有限元建模

隔離開關靜觸頭如圖1（a）所示，由導電板、夾塊、絞線圈和靜觸桿等部分組成，其中導電板連接母線，靜觸桿合閘時與動觸頭相連。根據實際經驗與理論，夾塊、靜觸頭兩端等尖角部位和絞線圈是需要重點控制電場強度的區域，本文提出2 種防電暈結構方案。方案一如圖1（b）所示，在4 個夾塊部分均對稱加裝1060 鋁合金制成的小均壓盤，具體參數為盤直徑D=220mm，管直徑F=80mm，厚度為2mm。方案二如圖1（c）所示，在靜觸頭兩側對稱加裝1060 鋁合金大均壓環，環直徑D=1140mm，管直徑F=60mm，薄壁厚2mm。

圖1 靜觸頭實際模型

為節省計算資源并提高計算效率，在將三維模型導入ANSYS 前需要對模型進行合理處理，簡化部件裝配間的細微空氣間隙，簡化螺孔、倒角和圓角等特征，將絞線圈簡化為2 匝，以便在ANSYS 中對模型進行進一步處理和布林計算。為準確計算空氣域，考慮計算機資源，以靜觸頭為中心建立雙層立方體空氣域，內層立方體為8m×8m×8m，剖分細膩網格，外層立方體為16m×16m×16m，進行粗剖。設置有限元模型為solid123 靜電單元，重點區域的單元尺寸控制在0.01m～0.02m。根據不同部件的幾何形狀調整分網參數，充分平衡計算精度和單元數量[2]。圖1 中的3 種有限元模型劃分的網格數平均為2×107個左右，節點數平均為3×107個左右，保證了計算精度。

選取solid123 靜電單元，設置重點區域單元尺寸為0.01m～0.02m。根據各零件幾何特征，對默認單元尺寸比例因子、漲縮因子和過濾因子等參數進行調整，在保證計算精度的情況下盡量減少單元數量，優化計算過程[3]。分網完畢后，3 種模型平均單元數量達到2×107個左右，節點數達3×107個左右，網格質量較好，計算精度較高。

本文計算作準靜電場處理，不計管母和相間影響，設靜觸頭處于清潔、干燥且零海拔環境。網格劃分完畢后，設空氣的相對介電常數為1，靜觸頭的相對介電常數為1×105，并給靜觸頭加載550kV 電壓等級下的峰值相電壓，如公式（1）所示。

對空氣立方體的外表面加載無限遠邊界條件和零電位，選擇預處理共軛梯度法處理器PCG 進行計算求解。

2 無均壓環靜觸頭電場分布

空氣的擊穿場強為2500V/mm～3000V/mm（標準狀態下），本文要求電場強度控制在2500V/mm 以下。無防電暈結構下靜觸頭表面的電場強度分布云圖如圖2所示，各部件的最大電場強度見表1。計算結果與實際經驗、理論分析一致，絞線圈、下部夾塊、靜觸桿兩端場強較大，超過2500V/mm，需要重點分析。

表1 無均壓環靜觸頭各部位最大電場強度

圖2 無均壓環靜觸頭表面電場分布云圖

通過設置視圖選項過濾場強在2500V/mm 以下的部位，得到起暈部位，如圖3所示。絞線圈起暈部位為朝外一側，其直徑為22mm，大曲率、大電荷密度導致電場強度較大。由于下部夾塊和靜觸桿兩端存在尖角，因此也會發生電暈現象。為降低靜觸頭表面電場強度，需要加裝防電暈結構。

圖3 無均壓環靜觸頭起暈部位

3 帶均壓盤的靜觸頭電場分布

3.1 550kV 電壓等級

小均壓盤防電暈結構質量輕、工藝簡單且經濟成本低，在垂直方向上有更好的柔性表現。在550kV 下裝配小均壓盤的靜觸頭表面電場分布如圖4所示，各部位最大電場強度見表2。結果表明，均壓盤對夾塊、靜觸頭端部具有良好的屏蔽作用，與無均壓環情況相比，下夾塊的電場強度下降了42.5%，靜觸桿的電場強度降低了47.1%。但是絞線圈的最大場強為3090V/mm，仍超過控制場強2500V/mm。

表2 帶均壓盤靜觸頭各部位最大電場強度

圖4 帶均壓盤靜觸頭表面電場分布云圖

起暈部位如圖5所示，位于絞線圈外側。均壓盤因其尺寸較小，難以覆蓋絞線圈，因此屏蔽能力較弱，對絞線圈表面電場強度的控制作用不大。要提高均壓盤對絞線圈的屏蔽能力，可以增加均壓盤的盤徑，進而增加屏蔽范圍。

