基于數(shù)值分析的鐵路真空斷路器滅弧室的優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚曉軍，譚曉東，董華軍，翟鐵久

(1.黑龍江龍鳳山大氣本底污染監(jiān)測(cè)站，黑龍江 五常 150209;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;3.北京鐵路局機(jī)務(wù)處，北京 100860)

0 引言

近些年來，隨著真空滅弧室的發(fā)展，促進(jìn)了斷路器的設(shè)計(jì)與工藝的發(fā)展.過去，滅弧室一般都處于空氣絕緣的環(huán)境中，為了滿足外絕緣距離與爬距的要求，滅弧室的瓷殼長度無法做的很小，有時(shí)還需要在瓷殼上加上傘裙.現(xiàn)在，由于絕緣介質(zhì)的發(fā)展，例如環(huán)氧固封技術(shù)或其他絕緣介質(zhì)的出現(xiàn)，真空滅弧室處在某種絕緣介質(zhì)中，滅弧室的外絕緣距離與外爬距就不需要采用加長滅弧室瓷殼的方法來解決，滅弧室的瓷殼長度就可以做的很小，此時(shí)，決定滅弧室瓷殼長度的主要因素為滅弧室內(nèi)部的絕緣和滅弧室內(nèi)部的結(jié)構(gòu)［1-3］.例如，40.5 kV級(jí)隔離負(fù)荷開關(guān)用真空滅弧室瓷殼的長度只有180mm，與12 kV級(jí)真空滅弧室瓷殼的長度相差不大.瓷殼長度的減小，大大地降低了滅弧室的成本，也縮小了滅弧室與開關(guān)的體積.然而，滅弧室瓷殼縮小的同時(shí)，滅弧室內(nèi)部的空間也相應(yīng)地縮小了，對(duì)滅弧室內(nèi)部的絕緣要求也提高了，如果，仍然采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，每一種結(jié)構(gòu)只有通過樣管的試制、試驗(yàn)才能得到驗(yàn)證，為了在幾種方案中進(jìn)行選擇，必須對(duì)每一種方案都進(jìn)行樣管的比較，才能獲得較好的結(jié)果.更有甚者，即使樣管的絕緣試驗(yàn)通過了，由于滅弧室內(nèi)部某一區(qū)域的局部電場(chǎng)的集中，對(duì)絕緣材料例如瓷殼也會(huì)發(fā)生絕緣的劣化，短期的絕緣耐壓水平?jīng)]問題，但在長期的運(yùn)行過程中，就會(huì)發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象.在進(jìn)行滅弧室的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析、計(jì)算，就可對(duì)多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較與優(yōu)化，選擇出一種或者兩種以上的方案進(jìn)行試制，避免設(shè)計(jì)中的盲目性，即提高了滅弧室的性能，又節(jié)約了時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)可以降低因滅弧室內(nèi)部局部電場(chǎng)的集中而造成絕緣老化問題，大大提高了滅弧室的工作可靠性［4-8］.

1 真空滅弧室的電場(chǎng)計(jì)算及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)的計(jì)算，可對(duì)滅弧室動(dòng)、靜觸頭，屏蔽罩以及均壓罩的結(jié)構(gòu)、形狀、大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大提高滅弧室的絕緣特性.通過對(duì)真空滅弧室內(nèi)部磁場(chǎng)的計(jì)算，可以對(duì)滅弧室的動(dòng)、靜觸頭的形狀，結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高滅弧室的開斷能力［9-13］.

1.1 真空滅弧室的電場(chǎng)計(jì)算

本文采用有限元法對(duì)真空滅弧室進(jìn)行靜態(tài)電場(chǎng)計(jì)算.滅弧室選用額定電壓為12 kV，額定電流1 250 A，額定短路開斷電流為31.5 kV，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 瓷殼凸臺(tái)位于滅弧室的動(dòng)端結(jié)構(gòu)簡圖

該滅弧室用于充有SF6氣體的箱體內(nèi)，因此，滅弧室的瓷殼長度較置于空氣中的滅弧室短約30%.由于它的瓷殼短，降低了生產(chǎn)成本，而且安裝長度小，使得斷路器整體體積減小.

該滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布見圖2，滅弧室的開距為8mm，動(dòng)靜觸頭之間的電壓為42 kV(工頻有效值).從電場(chǎng)分布圖中可以得到，在滅弧室的動(dòng)靜觸頭之間，最大的電場(chǎng)強(qiáng)度位于靜觸頭的邊緣，其值為E1max=6.65 kV/mm，而在固定中間屏蔽筒的瓷殼的臺(tái)階與卡圈之間的電場(chǎng)強(qiáng)度為 E2max=8.98 kV/mm.

圖2 真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布示意圖

圖3 瓷殼臺(tái)階處的局部放大電場(chǎng)分布圖譜

圖3為瓷殼臺(tái)階處的電場(chǎng)分布局部放大圖譜，圖中可見，在卡圈與瓷殼的縫隙里，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到E2max=8.98 kV/mm，為全范圍內(nèi)的最大值.滅弧室長期運(yùn)行于帶電狀態(tài)中，強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)瓷殼產(chǎn)生長期而強(qiáng)烈的沖擊，會(huì)導(dǎo)致瓷殼的絕緣水平下降，最終被擊穿.

