基于Ansoft Maxwell的小型化真空灭弧室绝缘优化设计

引言

随着真空开关技术的加速发展，真空灭弧室不断地走向小型化，真空灭弧室内部绝缘水平的合理设计已显得尤为重要，并成为领域内普遍关注的研究方向，真空灭弧室内部电场的分布是内部绝缘水平设计的关键，而内部电场分析研究是一项极其复杂的动态绝缘问题，其基础是真空灭弧室内部静电场问题的研究。这里仅从真空灭弧室的静态电场来着手分析，在小型化真空灭弧室设计与改进过程中，借助Ansoft Maxwell软件的静电场分析功能可以对真空灭弧室内部各组成元件的不同形状和不同位置下的静电场进行分析，根据分析结果不断地调整，最终使其内部静电场达到均匀分布的状态，从而提高了小型化真空灭弧室的内部绝缘水平。

1、Ansoft Maxwell软件介绍

Ansoft Maxwell软件是国际上流行的大型通用有限软件包，是功能强大的电磁场仿真工具，主要应用于电场、磁场、涡流场、热场等领域的计算与分析中。

Ansoft Maxwell软件是完全的Window程序，友好的用户界面，使用起来直观、方便。该软件较比其它有限元分析软件具有如下几点优势：
（1）具有强大的数据处理功能。
（2）拥有简便易行的绘图功能的同时兼有模型输入端口，可以方便的导入其他绘图软件形成的模型。
（3）在剖分过程中，可进行手动剖分和自动剖分，网格形状和疏密程度灵活多样，能量误差可减小到任意指定值。
（4）能够进行各类线性和非线性分析。

2、Ansoft Maxwell软件在小型化真空灭弧室绝缘优化设计中的应用

真空灭弧室内部主要由触头、导电杆、屏蔽罩、波纹管等元件组成，影响其内部绝缘水平的因素很多，但内部结构的合理设计可以有效实现内部各间隙之间的电容均衡，内部电场强度分布均匀，从而提高内部绝缘水平。下面是笔者在工作中利用Ansoft Maxwell 二维软件对小型化真空灭弧室内部结构和电场进行分析优化的一些方法和体会，供同仁们探讨。

2.1真空灭弧室计算模型的建立

Ansoft Maxwell的二维静电场分析主要包括3个部分：前处理模块、分析模块和后处理模块。主要过程为建立模型、设置边界、定义材料、赋予边界条件和载荷、剖分、求解和后处理等。

真空灭弧室是典型的轴对称结构，其内部电场可以视为轴对称电场，所以在建立计算模型时只需要绘制一半的结构图即可，这样可简化为二维轴对称问题来分析，可减少后处理过程中的计算量。模型可在Ansoft Maxwell 中建立，也可以在其它绘图软件中绘制，然后通过输入端口导入模型。笔者建议在AUTO CAD或CAXA中建立模型，导入Ansoft Maxwell 中后即可使用，旋转所成的体即可视为求解对象。结构模型如图1所示：

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图1 真空灭弧室计算模型图
模型建立起来后，设置边界条件很关键，事实上真空灭弧室电场的求解是属于开域场问题，这里我们为了合理确定真空灭弧室电场无界计算区，我们通常取相当于灭弧室内部区域的5倍距离处作为开域场边界，其外部即可视为一无限远空间，如图2所示：

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图2 真空灭弧室全场域电场计算模型场域分区

1—真空灭弧室 2—空气3—无限远计算区域 4—开域场边界

2.2 静态电场的计算

电算前要根据结构设计对各种材料进行赋值，将无限远边界定义为气球边界。计算条件为：动触头及与其连接的金属件电位设为零，静触头及与其连接的金属件电位设为10kV，屏蔽罩设置为悬浮电位，无限远处的气球边界设置为电压，这里的动静端电压条件的设定也可以反过来。根据设定的条件，Ansoft Maxwell 软件运用自适应网格剖分技术，自动生成剖分单元，进行有限元电场分析，如图3所示。其计算误差可减小到任意指定值，本文计算中能量误差小于1%。

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图3 自适应剖分结果

Ansoft Maxwell软件具有强大的后处理功能，可以分析电场方面的多种问题，例如电场强度、电力线分布、电感、电容等，本文主要从特殊点的电场强度和瓷壳沿面的电力线分布来分析。

2.3 小型化真空灭弧室内部结构优化设计

真空灭弧室小型化后，内部各结构件的尺寸、形状及其相互位置关系对内部绝缘水平的影响非常大，下面针对几种不同的结构进行分析，结构示意图如图3所示。

图3—a与图3—b的区别在于屏蔽罩的装配方向与位置不同；
图3—c与图3—b的区别在于静端屏蔽罩的设置。

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图3不同的设计结构

利用Ansoft Maxwell软件分别对3种方案进行分析计算，在施加相同载荷的条件下得到的结果截然不同。

2.3.1电力线的分布

真空灭弧室的击穿点都是表现在瓷壳上，瓷壳本身具备一定的绝缘强度，但如果灭弧室内部结构不合理，使得瓷壳沿面的电场分布不均匀，就可能在动态电场作用下导致瓷壳局部击穿。

