基于ANSYS的一种隔离开关电场仿真分析方法

郭川 赵梦坡 郭海涛 邱正新 郭庆迪 鞠升辉 徐磊

摘要：隔离开关的电场仿真对于校核和优化开关结构、控制隔离开关的电晕损耗、缩短产品的研发周期具有重要的指导意义。但由于隔离开关在电场仿真时边界条件复杂，很难准确确定空气域外边界零电位点位置，加之仿真计算对实际模型的简化及与实际模型的不一致性，计算模型与客观事实可能存在较大差别，致使数值计算的实际指导意义十分有限。通过采用隔离开关新、旧结构电场仿真的比较分析方法，可有效地解决所述问题，使隔离开关电场仿真更具实际意义。

关键词：隔离开关;电场仿真;ANSYS;比较分析

中图分类号：TM02          文献标识码：A

隔离开关作为传统高压开关产品，其性能可靠程度直接影响着电网安全。目前，电场仿真已成为隔离开关产品设计必不可少的环节，具有重要的工程实用价值。

在电场仿真中，一般认为最大场强不超过空气的临界击穿场强3 kV/mm，即可断定产品满足绝缘设计要求，具有一定的盲从性，对产品设计的实际指导意义十分有限。因为在实际中隔离开关边界条件复杂，我们难以准确确定空气域外边界零电位点位置，并且仿真时对实际模型进行简化，都会使计算模型与客观事实存在较大差别，导致计算结果不准确。

针对上述情况，若是利用同一种方法，以尽量相同的剖分单元大小和网格分布，计算两个实际结构模型，一个模型是已经运行的设备，并经过试验证实其恰好工作在既不起晕、又不过于保守的状态;而另一个模型是新结构。如果新模型的最大场强计算结果不大于已有模型的结果，则通过这种结果的相对值便可以基本肯定新结构满足设计要求。这就真正体现了数值计算的作用。

本文以基于ANSYS的252 kV高压交流隔离开关电场仿真为例，以GW27-252型隔离开关新、旧结构计算场强比较的方法，对新结构进行优化，以验证新结构的合理性[1]。

1 仿真模型的建立

1.1 材料属性定义

隔离开关本体外空气域、本体导体和瓷瓶的相对介电常数分别为1，10 000和5。

1.2 计算模型

本文选用SOLID123单元，采用ANSYS APDL语言建模，根据实际仿真经验，对隔离开关原有几何结构进行适当合理的简化，采用1级SmartSize剖分，以保证求解的精度[2]。同时为控制空气域内单元数量，以提高计算速度，在隔离开关模型外建立大、小空气域外边界。GW27-252型隔离开关新、旧结构的ANSYS模型图如图1所示。

1.3 边界条件

GW27-252型隔离开关绝缘能力主要体现在其工频耐受电压能力，根据标准《GB 1985—2014高压交流隔离开关和接地开关》，在其分闸、合闸两种状态下的工况如表1所示。

2 电场仿真计算结果比较分析

2.1 合闸计算结果比较分析

图2为GW27-252旧结构（此结构已在电网安全运行，下文不再赘述）合闸状态下的电场计算结果，最大场强分布在地刀动触头的尖端处，其值为2.86 kV/mm。图3为GW27-252新结构合闸状态下的电场计算结果，最大场强分布在地刀动触头和引弧棒的尖端处，其值分别为3.16 kV/mm和2.87 kV/mm。可知，新結构的地刀动触头的最大场强较旧结构大，可能会起晕，不满足绝缘设计要求。考虑对新结构进行局部优化改进，在其地刀动触头的上方加一屏蔽罩，并根据实际需要，适当减小引弧棒长度，查看效果[3]。

图4为GW27-252新结构优化后合闸状态下的电场计算结果，最大场强仍分布在地刀动触头上方屏蔽罩边缘和引弧棒的尖端处，其值分别为2.47 kV/mm和2.13 kV/mm。可以发现，优化后结构电场分布状况已有较大改善，小于旧结构的最大场强，满足绝缘设计要求。

2.2 分闸计算结果比较分析

图5为GW27-252旧结构分闸状态下的电场计算结果，最大场强分布在引弧板的端部和地刀动触头的尖端处，其值分别为3.79 kV/mm和3.21 kV/mm。图6为GW27-252优化后新结构分闸状态下的电场计算结果，最大场强分布在引弧棒和地刀动触头的尖端处，其值分别为2.67 kV/mm和2.76 kV/mm。可知，新结构在分闸状态下的最大场强较旧结构小，不会起晕，满足绝缘设计要求[4]。

3 结论

本文基于ANSYS的隔离开关新、旧结构仿真结果的相对值比较分析，保证了仿真分析结果的准确性，通过优化使隔离开关的新结构满足产品设计要求，充分体现了数值计算的作用，具有重要的实际指导意义。

参考文献

[1] 王巧红，王占杰，孙玉洲，等.基于Ansys的1120 kV直流隔离开关的电场仿真[J].高压电器，2017，60（6）：42-47.

[2] 田冀焕，周远翔，郭绍伟，等.直流换流站阀厅内三维电场的分布式并行计算[J].高电压技术，2010，36（5）：1205-1210.

[3] 龚曙光.ANSYS参数化编程与命令手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 田冀焕，沙彦超，周远翔，等.800 kV等级高压隔离开关的交、直流电场仿真计算[J].高电压技术，2011，37（5）：1216-1223.