10kV真空断路器固封极柱结构的电场分析及优化设计

10kV真空断路器固封极柱结构的电场分析及优化设计

龚学毅海磊吴伟

(珠海许继电气有限公司广东省珠海市519060)

摘要：10kV真空断路器固封极柱内腔结构需要考虑在绝缘试验中存在局部滑闪放电的绝缘隐患。本文利用AnsoftMaxwell仿真软件建立极柱二维物理模型并完成模型的静态电场仿真分析，然后综合仿真结果进行极柱结构优化设计。经电场仿真运算结果比较，优化后的极柱内部场强分布得到了明显的改善，可有效消除极柱绝缘隐患，满足工程应用要求。

关键词：固封极柱；滑闪放电；AnsoftMaxwell；静态电场仿真

0引言

随着经济的发展，我国配电网架空线路运行负荷越来越大，对柱上配电设备绝缘性能要求越来越严格。10kV配电网广泛应用的三相分立式柱上真空断路器普遍采用固封极柱结构，由于空间小，结构复杂，容易存在绝缘隐患，在进行常规的工频耐压绝缘试验中会局部出现滑闪放电现象。本文利用Ansoft仿真软件建立了固封极柱二维物理模型，并进行静态电场仿真分析，仿真结果表明场强集中点位于断路器出线导电杆内侧凸起尖端位置以及软连接紧固螺栓头部。综合仿真结果以及极柱实物应用情况，对进线导电杆结构以及软连接安装方式进行了优化设计，明显改善了极柱内部结构电场分布情况，消除了绝缘隐患。

1固封极柱绝缘结构分析

1.1结构分析

优化前10kV真空断路器固封极柱结构组成如图1所示，主要由环氧树脂绝缘外壳、真空灭弧室、进线导电杆、出线导电杆以及电流互感器固封浇注而成。在正常工况下，极柱内腔环境采用的是空气绝缘，断路器主回路连接高压，电流互感器铁芯均可靠接地，因此，出线导电杆与电流互感器铁芯之间的绝缘结构设计是整个极柱绝缘设计的关键。优化前的固封极柱中出线导电杆内侧凸起圆角位置与软连接紧固螺栓头部距离电流互感器接地铁芯较近，容易形成高场强集中点，且处于空气环境当中，当场强超过空气击穿场强容易引起电晕放电，随着电压上升，电晕放电会快速发展成辉光放电，当外施电压超过某一临界值后，辉光放电又快速发展成滑闪放电而形成明显可见的放电现象。

1-进线导电杆2-真空灭弧室3-软连接

4-绝缘拉杆5-电流互感器铁芯

6-出线导电杆7-环氧树脂绝缘外壳

图1原固封极柱剖面图

图2原固封极柱简化模型图

1.2电场仿真分析

由于固封极柱结构呈轴对称性，且极柱实物放电点也经过轴对称面，因此根据极柱实物尺寸建立极柱轴对称面的二维模型并进行相对应的静态电场仿真计算，仿真结果具备较高的代表性。

本文利用AnsoftMaxwell仿真软件建立固封极柱轴对称面二维模型（图2），并完成了模型的静态电场仿真分析，仿真结果如图3所示。由于固封极柱实物在42kV工频耐压绝缘试验过程中出现放电现象，因此本文电场仿真过程高电位设置为42kV的峰值电压59.4kV，低电位设置为0V，采用自然边界条件以及自适应网格剖分，相关零部件材料介电常数设置情况如下表1：

表1材料介电常数参数表

（a）电位分布图（b）电场分布图

（c）电场矢量分布图（d）网格剖分分布图

图3优化前固封极柱电场分析结果

在均匀电场中，空气击穿场强约为30kV/cm，环氧树脂击穿场强约为200kV/cm，而极柱内部电场分布为极不均匀电场，击穿场强会进一步下降，且气体介质与固体介质的界面电场分布情况对固体沿面放电特性会产生巨大的影响。从图3中电场分布图及其矢量分布图可以看出，极柱环氧树脂绝缘体中最大电场强度约为68kV/cm，出现在电流互感器铁芯倒圆角位置，远低于环氧树脂击穿场强，不会形成环氧树脂固体击穿放电现象；而空气中最大电场强度约为60kV/cm，远高于空气击穿场强，且界面电场垂直分量较大，极度容易形成电晕放电，在介质表面发生热电离而发展至滑闪放电。空气环境中电场强度高于30kV/cm的区域出现在出线导电杆内侧凸起结构下边沿以及软连接的紧固螺栓头部，同时这也是固封极柱实物放电位置，因此需要对这两个位置的绝缘结构进行优化设计。