圖5 帶均壓盤靜觸頭起暈部位

保持其他條件不變，分別計算均壓盤盤徑以20mm 為間隔、從220mm 逐步增至460mm 對靜觸頭最大電場強度的影響，并將13 組數據繪制成如圖6所示的曲線圖，可見最大場強隨盤徑的增加而平穩降低，每級的最大場強與前一級相比平均下降3.4%，當盤徑增至460mm 時，最大場強為2497V/mm，滿足控制要求。因此增加均壓盤管徑雖能提高屏蔽作用，但效果不明顯，即使能達到控制要求，但出于工藝、成本等實際因素考慮，大尺寸的薄殼均壓盤在550kV 電壓等級下實用價值不高。

圖6 不同均壓盤盤直徑下靜觸頭最大電場強度

3.2 363kV 電壓等級

363kV 電壓等級隔離開關靜觸頭結構相似。保持均壓盤F=80mm，D=220mm，其他條件均不變，將加載的峰值相電壓改為公式（2）。

由于電壓等級降低，靜觸頭表面電荷密度變小，因此均壓盤能起到較好的防電暈作用。363kV 下帶均壓盤靜觸頭各部位最大電場強度見表3，最大電場強度為絞線圈上的2002V/mm，滿足控制要求，并且均壓盤結構具有較多優點，因此該方案雖不適用于550kV，但適用于363kV 電壓等級。

表3 363kV 下帶均壓盤靜觸頭各部位最大電場強度

4 帶均壓環的靜觸頭電場分布

4.1 電場強度分析

針對均壓盤尺寸較小，難以對絞線圈起到屏蔽作用的問題，可在靜觸頭兩側裝配一對大尺寸均壓環，覆蓋起暈部位[4]。帶均壓環靜觸頭電場分布如圖7所示，帶均壓環靜觸頭各部位最大電場強度見表4。由圖7、表4 可知，裝配均壓環后，靜觸頭表面電場強度大幅降低，最大值為1973V/mm，與不加均壓環相比，場強降低了43.3%，滿足控制要求。與均壓盤相比，均壓環防電暈結構屏蔽范圍更廣，效果更明顯，克服了均壓盤對絞線圈表面電場作用不明顯的不足。從成本方面考慮，不計靜觸頭與防電暈結構的連接件，通過上文計算，達到場強控制要求的均壓盤管徑為80mm，環徑為460mm，4 個這樣的均壓盤總體積為4.2×106mm3，而本文方案中均壓環尺寸為環直徑D=1140mm，管直徑F=60mm，薄壁厚2mm，2 個這樣的均壓環體積總和僅為2.7×106mm3，因此該方案更具優越性。

表4 帶均壓環靜觸頭各部位最大電場強度

圖7 帶均壓環靜觸頭電場分布

4.2 現場試驗

本文設定在理想條件下進行有限元仿真計算是，并對仿真模型進行了一定簡化處理，與實物存在一定偏差，在實際環境中，濕度、污穢程度、海拔等自然因素以及其他電極的存在都有可能造成實際值與計算值之間存在偏差，超過擊穿場強，引起電暈[5-6]。因此對裝配均壓環靜觸頭的GW16A-550隔離開關進行無線電干擾試驗。電暈放電會產生高頻脈沖電流，進而形成高頻電磁場，給無線電造成干擾，因此電磁兼容性是隔離開關的一項重要指標，126kV 及以上的高壓隔離開關必須進行無線電干擾試驗。

根據GBT11022—2011 規定，如果干擾電平不超過2500mV，則認為試驗通過。

試驗所得無線電干擾特性如圖8所示。施加試驗電壓時，無線電干擾值遠小于國標規定的2500mV，試驗通過。結果表明，裝配均壓環防電暈結構的隔離開關電暈放電強度低，具有較均勻的電場強度分布，驗證了有限元計算方法的正確性與準確性。

圖8 無線電干擾特性

5 結論

在550kV 電壓等級下，無防電暈結構的鉗夾式隔離開關靜觸頭夾塊尖角、靜觸頭兩端和絞線圈外側等部位電場強度大，極易引起電暈。

均壓盤式防電暈結構能有效降低夾塊和靜觸桿端部表面電場強度，但對絞線圈的影響不明顯，增加均壓盤盤徑雖能在一定程度上降低絞線圈表面場強，但從工藝和成本方面考慮，在550kV 下不適用，但在363kV 下具有優越性。

均壓環式防電暈結構作用范圍大、屏蔽效果好，是550kV 電壓等級下的理想方案?，F場無線電干擾試驗驗證了計算結果。運用有限元方法計算靜電場，研究防電暈結構的方法具有一定價值。