并聯(lián)電容器組對(duì)高壓SF6斷路器內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響

1、并聯(lián)電容器組對(duì)高壓SF6斷路器內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響摘要：采用模擬電荷法對(duì)高壓SF6斷路器斷口附近復(fù)雜三維場(chǎng)域進(jìn)展了電場(chǎng)計(jì)算，得到了不同截面等電位線的分布情況及電場(chǎng)分布圖。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，在整個(gè)場(chǎng)域中，屏蔽罩和并聯(lián)電容器組起到了很好的均勻電場(chǎng)的作用；場(chǎng)強(qiáng)較大值出如今靜觸頭小罩形體頂角處。關(guān)鍵詞：SF6斷路器電場(chǎng)數(shù)值分析1引言在高壓電器設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)和分析中，數(shù)值計(jì)算已經(jīng)成為不可缺少的重要環(huán)節(jié)，絕緣設(shè)計(jì)分析的大部分工作是以電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算為根底而進(jìn)展的。電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算對(duì)于分析高壓SF6斷路器滅弧室內(nèi)部的絕緣狀況、對(duì)各部分構(gòu)造參數(shù)進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)而改善斷路器的介質(zhì)恢復(fù)特性有著重要意義。模擬電荷法以其方法簡(jiǎn)便、實(shí)

2、用性強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電場(chǎng)計(jì)算。基于此，本文應(yīng)用模擬電荷法對(duì)高壓SF6斷路器內(nèi)的三維電場(chǎng)進(jìn)展了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算構(gòu)造如圖1、圖2所示，其計(jì)算場(chǎng)域是一復(fù)雜的三維區(qū)域。在實(shí)際計(jì)算中，考慮了動(dòng)觸頭、靜觸頭、噴口及屏蔽罩的存在，尤其是分析了并聯(lián)電容器組對(duì)其內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響，得到了有無(wú)并聯(lián)電容器組時(shí)的斷路器內(nèi)部不同截面電場(chǎng)分布圖，為與此相關(guān)的高壓斷路器的進(jìn)一步設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論根據(jù)和計(jì)算工具。2斷路器三維計(jì)算場(chǎng)域圖及邊界條件處理本文分析的超高壓SF6斷路器，在動(dòng)、靜觸頭旁有并聯(lián)電阻，為了能改善觸頭附近的電場(chǎng)分布，除在動(dòng)、靜觸頭兩側(cè)分別裝設(shè)大、小屏蔽罩外，在觸頭兩旁還裝設(shè)并聯(lián)電容裝置。因此，這種電場(chǎng)分析不

3、能采用傳統(tǒng)的認(rèn)為是一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題的分析方法，而應(yīng)該是一個(gè)真正的三維電場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題。由于計(jì)算構(gòu)造的對(duì)稱(chēng)性，圖3所示為斷路器斷口附近實(shí)際計(jì)算場(chǎng)域的14部分。在電場(chǎng)計(jì)算中取靜觸頭及連接件為高電位，電壓為1000V，動(dòng)觸頭及金屬連接件為低電位，電位值為0V。3模擬電荷法的計(jì)算原理與應(yīng)用模擬電荷法是根據(jù)靜電場(chǎng)的唯一性定理，在電極內(nèi)部放置假設(shè)干個(gè)假想的離散電荷，使其共同作用的結(jié)果滿足給定的電極和介質(zhì)外表的邊界條件，那么這一組電荷所產(chǎn)生的場(chǎng)即為滿足一定精度的實(shí)際電場(chǎng)，進(jìn)而可求得計(jì)算場(chǎng)域中各點(diǎn)的場(chǎng)值。在計(jì)算中模擬電荷的種類(lèi)、數(shù)目及與電極外表匹配點(diǎn)之間的匹配關(guān)系將直接影響到計(jì)算量的大小和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4、模擬電荷法以往主要用于對(duì)形狀比擬簡(jiǎn)單、規(guī)那么的形體進(jìn)展電場(chǎng)的計(jì)算分析。對(duì)于計(jì)算斷路器這樣復(fù)雜的三維場(chǎng)域，采用模擬電荷法尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，需要做大量的研究工作，其模擬電荷的分布規(guī)律、不同形體的位置處理、電荷量的大小等等是一個(gè)統(tǒng)籌的優(yōu)化問(wèn)題。一般的模擬電荷法計(jì)算，是在導(dǎo)體內(nèi)部設(shè)置N個(gè)模擬電荷，在邊界外表取N個(gè)匹配點(diǎn)。這些匹配點(diǎn)的電位1，2，為電極外表電位。它們是由N個(gè)模擬電荷共同作用而產(chǎn)生的，即式中P為系數(shù)矩陣；為電位矢量；Q為待求模擬電荷矢量。根據(jù)斷路器詳細(xì)構(gòu)造，本文采用能較好地反映復(fù)雜形體變化的點(diǎn)電荷來(lái)模擬實(shí)際邊界的作用進(jìn)展電場(chǎng)求解，為方便計(jì)算，采用坐標(biāo)變換技術(shù)將部分坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)，點(diǎn)電荷的電位