2固封极柱结构的优化设计

2.1优化设计

优化前固封极柱内部结构存在的绝缘隐患，主要由出线导电杆结构设计以及软连接安装方式不合理造成。针对此问题，本文对导电杆、绝缘外壳以及软连接的结构进行了优化设计，改变了软连接的安装方式，如图4所示，具体优化方案如下：

（1）增大出线导电杆内侧凸起结构的圆角半径，同时将软连接安装面转移到导电杆顶端；

（2）增大固封极柱绝缘外壳的高度，将真空灭弧室适度上移，保证动触头上软连接安装面位于出线导电杆软连接安装面上方，并留出足够的软连接活动空间，同时将导电杆凸起结构表面覆盖浇注环氧树脂形成固体绝缘，可消除凸起结构表面对空气放电的可能性；

（3）软连接与出线导电杆的紧固方式由水平方式改为垂直方式，有效增大紧固螺栓头部与电流互感器接地铁芯之间的绝缘距离，可明显降低极柱内部空气环境中的电场强度，消除出现沿面滑闪放电的可能性；

1-进线导电杆2-真空灭弧室3-软连接

4-绝缘拉杆5-电流互感器铁芯

6-出线导电杆7-环氧树脂绝缘外壳

图4优化后固封极柱剖面图

图5优化后固封极柱简化模型

2.2优化结构的模型建立与电场仿真

针对优化后的固封极柱结构，建立二维简化模型（图5），其静态电场仿真结果如图6所示。

（a）电位分布图（b）电场分布图

（c）电场矢量分布图（d）网格剖分分布图

图6优化后固封极柱电场分析结果

由图6中电场分布图可知，优化后的极柱环氧树脂壳体中最大电场强度约为66kV/cm，而空气环境中最大电场强度整体低于30kV/cm，低于空气击穿场强，难以形成电晕放电。与图3中原固封极柱的电场分布情况比较可知，优化设计后的极柱结构内部电场分布优化效果明显，空气环境中的电场强度下降幅度较大，且界面电场垂直分量明显减小，形成弱垂直分量的电场分布情况，不容易形成热电离现象，理论上有效消除了极柱在绝缘试验过程中出现沿面滑闪放电的现象。

3固封极柱实物试验论证

本文对优化前后的极柱实物进行了试验论证，具体的试验结果如下表2：

表2极柱绝缘试验结果

从表2中的极柱实物绝缘试验结果可以看出，针对极柱绝缘结构进行的优化方案取得了明显的改善效果，有效消除了优化前极柱存在的绝缘隐患，满足10kV配网柱上真空断路器工程应用要求。

4结论

本文针对固封极柱结构存在的绝缘隐患进行了结构优化设计，并基于AnsoftMaxwell仿真软件进行了极柱二维简化模型构建与静态电场仿真分析，得到以下几点结论：

（1）优化前固封极柱存在放电问题主要由出线导电杆及软连接紧固螺栓头部在极柱内腔空气环境中形成高场强集中点而造成，需要优化出线导电杆与环氧树脂绝缘外壳的结构，并改良软连接的安装方式；

（2）优化前固封极柱环氧树脂绝缘壳体内部最高场强约为68kV/cm，远低于环氧树脂击穿场强200kV/cm，无固体击穿放电风险；

（3）优化前固封极柱内腔空气环境中最高场强约达到60kV/cm，远高于空气击穿场强30kV/cm,极易形成电晕放电并发展成为沿面滑闪放电现象；

（4）增大极柱出线导电杆内侧凸起结构圆角半径，同时外表面整体浇注环氧树脂，软连接由水平面安装改为垂直面安装。完成以上结构优化后的固封极柱内部电场分布较优化前具有明显的改善，界面电场垂直分量明显减小，空气环境中的场强均低于30kV/cm，消除了极柱的绝缘隐患，满足工程应用要求。

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第一作者：龚学毅（1990—），男，本科，电气工程师，主要研究方向：中压柱上开关设备设计。

第一作者：龚学毅通讯地址：广东省珠海市香洲区南屏科技工业园屏北二路12号