基于数值分析的铁路真空断路器灭弧室的优化设计

谭晓军，谭晓东，董华军，翟铁久

(1.黑龙江龙凤山大气本底污染监测站，黑龙江 五常 150209;2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028;3.北京铁路局机务处，北京 100860)

0 引言

近些年来，随着真空灭弧室的发展，促进了断路器的设计与工艺的发展.过去，灭弧室一般都处于空气绝缘的环境中，为了满足外绝缘距离与爬距的要求，灭弧室的瓷壳长度无法做的很小，有时还需要在瓷壳上加上伞裙.现在，由于绝缘介质的发展，例如环氧固封技术或其他绝缘介质的出现，真空灭弧室处在某种绝缘介质中，灭弧室的外绝缘距离与外爬距就不需要采用加长灭弧室瓷壳的方法来解决，灭弧室的瓷壳长度就可以做的很小，此时，决定灭弧室瓷壳长度的主要因素为灭弧室内部的绝缘和灭弧室内部的结构［1-3］.例如，40.5 kV级隔离负荷开关用真空灭弧室瓷壳的长度只有180mm，与12 kV级真空灭弧室瓷壳的长度相差不大.瓷壳长度的减小，大大地降低了灭弧室的成本，也缩小了灭弧室与开关的体积.然而，灭弧室瓷壳缩小的同时，灭弧室内部的空间也相应地缩小了，对灭弧室内部的绝缘要求也提高了，如果，仍然采用经验设计其内部的结构，每一种结构只有通过样管的试制、试验才能得到验证，为了在几种方案中进行选择，必须对每一种方案都进行样管的比较，才能获得较好的结果.更有甚者，即使样管的绝缘试验通过了，由于灭弧室内部某一区域的局部电场的集中，对绝缘材料例如瓷壳也会发生绝缘的劣化，短期的绝缘耐压水平没问题，但在长期的运行过程中，就会发生绝缘击穿现象.在进行灭弧室的设计时，对灭弧室内部的电场进行数值分析、计算，就可对多种结构进行比较与优化，选择出一种或者两种以上的方案进行试制，避免设计中的盲目性，即提高了灭弧室的性能，又节约了时间，降低了设计成本，同时可以降低因灭弧室内部局部电场的集中而造成绝缘老化问题，大大提高了灭弧室的工作可靠性［4-8］.

1 真空灭弧室的电场计算及其优化设计

通过对真空灭弧室内部电场的计算，可对灭弧室动、静触头，屏蔽罩以及均压罩的结构、形状、大小进行优化设计，可以大大提高灭弧室的绝缘特性.通过对真空灭弧室内部磁场的计算，可以对灭弧室的动、静触头的形状，结构进行优化，提高灭弧室的开断能力［9-13］.

1.1 真空灭弧室的电场计算

本文采用有限元法对真空灭弧室进行静态电场计算.灭弧室选用额定电压为12 kV，额定电流1 250 A，额定短路开断电流为31.5 kV，其结构如图1所示.

图1 瓷壳凸台位于灭弧室的动端结构简图

该灭弧室用于充有SF6气体的箱体内，因此，灭弧室的瓷壳长度较置于空气中的灭弧室短约30%.由于它的瓷壳短，降低了生产成本，而且安装长度小，使得断路器整体体积减小.

该灭弧室内部电场分布见图2，灭弧室的开距为8mm，动静触头之间的电压为42 kV(工频有效值).从电场分布图中可以得到，在灭弧室的动静触头之间，最大的电场强度位于静触头的边缘，其值为E1max=6.65 kV/mm，而在固定中间屏蔽筒的瓷壳的台阶与卡圈之间的电场强度为 E2max=8.98 kV/mm.

图2 真空灭弧室内部电场分布示意图

图3 瓷壳台阶处的局部放大电场分布图谱

图3为瓷壳台阶处的电场分布局部放大图谱，图中可见，在卡圈与瓷壳的缝隙里，电场强度达到E2max=8.98 kV/mm，为全范围内的最大值.灭弧室长期运行于带电状态中，强电场对瓷壳产生长期而强烈的冲击，会导致瓷壳的绝缘水平下降，最终被击穿.

1.2 真空灭弧室结构的改进与其优化方案

真空灭弧室中的卡圈为不锈钢材料，与真空灭弧室的瓷壳之间有一个小真空间隙，通过1.1的分析得知此间隙的电场强度非常大，是导致绝缘水平下降的主要原因.要长期保证绝缘水平就要降低此狭缝的电场强度，一下通过对灭弧室结构的改进及对电场的分析优化了灭弧室.