5、系數(shù)和電場(chǎng)系數(shù)推導(dǎo)如下：設(shè)任一模擬點(diǎn)電荷Qj位于x0，y0，z0，那么空間中任一點(diǎn)x，y，z的電位為由此可得單一模擬點(diǎn)電荷的電位系數(shù)為從式4可得單一模擬點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度系數(shù)轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.4模擬電荷法的應(yīng)用41前處理模擬電荷法的計(jì)算精度與模擬電荷和電極外表輪廓點(diǎn)的布置有著親密的關(guān)系，選擇適宜的布置方案顯得尤為重要。通常，由于輪廓點(diǎn)是在電極外表，所以應(yīng)首先確定輪廓點(diǎn)的位置，輪廓點(diǎn)的布置應(yīng)盡可能逼真地模擬電極的真實(shí)形狀，然后再按一定方式確定模擬電荷的位置。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，對(duì)于較關(guān)心部位和電場(chǎng)變化比擬劇烈處，輪廓點(diǎn)布置應(yīng)較密些，其它部位可較疏些。根據(jù)計(jì)算經(jīng)歷，輪廓點(diǎn)也并不是布置得越密越好，關(guān)鍵是

6、要適當(dāng)。應(yīng)注意在同一部件上，輪廓點(diǎn)密度應(yīng)均勻配置，否那么在部分會(huì)引起電位系數(shù)奉獻(xiàn)較大，而且在不圓滑部位的凸起和凹下處即電場(chǎng)奇異點(diǎn)處，不宜布置輪廓點(diǎn)。而模擬電荷的布置較輪廓點(diǎn)來(lái)說(shuō)更有自由度，但要選取較好的布置方式需一定的經(jīng)歷和進(jìn)展優(yōu)化計(jì)算。本文的計(jì)算構(gòu)造，同軸圓柱體有2個(gè)端面和1個(gè)側(cè)面，對(duì)于極間電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，端面的影響較大。本文最初在進(jìn)展端面輪廓點(diǎn)和模擬點(diǎn)配置時(shí)，用均勻分布在幾個(gè)同心圓周上的點(diǎn)來(lái)表示見(jiàn)圖5a，外層表示在端面上取7條半徑呈等差數(shù)列的同心圓，每個(gè)圓上取8個(gè)輪廓點(diǎn)，內(nèi)層為與之相對(duì)應(yīng)的模擬電荷點(diǎn)。由于輪廓點(diǎn)集中于某幾條半徑上，而其它方向上的輪廓點(diǎn)較少，對(duì)電位系數(shù)奉獻(xiàn)也小，這種缺陷不適宜用增大

7、每個(gè)圓周上輪廓點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)彌補(bǔ)。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，這種配置方式不佳。通過(guò)大量計(jì)算分析，對(duì)端面的模擬，本文最終采用如圖5b所示的配置方式，在圓內(nèi)使之呈矩形分布，相應(yīng)的模擬電荷點(diǎn)也如此布置。輪廓點(diǎn)與模擬電荷點(diǎn)互相位置確實(shí)定對(duì)于電場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果也有較大影響，如圖6所示，對(duì)于端面來(lái)說(shuō)，模擬電荷點(diǎn)所在面與輪廓點(diǎn)所在面的間距為a，而輪廓點(diǎn)所在面上相鄰兩點(diǎn)的最大間隔 為b，令BS1ab。對(duì)于側(cè)面來(lái)說(shuō)，模擬電荷距與其對(duì)應(yīng)的輪廓點(diǎn)的間隔 為Rr，兩層電荷的間距為DD，BS2RrDD，需根據(jù)實(shí)際情況在1015之間合理選取BS1和BS2的值。42坐標(biāo)變換在模擬電荷法的應(yīng)用中，為便于求得模擬點(diǎn)、輪廓點(diǎn)及計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)，本文采用

