基于數值分析的鐵路真空斷路器滅弧室的優化設計

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測站，黑龍江 五常 150209;2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028;3.北京鐵路局機務處，北京 100860)

0 引言

近些年來，隨著真空滅弧室的發展，促進了斷路器的設計與工藝的發展.過去，滅弧室一般都處于空氣絕緣的環境中，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，有時還需要在瓷殼上加上傘裙.現在，由于絕緣介質的發展，例如環氧固封技術或其他絕緣介質的出現，真空滅弧室處在某種絕緣介質中，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，決定滅弧室瓷殼長度的主要因素為滅弧室內部的絕緣和滅弧室內部的結構［1-3］.例如，40.5 kV級隔離負荷開關用真空滅弧室瓷殼的長度只有180mm，與12 kV級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的體積.然而，滅弧室瓷殼縮小的同時，滅弧室內部的空間也相應地縮小了，對滅弧室內部的絕緣要求也提高了，如果，仍然采用經驗設計其內部的結構，每一種結構只有通過樣管的試制、試驗才能得到驗證，為了在幾種方案中進行選擇，必須對每一種方案都進行樣管的比較，才能獲得較好的結果.更有甚者，即使樣管的絕緣試驗通過了，由于滅弧室內部某一區域的局部電場的集中，對絕緣材料例如瓷殼也會發生絕緣的劣化，短期的絕緣耐壓水平沒問題，但在長期的運行過程中，就會發生絕緣擊穿現象.在進行滅弧室的設計時，對滅弧室內部的電場進行數值分析、計算，就可對多種結構進行比較與優化，選擇出一種或者兩種以上的方案進行試制，避免設計中的盲目性，即提高了滅弧室的性能，又節約了時間，降低了設計成本，同時可以降低因滅弧室內部局部電場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 真空滅弧室的電場計算及其優化設計

通過對真空滅弧室內部電場的計算，可對滅弧室動、靜觸頭，屏蔽罩以及均壓罩的結構、形狀、大小進行優化設計，可以大大提高滅弧室的絕緣特性.通過對真空滅弧室內部磁場的計算，可以對滅弧室的動、靜觸頭的形狀，結構進行優化，提高滅弧室的開斷能力［9-13］.

1.1 真空滅弧室的電場計算

本文采用有限元法對真空滅弧室進行靜態電場計算.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，其結構如圖1所示.

圖1 瓷殼凸臺位于滅弧室的動端結構簡圖

該滅弧室用于充有SF6氣體的箱體內，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.

該滅弧室內部電場分布見圖2，滅弧室的開距為8mm，動靜觸頭之間的電壓為42 kV(工頻有效值).從電場分布圖中可以得到，在滅弧室的動靜觸頭之間，最大的電場強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階與卡圈之間的電場強度為 E2max=8.98 kV/mm.

圖2 真空滅弧室內部電場分布示意圖

圖3 瓷殼臺階處的局部放大電場分布圖譜

圖3為瓷殼臺階處的電場分布局部放大圖譜，圖中可見，在卡圈與瓷殼的縫隙里，電場強度達到E2max=8.98 kV/mm，為全范圍內的最大值.滅弧室長期運行于帶電狀態中，強電場對瓷殼產生長期而強烈的沖擊，會導致瓷殼的絕緣水平下降，最終被擊穿.

1.2 真空滅弧室結構的改進與其優化方案

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小真空間隙，通過1.1的分析得知此間隙的電場強度非常大，是導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強度，一下通過對滅弧室結構的改進及對電場的分析優化了滅弧室.

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

圖4 瓷殼凸臺的表面金屬化后瓷殼處局部放大電場分布圖譜

(2)結構優化:瓷殼凸臺是影響電場分布與強度的主要部件，原設計為瓷殼凸臺處于滅弧室的靜端，通過分析將瓷殼凸臺設置在滅弧室的動端，通過計算電場分布得知，在滅弧室的動靜觸頭之間，最大的電場強度位于動觸頭的邊緣，其值為E1max=6.78 kV/mm，而在固定中間屏蔽筒的瓷殼的臺階與卡圈之間的電場強度為E2max=4.72 kV/mm.顯而易見將固定中間屏蔽筒的瓷殼臺階移到滅弧室動端后，使得瓷殼臺臺階處的電場明顯降低，滅弧室動靜觸頭之間的電場有所增加，但增加值不明顯.如果同樣將瓷殼凸臺的表面金屬化后，瓷殼處的最大電場強度為E2max=2.12 kV/mm，其值為E1max=6.78 kV/mm，觸頭之間的最大電場強度位于靜觸頭的邊緣.綜上可以看出，瓷殼處的最大電場強度顯著減小，觸頭之間的電場強度不變.以上兩種優化方案供油4種情況列于附表中，所列數據為滅弧室內部觸頭之間和卡圈縫隙處的電場強度.

附表 四種不同滅弧室結構重點部位電場強度

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

2 結論

本文采用有限元分析的方法，對鐵路真空開關滅弧室進行了電場分布計算，并對滅弧室進行了優化設計，其結論如下:

(1)將瓷殼凸臺的表面進行金屬化，使得瓷殼的凸臺與屏蔽筒的電位相等，改進固定中間屏蔽筒的瓷殼的臺階與卡圈之間的結構，使卡圈與瓷殼之間的狹縫中的電場強度大大降低了;

(2)通過改變瓷殼凸臺在滅弧室中的位置，也可明顯減低瓷殼臺階處的電場強度;

(3)改進后的斷路器(真空滅弧室)用于多條電氣化鐵路中，經三年多的應用，安全可靠、故障率低，表明設計是合理的.

［1］廖敏夫，段雄英，鄒積巖.雙斷口真空開關的動態介質恢復特性分析［J］.真空科學與技術學報，2007，27(3):190-194.

［2］鄒積巖，董華軍，叢吉遠，等.真空開關電弧電子溫度診斷的實驗研究［J］.真空科學與技術學報，2008，28(6):531-534.

［3］董華軍.真空開關電弧形態研究及其等離子體參數診斷［D］.大連:大連理工大學，2009.

［4］丁富華，段雄英，鄒積巖.基于同步真空斷路器的智能無功補償裝置［J］.中國電機工程學報，2005，25(6):30-35.

［5］劉曉明，石玉俠，黃丹宇.基于多變量優化的真空滅弧室絕緣設計［J］.沈陽工業大學學報，2006，28(3):265-268.

［7］王季梅，吳維忠，魏一鈞.真空開關［M］.北京:機械工業出版社，1983.

［8］馬西奎.電磁場理論及應用［M］.西安:西安交通大學出版社，2000.

［9］金建銘，王建國.電磁場有限元方法［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1998.

［10］劉明光，高世勤.真空斷路器觸頭溫度在線監測系統研究［J］.鐵道學報，2002，24(1):26-31.

［11］何俊佳，鄒積巖.火花老練對真空滅弧室絕緣遷都的影響［J］.電工技術學報，1997，12(3):33-36..

［12］WATANABE K，KANEKO E，YANABU S.Technological progress of axial magnetic field vacuum interrupter［J］.IEEE transations on plasma science，1997，25(4):609-616.

［13］YANABU S，KANEKO E.Research and development of axial magnetic field electrode and its application［C］.Proceedings of 18th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，Eindhoven，Netherlands，1998:1-8.