基于A(yíng)nsoft Maxwell的小型化真空滅弧室絕緣優(yōu)化設計

引言

隨著(zhù)真空開(kāi)關(guān)技術(shù)的加速發(fā)展，真空滅弧室不斷地走向小型化，真空滅弧室內部絕緣水平的合理設計已顯得尤為重要，并成為領(lǐng)域內普遍關(guān)注的研究方向，真空滅弧室內部電場(chǎng)的分布是內部絕緣水平設計的關(guān)鍵，而內部電場(chǎng)分析研究是一項極其復雜的動(dòng)態(tài)絕緣問(wèn)題，其基礎是真空滅弧室內部靜電場(chǎng)問(wèn)題的研究。這里僅從真空滅弧室的靜態(tài)電場(chǎng)來(lái)著(zhù)手分析，在小型化真空滅弧室設計與改進(jìn)過(guò)程中，借助Ansoft Maxwell軟件的靜電場(chǎng)分析功能可以對真空滅弧室內部各組成元件的不同形狀和不同位置下的靜電場(chǎng)進(jìn)行分析，根據分析結果不斷地調整，最終使其內部靜電場(chǎng)達到均勻分布的狀態(tài)，從而提高了小型化真空滅弧室的內部絕緣水平。

1、Ansoft Maxwell軟件介紹

Ansoft Maxwell軟件是國際上流行的大型通用有限軟件包，是功能強大的電磁場(chǎng)仿真工具，主要應用于電場(chǎng)、磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、熱場(chǎng)等領(lǐng)域的計算與分析中。

Ansoft Maxwell軟件是完全的Window程序，友好的用戶(hù)界面，使用起來(lái)直觀(guān)、方便。該軟件較比其它有限元分析軟件具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢：
（1）具有強大的數據處理功能。
（2）擁有簡(jiǎn)便易行的繪圖功能的同時(shí)兼有模型輸入端口，可以方便的導入其他繪圖軟件形成的模型。
（3）在剖分過(guò)程中，可進(jìn)行手動(dòng)剖分和自動(dòng)剖分，網(wǎng)格形狀和疏密程度靈活多樣，能量誤差可減小到任意指定值。
（4）能夠進(jìn)行各類(lèi)線(xiàn)性和非線(xiàn)性分析。

2、Ansoft Maxwell軟件在小型化真空滅弧室絕緣優(yōu)化設計中的應用

真空滅弧室內部主要由觸頭、導電桿、屏蔽罩、波紋管等元件組成，影響其內部絕緣水平的因素很多，但內部結構的合理設計可以有效實(shí)現內部各間隙之間的電容均衡，內部電場(chǎng)強度分布均勻，從而提高內部絕緣水平。下面是筆者在工作中利用Ansoft Maxwell 二維軟件對小型化真空滅弧室內部結構和電場(chǎng)進(jìn)行分析優(yōu)化的一些方法和體會(huì )，供同仁們探討。

2.1真空滅弧室計算模型的建立

Ansoft Maxwell的二維靜電場(chǎng)分析主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、分析模塊和后處理模塊。主要過(guò)程為建立模型、設置邊界、定義材料、賦予邊界條件和載荷、剖分、求解和后處理等。

真空滅弧室是典型的軸對稱(chēng)結構，其內部電場(chǎng)可以視為軸對稱(chēng)電場(chǎng)，所以在建立計算模型時(shí)只需要繪制一半的結構圖即可，這樣可簡(jiǎn)化為二維軸對稱(chēng)問(wèn)題來(lái)分析，可減少后處理過(guò)程中的計算量。模型可在A(yíng)nsoft Maxwell 中建立，也可以在其它繪圖軟件中繪制，然后通過(guò)輸入端口導入模型。筆者建議在A(yíng)UTO CAD或CAXA中建立模型，導入Ansoft Maxwell 中后即可使用，旋轉所成的體即可視為求解對象。結構模型如圖1所示：

圖1 真空滅弧室計算模型圖
模型建立起來(lái)后，設置邊界條件很關(guān)鍵，事實(shí)上真空滅弧室電場(chǎng)的求解是屬于開(kāi)域場(chǎng)問(wèn)題，這里我們?yōu)榱撕侠泶_定真空滅弧室電場(chǎng)無(wú)界計算區，我們通常取相當于滅弧室內部區域的5倍距離處作為開(kāi)域場(chǎng)邊界，其外部即可視為一無(wú)限遠空間，如圖2所示：