1.2 真空滅弧室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與其優(yōu)化方案

真空滅弧室中的卡圈為不銹鋼材料，與真空滅弧室的瓷殼之間有一個(gè)小真空間隙，通過1.1的分析得知此間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度非常大，是導(dǎo)致絕緣水平下降的主要原因.要長期保證絕緣水平就要降低此狹縫的電場(chǎng)強(qiáng)度，一下通過對(duì)滅弧室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及對(duì)電場(chǎng)的分析優(yōu)化了滅弧室.

(1)等電位處理:首先將瓷殼凸臺(tái)的表面進(jìn)行金屬化，使得瓷殼的凸臺(tái)與屏蔽筒的電位相等.通過計(jì)算得知瓷殼處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為E2max=1.55 kV/mm，觸頭與觸頭之間的最大電場(chǎng)強(qiáng)度位于靜觸頭的邊緣部位，其值為E1max=6.63 kV/mm.圖4為瓷殼凸臺(tái)等單位處理后的局部放大電場(chǎng)分布圖譜.由原來的E2max=8.98 kV/mm減小到E2max=1.55 kV/mm，對(duì)比可見，將瓷殼的凸臺(tái)表面金屬化后，瓷殼與卡圈之間的狹縫之間的電場(chǎng)強(qiáng)度降到了原來的17.3%，可以大幅度地避免滅弧室在長期的運(yùn)行中被電場(chǎng)擊穿情況的發(fā)生.

圖4 瓷殼凸臺(tái)的表面金屬化后瓷殼處局部放大電場(chǎng)分布圖譜

(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化:瓷殼凸臺(tái)是影響電場(chǎng)分布與強(qiáng)度的主要部件，原設(shè)計(jì)為瓷殼凸臺(tái)處于滅弧室的靜端，通過分析將瓷殼凸臺(tái)設(shè)置在滅弧室的動(dòng)端，通過計(jì)算電場(chǎng)分布得知，在滅弧室的動(dòng)靜觸頭之間，最大的電場(chǎng)強(qiáng)度位于動(dòng)觸頭的邊緣，其值為E1max=6.78 kV/mm，而在固定中間屏蔽筒的瓷殼的臺(tái)階與卡圈之間的電場(chǎng)強(qiáng)度為E2max=4.72 kV/mm.顯而易見將固定中間屏蔽筒的瓷殼臺(tái)階移到滅弧室動(dòng)端后，使得瓷殼臺(tái)臺(tái)階處的電場(chǎng)明顯降低，滅弧室動(dòng)靜觸頭之間的電場(chǎng)有所增加，但增加值不明顯.如果同樣將瓷殼凸臺(tái)的表面金屬化后，瓷殼處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為E2max=2.12 kV/mm，其值為E1max=6.78 kV/mm，觸頭之間的最大電場(chǎng)強(qiáng)度位于靜觸頭的邊緣.綜上可以看出，瓷殼處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度顯著減小，觸頭之間的電場(chǎng)強(qiáng)度不變.以上兩種優(yōu)化方案供油4種情況列于附表中，所列數(shù)據(jù)為滅弧室內(nèi)部觸頭之間和卡圈縫隙處的電場(chǎng)強(qiáng)度.

附表 四種不同滅弧室結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位電場(chǎng)強(qiáng)度

從附表可以看出，瓷殼臺(tái)階處放在靜端且進(jìn)行了金屬化后，無論是觸頭之間的電場(chǎng)強(qiáng)度還是卡圈狹縫處的電場(chǎng)強(qiáng)度都是最小的，因此可以認(rèn)為是優(yōu)選的方案.但是，要將瓷殼臺(tái)階處進(jìn)行金屬化處理需要增加一道工續(xù)，且增加成本，退而求其次也可以采用將瓷殼臺(tái)階移到動(dòng)端的方案.

2 結(jié)論

本文采用有限元分析的方法，對(duì)鐵路真空開關(guān)滅弧室進(jìn)行了電場(chǎng)分布計(jì)算，并對(duì)滅弧室進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)論如下:

(1)將瓷殼凸臺(tái)的表面進(jìn)行金屬化，使得瓷殼的凸臺(tái)與屏蔽筒的電位相等，改進(jìn)固定中間屏蔽筒的瓷殼的臺(tái)階與卡圈之間的結(jié)構(gòu)，使卡圈與瓷殼之間的狹縫中的電場(chǎng)強(qiáng)度大大降低了;

(2)通過改變瓷殼凸臺(tái)在滅弧室中的位置，也可明顯減低瓷殼臺(tái)階處的電場(chǎng)強(qiáng)度;

(3)改進(jìn)后的斷路器(真空滅弧室)用于多條電氣化鐵路中，經(jīng)三年多的應(yīng)用，安全可靠、故障率低，表明設(shè)計(jì)是合理的.

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