在高电压等级设备的结构设计中，电场分布是不可忽视的影响因素，因此需在快速断路器的研发阶段对其电场分布进行分析校核。常州博瑞电力自动化设备有限公司的王智勇、韩玉辉、陈新，在年第9期《电气技术》上撰文，以kV快速断路器为研究对象，建立三维简化模型进行电场仿真计算，分析均压装置的结构、尺寸及安装距等对电场分布的影响。通过对比研究实现对均压装置结构、安装位置及尺寸的优化配置，最终确定选用管母型均压装置，管径为40mm，安装距为20mm，此方案可将设备最大电场强度控制在2.3kV/mm以下。本研究结果可为产品的优化提供参考。

随着我国电力系统负荷逐渐增加，大容量机组持续增多，导致各个电压等级电网故障时的短路电流不断增大，这对保障电力系统的安全性、稳定性和可靠性提出了更高要求。在电力系统中装设快速断路器是一种有效的保护措施，然而随着电力系统运行电压的提高，快速断路器和绝缘子支撑结构电场不均匀的问题逐渐凸显，特别是在高电场强度的区域内会产生电晕等一系列放电现象。电力系统中设备发生电晕而产生的能量损失可忽略不计，但其产生的高频电磁波会严重干扰无线电通信，并且伴有噪声，对周围居民和电子设备产生危害；此外，在电晕的影响下，电力设备中的绝缘材料会加速老化，导致其电、力、热学性能大大下降。因此，高压系统中快速断路器在正常运行情况下的电场分布、电晕放电等问题，成为结构设计阶段不可忽视的因素。目前，国内外专家针对上述问题进行了广泛的探讨和研究，主要采用安装均压装置的方法改善电场强度集中的情况。但是，均压装置的均压效果受结构参数和环境影响较大，暂无统一标准。本文以kV快速断路器为研究对象，建立三维模型，运用有限元仿真计算获得整机的电场分布特征，对kV快速断路器不同参数下的均压装置进行对比分析，以得到最优的均压装置配置方案。1kV快速断路器结构kV快速断路器拓扑如图1所示，整个系统每一相由四个40.5kV的真空灭弧室串联而成，每个真空灭弧室并联一个均压电容，保证在开断过程中每个断口的电压相等。图1kV快速断路器拓扑单台kV快速断路器三维结构如图2所示。两台真空灭弧室和两台均压电容安装在快速断路器的操动机构箱上，整机的操动机构箱各边角和底部支撑槽钢边角分别安装有均压装置，整个操动机构箱安装在一根支撑套管上。快速断路器主体高度4.75m，主体安装在高2.5m的金属支柱上，总高7.25m。图2单台kV快速断路器三维结构2计算方法和计算模型利用有限元分析工具对kV快速断路器进行电场仿真计算和分析。2.1有限元静电场分析理论式（1）—式（5）2.2模型建立与参数设置对kV快速断路器按照实际模型进行简化建模，包括支撑套管、操动机构箱、真空灭弧室、均压电容等，kV快速断路器简化模型如图3所示。由于本文主要研究箱体四周安装的均压装置，故对真空灭弧室和支撑套管外部的伞群进行简化，并对柜体的外观进行简化，保留柜体的基本尺寸和倒角等，对柜体内部结构进行简化去除。图3kV快速断路器简化模型本文主要研究均压装置的管径和安装距对电场分布的影响。半圆型与管母型均压装置示意图如图4所示。图4半圆型与管母型均压装置示意图根据国家标准，kV快速断路器额定绝缘水平见表1。仿真所需材料相对介电常数见表2。表1kV快速断路器额定绝缘水平（单位:kV）表2材料相对介电常数2.3边界条件设置在仿真时，除将kV快速断路器模型进行简化外，还需建立求解域。根据实际安装情况，设备为高电位，地面为零电位，四周除地面外，采用开放边界条件，即无限远处为零电位。根据断路器电压等级kV，其在该电压等级下的安全距离为1.8m，故在设置模型时，在半径方向的距离大于1.8m，设备高度为7.25m，求解域高度大于设备高度即可，故本文建立一个高度为8m、直径为6m的空气域进行仿真计算。为简化运算，将模型对称分割，得到快速断路器求解域如图5所示，在分割面处添加偶对称边界条件，空气域外边界采用开放边界，底部边界设置为零电位。图5快速断路器求解域2.4许用电场强度的选取根据电介质理论，要使导体表面产生电晕放电，需要导体表面电场强度达到起晕要求。为了防止电晕发生，需要将整体电场强度控制在起晕场强以下，而起晕场强目前没有统一标准。由于起晕场强因海拔高度不同而不同，故本文参考高海拔控制电场强度修正法计算起晕控制电场强度，如式（6）所示。式（6）根据球、环、防振锤及均压屏蔽环的计算结果可知，在零海拔条件下，金具表面电场强度达到40kV/cm左右时，会发生电晕放电，因此以该值作为场强修正法的基准起晕场强。依据国网电力科学院等机构的试验结果及国内外海拔修正的相关经验，海拔修正系数取值见表3。表3海拔修正系数取值本文涉及的地区海拔高度接近m，故修正系数K1取1.05，安全裕度采用1.4。