圖2 真空滅弧室全場(chǎng)域電場(chǎng)計算模型場(chǎng)域分區

1—真空滅弧室 2—空氣3—無(wú)限遠計算區域 4—開(kāi)域場(chǎng)邊界

2.2 靜態(tài)電場(chǎng)的計算

電算前要根據結構設計對各種材料進(jìn)行賦值，將無(wú)限遠邊界定義為氣球邊界。計算條件為：動(dòng)觸頭及與其連接的金屬件電位設為零，靜觸頭及與其連接的金屬件電位設為10kV，屏蔽罩設置為懸浮電位，無(wú)限遠處的氣球邊界設置為電壓，這里的動(dòng)靜端電壓條件的設定也可以反過(guò)來(lái)。根據設定的條件，Ansoft Maxwell 軟件運用自適應網(wǎng)格剖分技術(shù)，自動(dòng)生成剖分單元，進(jìn)行有限元電場(chǎng)分析，如圖3所示。其計算誤差可減小到任意指定值，本文計算中能量誤差小于1%。

圖3 自適應剖分結果

Ansoft Maxwell軟件具有強大的后處理功能，可以分析電場(chǎng)方面的多種問(wèn)題，例如電場(chǎng)強度、電力線(xiàn)分布、電感、電容等，本文主要從特殊點(diǎn)的電場(chǎng)強度和瓷殼沿面的電力線(xiàn)分布來(lái)分析。

2.3 小型化真空滅弧室內部結構優(yōu)化設計

真空滅弧室小型化后，內部各結構件的尺寸、形狀及其相互位置關(guān)系對內部絕緣水平的影響非常大，下面針對幾種不同的結構進(jìn)行分析，結構示意圖如圖3所示。

圖3—a與圖3—b的區別在于屏蔽罩的裝配方向與位置不同；
圖3—c與圖3—b的區別在于靜端屏蔽罩的設置。

圖3不同的設計結構

利用Ansoft Maxwell軟件分別對3種方案進(jìn)行分析計算，在施加相同載荷的條件下得到的結果截然不同。

2.3.1電力線(xiàn)的分布

真空滅弧室的擊穿點(diǎn)都是表現在瓷殼上，瓷殼本身具備一定的絕緣強度，但如果滅弧室內部結構不合理，使得瓷殼沿面的電場(chǎng)分布不均勻，就可能在動(dòng)態(tài)電場(chǎng)作用下導致瓷殼局部擊穿。

對這三種結構進(jìn)行計算后，得到的電力線(xiàn)分布圖形如圖4所示：a、b、c為靜端加高壓情況；a1、b1、c1為動(dòng)端加高壓情況。

a a1

b b1

c c1

圖4 電力線(xiàn)的分布圖

【分析】

圖4—a中：電力線(xiàn)的分布明顯不均勻，中間電位線(xiàn)偏向靜端很多，這樣就增大了靠近靜端的瓷殼沿面的電位梯度，當在靜端施加高電壓時(shí)很容易導致靠近靜端的瓷殼沿面發(fā)生擊穿；圖4-a1中，在動(dòng)端施加高電壓時(shí)的情況稍好些，但中間電位線(xiàn)也是偏向靜端的，同樣會(huì )導致瓷殼沿面的電位梯度不均勻，所以這種方案可以不予考慮。

圖4—b、圖4-b1、圖4-c、圖4-c1中：瓷殼沿面的電力線(xiàn)分布基本均勻，且中間電位線(xiàn)基本趨于瓷殼沿面的中間位置，這樣在瓷殼沿面上的電位梯度變化就會(huì )比較均勻，有利于降低瓷殼沿面的擊穿率，尤其在結構c中增加了端屏蔽罩后，雖然靜端施加高電壓時(shí)體現的不很明顯，但當變?yōu)閯?dòng)端施加高電壓時(shí)，中間電位線(xiàn)基本就位于瓷殼沿面的中間位置了，這樣整個(gè)瓷殼沿面得電位梯度不會(huì )出現突變，提高了瓷殼沿面的絕緣水平，所以加了端屏蔽罩后的結構c要好于其他兩種結構。

