基于Ansys静电场的含并联电容的超高压断路器电场分析及设计

段崇福

(山东泰开电力建设工程有限公司，山东泰安 271000)

随着国家电力建设的发展，550kV输变电线路将逐渐取代252kV输电网而成为主干网，另外为保障电力系统各大电网的供电可靠性，国网公司将加大各大电网进行联网，联网电压为550kV.这些因素促进了550kV断路器的发展［1－2］.

目前，由于技术的限制及电力系统为了运行的可靠性，550kV断路器多采用双断口串联结构，该技术目前比较成熟，短路开断电流可以达63kA.但采用双断口结构时，由于断口间电容及断口对地电容的影响，导致两个断口的电压分布极不均匀，严重影响了断路器的使用性能，因此，为了均压及改善开断性能，在双断口串联结构中，每个断口间并联电容。当前，断口间并联电容的选择多采用国产的多只电容串联，然后再并联的结构.此结构在断路器的型式试验及运行中，表现性能优良.但是，并联电容与断口及屏蔽罩相对位置，以及断口间考虑并联电容时如何计算分析电场，却少有文章论述.另外，当前静电场的分析软件有很多，考虑到电容器的特殊结构，在本文中采用了Ansys中的静电场模块，其中考虑电容器的电极结构时，采用了节点电压耦合的命令，对含并联电容的断路器进行了静电场分析.

1 并联电容的结构及等效电路图

图1 断口并联电容的结构示意图

断口并联电容的结构见图1，从图1中可以看出，并联电容固定在断路器断口的两侧，在屏蔽罩的内部，图1中仅是一个断口的结构图，双断口时，在该断口的一侧再串联一个断口.双断口串联时的等效电路图见图2.

从图2等效电路图可以得出，整个回路的电容C为:

则两断口上的电压分布U1和U2分别为:

对于结构固定550kV断路器，通过计算分析可得对地电容约为:

断口间的电容通过实测可得:

根据参考文献［3］及高压开关的研发设计经验，并联电容一般约取:

根据式(2)和(3)计算可分析，当开关断口不并联电容时U1和U2分别为:

图2 带并联电容的双断口串联等效电路图

当开关断口并联电容时，则

由此可见，当开关采用双断口时，必须并联电容，否则，两个断口的电压差可能很大，导致断口绝缘出现问题。

2 含并联电容的超高压断路器电场分析

图1所示的模型中，断路器的每个断口约有8组电容器，均匀分布在断口的截面上，准确的说，计算含电容器的断口间电场分布时，应该为三维模型，为了简化计算，对模型进行处理，近似认为是二维分布，由于电容器的两个极为金属电极，因此，在用Ansys中的静电场有限元法［4－5］进行计算分析时，对金属电极的所有节点电压进行了电位耦合.通过以上处理后，在利用Ansys进行电场计算时，对模型进行统一剖分，不用再单独处理金属电极，Ansys能够自动计算分析每个电容器的电位.对图1中的模型进行分析，图1中电容器组离屏蔽罩的垂直距离为25mm，其电场强度分布见图3.

图3 含并联电容的断口间电场强度分布图

从图3中可以看出，模型中最大的电场强度为17.726kV/mm，而且发生在屏蔽罩的外面，根据参考经验值，SF6表计气压为0.5MPa时，许用场强为29kV/mm［3］，可知，此时断路器的结构设计是合理的.

3 电容器不同位置时的电场计算分析和比较

断路器的灭弧室在安装电容器和屏蔽罩时，由于制造公差，以及人为因素，导致与设计尺寸可能有较大的偏差，下面的算例中，主要围绕电容器离屏蔽罩的垂直距离进行分析，为了效果更加明显，将图1模型中的电容器组向屏蔽罩移近20mm，电容器离屏蔽罩的距离约为5mm，其电场分布见图4.

从图4中，可以看出，电容器组离屏蔽罩太近时，屏蔽罩内缘的电场分布发生畸变，最大场强达到31.9kV/mm.为了进一步分析，图5中绘出了每只电容器的电位值，从图中可以看出，电容器组中每只电容器的电压降除两端稍低外，中间压降基本相同，这主要是由于电容器的极与屏蔽罩之间形成的容性电流造成的.

图4

图5

通过图5分析可知，由于电容器的每只压降比较大，而屏蔽罩为了能有效的屏蔽动静触头，大约3只电容器在屏蔽罩内，通过图1也能够看出.当电容器组接近屏蔽罩时，由于每只电容的压降，实际在第三只电容的极与屏蔽罩之间已经有很大的压差，因此，当距离较近时，二者之间的电场分布将极不均匀.当断口间使用均压电容器时，应该注意此点.为了验证计算分析的正确性，我公司对此进行了试验.

4 试验验证

试验分两个方案进行.

第一方案，是装有电容器的绝缘管正确按图1模型所示进行安装，断路器的一端接地，一端接高压，试验冲击电压为1675kV，正负极性各15次，工频耐压为1分钟740kV.

该电容器安装方式下，通过了所有的试验，试验结果非常好，没有发生任何问题.

第二方案，是装有电容器的绝缘管向屏蔽罩方向移动，基本接近屏蔽罩进行安装，试验方案同方案一.

该方案下，仅3次冲击就发生了断口间击穿现象，击穿的绝缘管照片见图6，击穿的电容器见图7.

图6 击穿的绝缘管照片

图7 击穿的电容器照片

通过以上试验验证及理论计算分析，可以得到，断口间并联电容器的安装位置至关重要，否则，很可能会导致电容器击穿，发生绝缘失败问题.

5 结论

通过计算分析，论述了550kV断路器采用双断口串联的灭弧室时，断口间需并联电容器组，该并联电容器组能够有效的完成断口间的均压.

但是，断口间并联的电容组的安装位置至关重要，通过计算分析和试验验证，证实了电容器组安装时，应该充分考虑到离金属屏蔽罩的距离，否则，很可能会造成电容器对屏蔽罩的击穿，最终导致断口间绝缘失败.

［1］中国电器工业协会高压开关分会.我国高压开关行业发展综述［J］.电器工业，2009，(2):6－11.

［2］吴怀权.高压开关行业共性技术发展综述［J］.电器工业，2009，(7):34－38.

［3］黎斌.SF6高压电器［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［4］孔明礼，胡仁喜，崔海蓉.Ansys 10.0电磁学有限元分析实例指导教程［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［5］盛剑霓.工程电磁场数值分析［M］.西安:西安交通大学出版社，1991.