(1)等电位处理:首先将瓷壳凸台的表面进行金属化，使得瓷壳的凸台与屏蔽筒的电位相等.通过计算得知瓷壳处的最大电场强度为E2max=1.55 kV/mm，触头与触头之间的最大电场强度位于静触头的边缘部位，其值为E1max=6.63 kV/mm.图4为瓷壳凸台等单位处理后的局部放大电场分布图谱.由原来的E2max=8.98 kV/mm减小到E2max=1.55 kV/mm，对比可见，将瓷壳的凸台表面金属化后，瓷壳与卡圈之间的狭缝之间的电场强度降到了原来的17.3%，可以大幅度地避免灭弧室在长期的运行中被电场击穿情况的发生.

图4 瓷壳凸台的表面金属化后瓷壳处局部放大电场分布图谱

(2)结构优化:瓷壳凸台是影响电场分布与强度的主要部件，原设计为瓷壳凸台处于灭弧室的静端，通过分析将瓷壳凸台设置在灭弧室的动端，通过计算电场分布得知，在灭弧室的动静触头之间，最大的电场强度位于动触头的边缘，其值为E1max=6.78 kV/mm，而在固定中间屏蔽筒的瓷壳的台阶与卡圈之间的电场强度为E2max=4.72 kV/mm.显而易见将固定中间屏蔽筒的瓷壳台阶移到灭弧室动端后，使得瓷壳台台阶处的电场明显降低，灭弧室动静触头之间的电场有所增加，但增加值不明显.如果同样将瓷壳凸台的表面金属化后，瓷壳处的最大电场强度为E2max=2.12 kV/mm，其值为E1max=6.78 kV/mm，触头之间的最大电场强度位于静触头的边缘.综上可以看出，瓷壳处的最大电场强度显著减小，触头之间的电场强度不变.以上两种优化方案供油4种情况列于附表中，所列数据为灭弧室内部触头之间和卡圈缝隙处的电场强度.

附表 四种不同灭弧室结构重点部位电场强度

从附表可以看出，瓷壳台阶处放在静端且进行了金属化后，无论是触头之间的电场强度还是卡圈狭缝处的电场强度都是最小的，因此可以认为是优选的方案.但是，要将瓷壳台阶处进行金属化处理需要增加一道工续，且增加成本，退而求其次也可以采用将瓷壳台阶移到动端的方案.

2 结论

本文采用有限元分析的方法，对铁路真空开关灭弧室进行了电场分布计算，并对灭弧室进行了优化设计，其结论如下:

(1)将瓷壳凸台的表面进行金属化，使得瓷壳的凸台与屏蔽筒的电位相等，改进固定中间屏蔽筒的瓷壳的台阶与卡圈之间的结构，使卡圈与瓷壳之间的狭缝中的电场强度大大降低了;

(2)通过改变瓷壳凸台在灭弧室中的位置，也可明显减低瓷壳台阶处的电场强度;

(3)改进后的断路器(真空灭弧室)用于多条电气化铁路中，经三年多的应用，安全可靠、故障率低，表明设计是合理的.

［1］廖敏夫，段雄英，邹积岩.双断口真空开关的动态介质恢复特性分析［J］.真空科学与技术学报，2007，27(3):190-194.

［2］邹积岩，董华军，丛吉远，等.真空开关电弧电子温度诊断的实验研究［J］.真空科学与技术学报，2008，28(6):531-534.

［3］董华军.真空开关电弧形态研究及其等离子体参数诊断［D］.大连:大连理工大学，2009.

［4］丁富华，段雄英，邹积岩.基于同步真空断路器的智能无功补偿装置［J］.中国电机工程学报，2005，25(6):30-35.

［5］刘晓明，石玉侠，黄丹宇.基于多变量优化的真空灭弧室绝缘设计［J］.沈阳工业大学学报，2006，28(3):265-268.

［7］王季梅，吴维忠，魏一钧.真空开关［M］.北京:机械工业出版社，1983.

［8］马西奎.电磁场理论及应用［M］.西安:西安交通大学出版社，2000.

［9］金建铭，王建国.电磁场有限元方法［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1998.

［10］刘明光，高世勤.真空断路器触头温度在线监测系统研究［J］.铁道学报，2002，24(1):26-31.

［11］何俊佳，邹积岩.火花老练对真空灭弧室绝缘迁都的影响［J］.电工技术学报，1997，12(3):33-36..

［12］WATANABE K，KANEKO E，YANABU S.Technological progress of axial magnetic field vacuum interrupter［J］.IEEE transations on plasma science，1997，25(4):609-616.

［13］YANABU S，KANEKO E.Research and development of axial magnetic field electrode and its application［C］.Proceedings of 18th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，Eindhoven，Netherlands，1998:1-8.