2.3.2電場(chǎng)強度的分析

真空滅弧室絕緣設計的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是真空、絕緣外殼與空氣的三相交界處的電場(chǎng)強度。大體積的真空滅弧室可以從設置端屏蔽罩、均壓罩等措施來(lái)改善，但小型化的真空滅弧室則不易從這方面著(zhù)手，只能通過(guò)對內部各元件的形狀不斷地進(jìn)行修正和合理的布置并進(jìn)行電場(chǎng)強度校核，最終優(yōu)化出內部電場(chǎng)均勻分布、三相交界處的電場(chǎng)強度盡量小的設計方案。

采用相同的設定條件，對上述三種結構計算后的電場(chǎng)強度分布圖如圖5所示：a、b、c為靜端加高壓情況；a1、b1、c1為動(dòng)端加高壓情況。

a 靜端三相交界處Emax:5.33 e+004kV/m a1 靜端三相交界處Emax:4.27e+004kV/m
動(dòng)端三相交界處Emax:1.86 e+004kV/m 動(dòng)端三相交界處Emax:2.66e+004kV/m

b 靜端三相交界處Emax:3.73e+004kV/m b1 靜端三相交界處Emax:3.32e+004kV/m
動(dòng)端三相交界處Emax:2.4 e+004kV/m 動(dòng)端三相交界處Emax:2.4e+004kV/m

c 靜端三相交界處Emax:3.46e+004.kV/m c1 靜端三相交界處Emax:3.2e+004kV/m
動(dòng)端三相交界處Emax:2.33e+004kV/m動(dòng)端三相交界處Emax:2.4e+004kV/m

圖5為電場(chǎng)強度分布圖

【分析】

圖中所示的數值是相對一定的設定參數而測得的。
結構a：所示數值表明，無(wú)論在靜端施加高電壓還是在動(dòng)端施加高電壓，其靜端的三相交界處的電場(chǎng)強度均明顯高于動(dòng)端的三相交界處，所以很容易在靠近靜端出現絕緣破壞，這與上面的電力線(xiàn)的分析結果是一致的。
結構b：動(dòng)靜端三相交界處的電場(chǎng)強度低于結構a，且施加高電壓時(shí)動(dòng)靜端的電場(chǎng)強度差值縮小，較結構a的絕緣水平得到了優(yōu)化。
結構c：在靜端增加了端屏蔽罩后，靜端三相交界處的電場(chǎng)強度又降低到更小值，而動(dòng)端變化不明顯，這就使得滅弧室的絕緣水平得到進(jìn)一步的優(yōu)化。所以三種結構比較而然，結構c是最優(yōu)的。

從上面的兩種分析情況來(lái)看，在滅弧室的絕緣優(yōu)化的結果是一致的。

以上僅對有限的幾種方案進(jìn)行了優(yōu)化分析，旨在介紹Ansoft Maxwell軟件的具體應用。在對小型化真空滅弧室的絕緣優(yōu)化設計中，還需要從很多方面進(jìn)行優(yōu)化分析，比如觸頭的厚度、半徑、曲率半徑、觸頭與杯座的過(guò)渡銜接、屏蔽罩的端口形狀與曲率半徑、觸頭與屏蔽罩的距離、動(dòng)靜觸頭之間的拉開(kāi)距離等等。還要將電力線(xiàn)的分析與電場(chǎng)強度的分析兼顧一起來(lái)考慮，雖然這個(gè)優(yōu)化過(guò)程比較繁瑣，但通過(guò)一系列的優(yōu)化分析后，可以幫助我們合理的設計各元件的尺寸并合理的布置各元件的位置，可以有效改善小型化真空滅弧室內部的電場(chǎng)分布，提高小型化真空滅弧室的絕緣水平。

3、結束語(yǔ)

1）Ansoft Maxwell軟件的應用，為領(lǐng)域內的設計者們提供了科學(xué)的設計依據，大大縮短了設計周期，為我們提供了競爭條件。
2）利用Ansoft Maxwell軟件優(yōu)化后的小型化真空滅弧室，內部絕緣水平能夠得到很大的提高，從而進(jìn)一步適應了市場(chǎng)對高壓產(chǎn)品的小型化需求。
3）本文探討的計算方法僅是筆者在工作中的一點(diǎn)應用體會(huì )，并且僅適用于二維靜電場(chǎng)的定性分析，更多的應用還有待同仁進(jìn)一步探討。