基于Ansoft Maxwell的小型化真空滅弧室絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

隨著真空開(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(nèi)部絕緣水平的合理設(shè)計(jì)已顯得尤為重要，并成為領(lǐng)域內(nèi)普遍關(guān)注的研究方向，真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)的分布是內(nèi)部絕緣水平設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而內(nèi)部電場(chǎng)分析研究是一項(xiàng)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)絕緣問(wèn)題，其基礎(chǔ)是真空滅弧室內(nèi)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)著手分析，在小型化真空滅弧室設(shè)計(jì)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(duì)真空滅弧室內(nèi)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(jù)分析結(jié)果不斷地調(diào)整，最終使其內(nèi)部靜電場(chǎng)達(dá)到均勻分布的狀態(tài)，從而提高了小型化真空滅弧室的內(nèi)部絕緣水平。

1、Ansoft Maxwell軟件介紹

Ansoft Maxwell軟件是國(guó)際上流行的大型通用有限軟件包，是功能強(qiáng)大的電磁場(chǎng)仿真工具，主要應(yīng)用于電場(chǎng)、磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、熱場(chǎng)等領(lǐng)域的計(jì)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、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(shì)：
（1）具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)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(dǎo)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用

真空滅弧室內(nèi)部主要由觸頭、導(dǎo)電桿、屏蔽罩、波紋管等元件組成，影響其內(nèi)部絕緣水平的因素很多，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各間隙之間的電容均衡，內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻，從而提高內(nèi)部絕緣水平。下面是筆者在工作中利用Ansoft Maxwell 二維軟件對(duì)小型化真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jì)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(shè)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部電場(chǎng)可以視為軸對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)，所以在建立計(jì)算模型時(shí)只需要繪制一半的結(jié)構(gòu)圖即可，這樣可簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題來(lái)分析，可減少后處理過(guò)程中的計(jì)算量。模型可在Ansoft 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(dǎo)入模型。筆者建議在AUTO CAD或CAXA中建立模型，導(dǎo)入Ansoft Maxwell 中后即可使用，旋轉(zhuǎn)所成的體即可視為求解對(duì)象。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示：

圖1 真空滅弧室計(jì)算模型圖
模型建立起來(lái)后，設(shè)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(jì)算區(qū)，我們通常取相當(dāng)于滅弧室內(nèi)部區(qū)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(yuǎn)空間，如圖2所示：

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

1—真空滅弧室 2—空氣3—無(wú)限遠(yuǎn)計(jì)算區(qū)域 4—開(kāi)域場(chǎng)邊界

2.2 靜態(tài)電場(chǎng)的計(jì)算

電算前要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)各種材料進(jìn)行賦值，將無(wú)限遠(yuǎn)邊界定義為氣球邊界。計(jì)算條件為：動(dòng)觸頭及與其連接的金屬件電位設(shè)為零，靜觸頭及與其連接的金屬件電位設(shè)為10kV，屏蔽罩設(shè)置為懸浮電位，無(wú)限遠(yuǎn)處的氣球邊界設(shè)置為電壓，這里的動(dòng)靜端電壓條件的設(shè)定也可以反過(guò)來(lái)。根據(jù)設(shè)定的條件，Ansoft Maxwell 軟件運(yùn)用自適應(yīng)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(jì)算誤差可減小到任意指定值，本文計(jì)算中能量誤差小于1%。

圖3 自適應(yīng)剖分結(jié)果

Ansoft Maxwell軟件具有強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

真空滅弧室小型化后，內(nèi)部各結(jié)構(gòu)件的尺寸、形狀及其相互位置關(guān)系對(duì)內(nèi)部絕緣水平的影響非常大，下面針對(duì)幾種不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3—a與圖3—b的區(qū)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(qū)別在于靜端屏蔽罩的設(shè)置。

圖3不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

利用Ansoft Maxwell軟件分別對(duì)3種方案進(jìn)行分析計(jì)算，在施加相同載荷的條件下得到的結(jié)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(xiàn)在瓷殼上，瓷殼本身具備一定的絕緣強(qiáng)度，但如果滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)致瓷殼局部擊穿。

對(duì)這三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)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(dāng)在靜端施加高電壓時(shí)很容易導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)c中增加了端屏蔽罩后，雖然靜端施加高電壓時(shí)體現(xiàn)的不很明顯，但當(dāng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)c要好于其他兩種結(jié)構(gòu)。

2.3.2電場(chǎng)強(qiáng)度的分析

真空滅弧室絕緣設(shè)計(jì)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(qiáng)度。大體積的真空滅弧室可以從設(shè)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手，只能通過(guò)對(duì)內(nèi)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(qiáng)度校核，最終優(yōu)化出內(nèi)部電場(chǎng)均勻分布、三相交界處的電場(chǎng)強(qiáng)度盡量小的設(shè)計(jì)方案。

采用相同的設(shè)定條件，對(duì)上述三種結(jié)構(gòu)計(jì)算后的電場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度分布圖

【分析】

圖中所示的數(shù)值是相對(duì)一定的設(shè)定參數(shù)而測(cè)得的。
結(jié)構(gòu)a：所示數(shù)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(qiáng)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(xiàn)絕緣破壞，這與上面的電力線(xiàn)的分析結(jié)果是一致的。
結(jié)構(gòu)b：動(dòng)靜端三相交界處的電場(chǎng)強(qiáng)度低于結(jié)構(gòu)a，且施加高電壓時(shí)動(dòng)靜端的電場(chǎng)強(qiáng)度差值縮小，較結(jié)構(gòu)a的絕緣水平得到了優(yōu)化。
結(jié)構(gòu)c：在靜端增加了端屏蔽罩后，靜端三相交界處的電場(chǎng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)比較而然，結(jié)構(gòu)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(jié)果是一致的。

以上僅對(duì)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(yīng)用。在對(duì)小型化真空滅弧室的絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shè)計(jì)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(nèi)部的電場(chǎng)分布，提高小型化真空滅弧室的絕緣水平。

3、結(jié)束語(yǔ)

1）Ansoft Maxwell軟件的應(yīng)用，為領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計(jì)者們提供了科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，為我們提供了競(jìng)爭(zhēng)條件。
2）利用Ansoft Maxwell軟件優(yōu)化后的小型化真空滅弧室，內(nèi)部絕緣水平能夠得到很大的提高，從而進(jìn)一步適應(yīng)了市場(chǎng)對(duì)高壓產(chǎn)品的小型化需求。
3）本文探討的計(jì)算方法僅是筆者在工作中的一點(diǎn)應(yīng)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(yīng)用還有待同仁進(jìn)一步探討。