经修正可得金具表面起晕场强为2.72kV/mm。金具表面工作控制场强应为起晕场强的85%，故本文金具表面工作控制电场强度应在2.3kV/mm以下。3kV快速断路器电场仿真3.1无均压装置的电位分布及电场分布无均压装置快速断路器的电场强度及电势分布如图6所示。由图6（a）可知，未安装均压装置的快速断路器的最大电场强度为4.45kV/mm，远超计算所得2.3kV/mm的起晕场强。从电场强度分布图可以看出，控制柜的边缘处电场集中，因此本文主要针对控制柜体四周的均压装置进行优化研究。图6无均压装置快速断路器的电场强度及电势分布3.2均压装置结构参数对电场分布的影响为探寻最优的均压装置结构与参数，分别研究管母型均压装置和半圆型均压装置的不同管径、安装距对电场强度的影响。原有均压装置采用半圆型结构，其结构及安装参数见表4。表4原有半圆型均压装置结构及安装参数图7所示为两种快速断路器在不同管径下的最大电场强度。根据图7可知，随着管径增加，安装半圆型均压装置的快速断路器和安装管母型均压装置的快速断路器W的最大电场强度逐渐降低。其中，对于安装半圆型均压装置的快速断路器，当管径为30～50mm时，最大电场强度依次降低，而当管径为50mm、55mm和60mm时，最大电场强度的下降趋势并不明显，均在2.5kV/mm左右。管母型均压装置比半圆型均压装置的均压效果更好，随着管径增加，最大电场强度逐步下降，且当管径大于40mm时，电场强度已满足在2.3kV/mm以下的要求。图7两种快速断路器在不同管径下的最大电场强度图8为两种快速断路器在相同管径、不同安装距下的最大电场强度。由图8可知，当安装距逐渐增加时，安装半圆型均压装置的快速断路器的最大电场强度逐步降低，当安装距增加到大于40mm时，最大电场强度不再明显下降，在2.55kV/mm左右，不满足既定许用场强2.3kV/mm的要求。图8两种快速断路器在相同管径、不同安装距下的最大电场强度安装管母型均压装置的快速断路器的最大电场强度随安装距的增加而逐步降低，当安装距大于55mm时，最大电场强度没有明显变化，稳定在2.1kV/mm左右，满足许用场强2.3kV/mm的要求。3.3均压装置优化配置根据以上仿真分析可知，采用半圆型均压装置，通过增加管径和安装距不能有效地将最大电场强度降低到2.3kV/mm的许用场强以下，故优先采用管母型均压装置。考虑成本及结构强度，优先选用管径及安装距较小的方案，故快速断路器均压装置优化配置方案见表5。表5快速断路器均压装置优化配置方案3.4绝缘试验将优化后的均压装置装配到kV快速断路器，并进行绝缘试验，试验设备如图9所示。图9绝缘试验设备直流耐受电压试验：串联断口处于合闸状态，断口连接直流耐压设备高压端，底部接地铜排接地。施加的直流耐受电压为kV，试验持续60min，正负极性各1次。直流耐受电压试验后，若非自恢复绝缘上破坏性放电未发生，则通过直流耐受电压试验。局部放电试验：完成耐受试验之后，设备施加电压为负极性电压，持续30min耐压试验。在整个试验过程中，局部放电的测量按照GB/T—相关要求执行。判断试验标准为：在最后一次极性转换完成最后29min内，观测大于pC的局部放电脉冲不超过29个，在最后10min内大于pC的局部放电脉冲不超过10个。经过直流耐压测试，非自恢复绝缘上未出现破坏性放电。局部放电试验结果见表6，在最后29min内出现16次大于pC的局部放电脉冲，在最后10min内出现4次大于pC的局部放电脉冲，均满足局部放电要求。表6局部放电试验结果4结论采用有限元计算方法，对快速断路器不同的均压结构及参数进行电场分布对比分析，得到不同结构、不同尺寸及安装距下的最大电场强度，具体结论如下：1）快速断路器产生电场集中现象的部位主要是操动机构箱的边角处，通过加装优化后的管母型均压装置可将最大电场强度从4.45kV/mm降低到2.3kV/mm以下，比相同管径下安装半圆型均压装置的最大电场强度3.05kV/mm降低约24.6%。2）通过对不同结构参数的均压装置进行对比仿真发现，两种结构下的最大电场强度都会随管径和安装距的增加而减小，达到一定值后，继续增加管径和安装距，最大电场强度不再明显减小。3）通过对比不同结构参数下的最大电场强度，得出快速断路器均压装置的优化配置方案：选用管母型均压装置，管径为40mm，安装距为20mm，最大电场强度为2.21kV/mm，满足许用场强2.3kV/mm的要求，并通过试验得到了验证。

本工作成果发表在年第9期《电气技术》，论文标题为“kV快速断路器均压系统优化研究”，作者为王智勇、韩玉辉等。

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