8、坐標(biāo)變換處理。T為一圓柱體，平面X1Z1與平面XZ的夾角為，圖7中的任意一點(diǎn)A在坐標(biāo)系XYZ和X1Y1Z1下的坐標(biāo)X，Y，Z和X1，Y1，Z1有以下關(guān)系：任意場(chǎng)點(diǎn)在坐標(biāo)系XYZ下的坐標(biāo)x，y，z用式6即可將在坐標(biāo)系X1Y1Z1下的點(diǎn)坐標(biāo)變換到整體坐標(biāo)系XYZ下。5斷路器內(nèi)三維電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析51有、無(wú)并聯(lián)電容器組時(shí)在x0截面處的電場(chǎng)圖8a、b分別為有無(wú)并聯(lián)電容器組作用時(shí)x0截面處的電場(chǎng)分布圖。從圖8可見(jiàn)，由于并聯(lián)電容器組的作用使得該區(qū)域的電場(chǎng)分布與無(wú)并聯(lián)電容器組時(shí)的電場(chǎng)分布明顯不同，從整體上改善了電場(chǎng)的均勻度。因?yàn)閿嗦菲鞑捎昧送S圓柱體構(gòu)造，并且在直徑較小或具有尖角的部位，如觸頭和噴口等處都

9、加上了屏蔽罩，因此使得全場(chǎng)域電場(chǎng)分布比擬均勻，在靜觸頭端大罩附近、靜觸頭端小罩附近以及動(dòng)靜觸頭之間的區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度值較大。由此可見(jiàn)。高電位靜觸頭一側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度較大，而地電位動(dòng)觸頭一側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度較校52Z為10、10、025和025處的截面電場(chǎng)圖9ab分別為動(dòng)、靜觸頭靠近大罩附近小罩處和斷口附近極間的典型截面的電場(chǎng)等位線分布情況。通過(guò)對(duì)這4個(gè)區(qū)域的計(jì)算結(jié)果證實(shí)：在靜觸頭端大罩附近的等位線分布較密，而動(dòng)觸頭端大罩附近等位線分布較疏；由于電容器組的作用，使得所計(jì)算區(qū)域的電場(chǎng)分布較為均勻；電位線在靠近罐體側(cè)比在靠近靜觸頭側(cè)要疏。圖10ab分別為Z10和Z025截面的等電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。從圖中可以看出，靠近

10、靜觸頭大、小罩附近的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，場(chǎng)強(qiáng)較大值集中在靜觸頭小罩附近的形體頂角處。6結(jié)論1本文首次采用模擬電荷法進(jìn)展SF6高壓斷路器斷口附近復(fù)雜三維場(chǎng)域的計(jì)算，成功地求得了斷路器內(nèi)部不同位置的電場(chǎng)分布情況，證明了模擬電荷法對(duì)于求解復(fù)雜場(chǎng)域的計(jì)算是可行的。2本文采用的三維模擬電荷法計(jì)算電場(chǎng)的應(yīng)用機(jī)理具有通用性，可以適用于其它構(gòu)造的高壓斷路器滅弧室等三維電場(chǎng)的計(jì)算，而且在該方法的施行過(guò)程中，一旦選定了一套能真實(shí)地反映電極實(shí)際情況的模擬電荷和與之相匹配的位于電極外表的輪廓點(diǎn)，確定模擬電荷的詳細(xì)量值，不僅可方便地求得斷路器內(nèi)電場(chǎng)的分布情況，而且可以定量分析滅弧室內(nèi)各構(gòu)造部件參數(shù)對(duì)全場(chǎng)域電場(chǎng)分布的影響。3在整個(gè)場(chǎng)域中，屏蔽罩和并聯(lián)電容器組起到了很好的均勻電場(chǎng)的作用。場(chǎng)強(qiáng)較大值位于靜觸頭小罩形體頂角