对这三种结构进行计算后，得到的电力线分布图形如图4所示：a、b、c为静端加高压情况；a1、b1、c1为动端加高压情况。

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a a1

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b b1

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c c1

图4 电力线的分布图

【分析】

图4—a中：电力线的分布明显不均匀，中间电位线偏向静端很多，这样就增大了靠近静端的瓷壳沿面的电位梯度，当在静端施加高电压时很容易导致靠近静端的瓷壳沿面发生击穿；图4-a1中，在动端施加高电压时的情况稍好些，但中间电位线也是偏向静端的，同样会导致瓷壳沿面的电位梯度不均匀，所以这种方案可以不予考虑。

图4—b、图4-b1、图4-c、图4-c1中：瓷壳沿面的电力线分布基本均匀，且中间电位线基本趋于瓷壳沿面的中间位置，这样在瓷壳沿面上的电位梯度变化就会比较均匀，有利于降低瓷壳沿面的击穿率，尤其在结构c中增加了端屏蔽罩后，虽然静端施加高电压时体现的不很明显，但当变为动端施加高电压时，中间电位线基本就位于瓷壳沿面的中间位置了，这样整个瓷壳沿面得电位梯度不会出现突变，提高了瓷壳沿面的绝缘水平，所以加了端屏蔽罩后的结构c要好于其他两种结构。

2.3.2电场强度的分析

真空灭弧室绝缘设计的另一个关键点就是真空、绝缘外壳与空气的三相交界处的电场强度。大体积的真空灭弧室可以从设置端屏蔽罩、均压罩等措施来改善，但小型化的真空灭弧室则不易从这方面着手，只能通过对内部各元件的形状不断地进行修正和合理的布置并进行电场强度校核，最终优化出内部电场均匀分布、三相交界处的电场强度尽量小的设计方案。

采用相同的设定条件，对上述三种结构计算后的电场强度分布图如图5所示：a、b、c为静端加高压情况；a1、b1、c1为动端加高压情况。

a 静端三相交界处Emax:5.33 e+004kV/m a1 静端三相交界处Emax:4.27e+004kV/m
动端三相交界处Emax:1.86 e+004kV/m 动端三相交界处Emax:2.66e+004kV/m

b 静端三相交界处Emax:3.73e+004kV/m b1 静端三相交界处Emax:3.32e+004kV/m
动端三相交界处Emax:2.4 e+004kV/m 动端三相交界处Emax:2.4e+004kV/m

c 静端三相交界处Emax:3.46e+004.kV/m c1 静端三相交界处Emax:3.2e+004kV/m
动端三相交界处Emax:2.33e+004kV/m动端三相交界处Emax:2.4e+004kV/m

图5为电场强度分布图

【分析】

图中所示的数值是相对一定的设定参数而测得的。
结构a：所示数值表明，无论在静端施加高电压还是在动端施加高电压，其静端的三相交界处的电场强度均明显高于动端的三相交界处，所以很容易在靠近静端出现绝缘破坏，这与上面的电力线的分析结果是一致的。
结构b：动静端三相交界处的电场强度低于结构a，且施加高电压时动静端的电场强度差值缩小，较结构a的绝缘水平得到了优化。
结构c：在静端增加了端屏蔽罩后，静端三相交界处的电场强度又降低到更小值，而动端变化不明显，这就使得灭弧室的绝缘水平得到进一步的优化。所以三种结构比较而然，结构c是最优的。

从上面的两种分析情况来看，在灭弧室的绝缘优化的结果是一致的。

以上仅对有限的几种方案进行了优化分析，旨在介绍Ansoft Maxwell软件的具体应用。在对小型化真空灭弧室的绝缘优化设计中，还需要从很多方面进行优化分析，比如触头的厚度、半径、曲率半径、触头与杯座的过渡衔接、屏蔽罩的端口形状与曲率半径、触头与屏蔽罩的距离、动静触头之间的拉开距离等等。还要将电力线的分析与电场强度的分析兼顾一起来考虑，虽然这个优化过程比较繁琐，但通过一系列的优化分析后，可以帮助我们合理的设计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灭弧室内部的电场分布，提高小型化真空灭弧室的绝缘水平。

3、结束语

1）Ansoft Maxwell软件的应用，为领域内的设计者们提供了科学的设计依据，大大缩短了设计周期，为我们提供了竞争条件。
2）利用Ansoft Maxwell软件优化后的小型化真空灭弧室，内部绝缘水平能够得到很大的提高，从而进一步适应了市场对高压产品的小型化需求。
3）本文探讨的计算方法仅是笔者在工作中的一点应用体会，并且仅适用于二维静电场的定性分析，更多的应用还有待同仁进一步探讨。