基于有限元分析的開關柜內部電場的改善

李 靜

（西門子中壓開關技術（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 問題的提出

SIMOSEC WORLD系列開關柜在SIMSEC12的基礎上將電壓等級提升到24 kV，可以在不改變空間凈距離情況下，僅改變相應絕緣件爬距實現目的。實驗中發現，24 kV開關柜無法滿足耐受電壓65 kV、雷電沖擊電壓125 kV的要求，會導致一些危險位置發生放電現象，或者個別位置發生局部擊穿。因此，均勻氣箱內部電場，改善氣箱內部整體的電場環境，顯得尤為重要。利用有限元軟件對其電場強度進行分析，改善整個電場的計算方法，不僅可以減少實驗次數，也可以為設計工程師提供指導。

2 分析與計算方法

電極表面形狀和電極間距離對電暈有很大影響。尖角的存在，容易引起擊穿，降低電暈。所以，氣箱內部不允許有尖銳的突起、劃痕和焊接殘渣。同時，為了避免極不均勻電場的出現，在零件的倒角部位應盡量增加圓弧半徑或者增加屏蔽罩，應避免棒-球空間設計，盡量使用電場更加均勻的同軸圓柱設計或同心球面設計。當產品升級到24 kV時，相-相、相-地存在多處放電情況。對于靜刀片，刀片底部到左側板和上部加強筋都存在放電現象，而刀片底部的尖角是引起放電的主要原因。因此，需要改善底部的尖角來均勻局部的電場強度。采用有限元法對開關柜的氣箱進行電場分析，其與其他的電磁場數值計算方法相較有著不可比擬的優勢。它能使復雜結構、復雜邊界條件的定解問題得到答案，并能勝任非線性問題和時變場的計算和分析，在電磁數值計算中占有主導地位。單元之間只靠節點相連。由于單元形狀簡單，易從平衡關系和能量關系的基礎上建立節點量的方程式[1-2]。

在T的實驗中，相間沿軸的放電比較嚴重，主要因為T柜的刀片較R柜偏小，導致銷子的兩端電場很不均勻，易造成相間的沿面放電。在稍不均勻電場中，隨著電極距離的增大，會因為擊穿電壓增長逐漸變慢而出現電壓增長飽和的現象。同時，在SIMOSEIC12研發時，箱體的空間已經達到工裝的飽和，電極間距離的增大很難實現。因此，將重點放到結構電場分布的均勻性上。為了平衡T柜電場，最有效的辦法是減短銷釘的長度，簡化后的模型如圖1所示。對計算場域進行三角剖分，輸入各材料的介電常數、邊界條件及邊界坐標。計算機根據這些信息，按照具體公式進行計算，最終得到輸出場域各點電場及電位值。本實驗采用自動網格剖分、局部細化的劃分網格方式，大大提高了計算精度和速度[3]。

圖1 新舊銷釘

從圖2、圖3的電勢線可以看出，本次實驗有效降低了電場值。將本次設計同樣應用于R柜，通過改善第三相銷釘對后板的放電來降低銷釘處的電場強度。由于建立的模型與實際模型有部分差異，不能建立一個更完整和復雜的模型用于有限元分析。因此，需要實驗來做進一步驗證。實驗結果顯示，更改后的設計完全可以滿足實驗要求。

圖2 原模型等勢線

圖3 新模型等勢線

多次實驗發現，滅弧線圈會對氣箱上板放電。滅弧線圈處于三種材料的結合點，在氣體、電極與固體絕緣介質的交界處，電場強度提高，因而會形成絕緣的弱點。電場提高的程度與電極和固體絕緣的接觸角θ有關。根據結構的不同，接觸角有兩類，如圖4所示。當接觸角θ=0時，接合處電場強度E最低，與沒有固體絕緣時的電場強度E1之比K如下。

在SF6側：

在固體絕緣側：

其中，εg為氣體介電常數，εd為絕緣材料的介電常數[4]。

圖4 接觸角類型

所以，在新方案設計中，會優化滅弧線圈。通過對滅弧磁體原模型進行分析，可以找到電場強度的最大值，而金屬對螺母夾板放電。通過電場分析可以優化模型，增大曲率半徑，由R10增大到R40。通過有限元分析，在圖5和圖6中可以觀察到，修改后R=40的模型中，滅弧線圈金屬導體與夾板的等勢線變化明顯趨于緩慢、均勻，因此對應電場強度也會改善。通過實驗驗證，修改后的模型完全滿足24 kV開關柜雷電沖擊實驗和工頻實驗的要求。

圖5 R10等勢線

圖6 R40等勢線

3 結 論

由以上分析可知，在設計開關柜的導體形狀時，應盡量避免小的尖角產生電場值的尖端集中，可以采取增加倒角半徑來均勻電場強度，達到整體電場值的優化。