静电场中边界条件对场强的影响研究

杜道忠， 吴中友， 王智勇， 张广泰， 方太勋

(1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025；2. 南京南瑞继保电气有限公司，南京211100)

0 引 言

柔性直流输电技术是解决新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一，高压直流断路器是其中的关键设备，对柔性直流输电系统的安全可靠运行有着极其重要的作用[1]。由于高压直流断路器的电压较高，需在断路器的每一层上安装屏蔽罩。因此，研究屏蔽罩上场强的分布就显得尤其重要。

随着现代计算机技术的发展，计算机仿真技术也随之飞速发展，力、磁场、电场等皆可以用仿真进行分析和计算，从而得到更加直观的云图和数据[2-3]。在电磁场仿真方面，应用较为普遍的是Ansoft Maxwell，它与众多的仿真软件一样，通过求解方程或者矩阵的形式来仿真计算电磁场。因此，电磁场的分析和计算也可以归结为求微分方程的解[4-7]。对于微分方程，其中的任意常数确定之后，其解就有且只有一个。但偏微分方程，要想其解有且只有一个，其辅助条件可以有两种情况。其中一种就是表达场的边界所处的物理情况，称为边界条件[8-9]。

在本文中，将着重研究在仿真分析过程中，边界设置时，分别设置为默认边界条件和实体边界条件两种情况下，屏蔽罩上场强数值和分布不同之处。从而对后期屏蔽罩结构优化和场地建设提供参考依据。

1 分析前处理

在高压设备中，由于结构复杂，通常会出现尖端等现象，容易造成局部场强较大，因此，通常会在结构的四周或场强较大的地方安装屏蔽罩或均压环。屏蔽罩或均压环的作用主要有两个：一是减少外界环境的电磁波对电路正常工作的干扰，从而提高质量、稳定性及工作寿命；二是降低产品工作时所产生的电磁辐射，从而降低其对人体和环境的伤害和影响。在高压直流断路器中，屏蔽罩或均压环主要将金属梁端部、连接绝缘子的金属部分和某些元器件进行包围屏蔽，控制局放，减小场强。因此，屏蔽罩或均压环在整个高压设备中起着至关重要的作用。若是屏蔽罩或均压环上的场强分布不均或局部场强过大，就会出现局部放电，甚至导致击穿，影响屏蔽罩的使用。因此，对整个设备的电场仿真就可以简化为对屏蔽罩和均压环进行电场仿真。

1.1 模型的导入及材料的定义

535 kV高压直流断路器结构复杂，且电子元件较多，因此，针对535 kV高压直流断路器的屏蔽罩进行电场强度仿真，抽取其中的屏蔽罩作为仿真模型[10]。将简化后的模型导入到Ansoft中，如图1所示，求解器类型选择Electrostatic（静电），材料选择铝。

图1 模型的导入

1.2 激励设置

激励设置的正确与否直接影响到结果的准确性，因此，在设置激励时，一定要清楚整个断路器的电位分布。直流断路器分为5层，每层的电位都不相同，激励加载比较复杂。在此，以直流断路器底层为例，通态阀部分电压分布按最高电位设置，即1175 kV，电压激励施加情况如图2所示，根据具体情况，对各个屏蔽罩施加电压。其余层电压激励与底层类似施加。

图2 底层电压激励

1.3 边界条件

在 利 用Ansoft在进行静电场分析时，边界条件有很多种，具体包括：矢量磁位边界条件、对称边界条件、气球边界条件、主边界条件和从边界条件，此外还有默认的自然边界条件。下面介绍一下自然边界条件。

自然边界条件在设置时，不需要手动输入参数进行定义，软件会在求解的过程中，根据内部的计算方式将边界条件自行设置到外边界。自然边界条件有时也叫纽曼边界条件，可以用来形容两个互相接触的物体，在接触面上，磁场强度H的切向分量和磁感应强度B的法向分量保持连续[11]。

高压直流断路器的工作环境为阀厅，由于阀厅四周墙壁和高度是不变的。因此，实体边界条件就以阀厅的实际尺寸来定义。为了研究不同边界条件对场强分布的影响，本次分析分为两种方案：方案一边界条件设置为默认边界条件；方案二边界条件设置为实体边界条件，即根据阀厅的尺寸，在模型的周围画一个实体的区域模拟阀厅，区域的材料电位设置为0，求解域大小相同。

方案一：设置求解域和边界条件。求解域和边界条件设置如表1所示。方案二：设置实体边界。由于阀厅的四周墙壁和屋顶均与地面等电位，因此，根据试验的实际情况，在模型的周围画一个实体的壳子，模拟实验的阀厅，尺寸设置和方案一的求解域相同，壳子材料为金属，电位设置为0，如图3所示。

表1 求解域和边界条件

2 场强分布分析

由于直流断路器实际是安装在现场阀厅内，根据要求，阀厅的内部环境要求较为严格，一般为恒温恒湿环境。但恒温恒湿的环境中，电晕电荷容易在设备表面积累，造成局部场强较大，出现放电等现象。因此，在进行结构设计时，要考虑到电晕，进行结构优化，使得电晕电荷没有产生的条件。判断是否产生电晕，一般看整个设备上电场强度分布和最大值。因此，对高压直流断路器屏蔽罩的电场强度进行计算可以为设计提供指导，对于直流断路器的安全运行、避免放电等有着非常重要的作用[13-14]。同时，若设备中部分地方电场强度过大，就会导致此处的绝缘材料发生击穿、放电等现象，从而导致整个设备的绝缘出现问题。因此，在进行设备的前期设计时，必须对其进行仿真，避免局部电场强度过大[15-17]。

在高电压设备设计中，增加屏蔽罩是避免电场强度过大的有效方法之一。但若是屏蔽罩上的场强分布不均或局部场强过大，也会出现局部放电，甚至导致击穿，影响屏蔽罩的使用。屏蔽罩上的场强越小越好，分布越均匀越好。本文中，通过上述两种不同的边界条件的设置，观察两种情况下屏蔽罩上的场强分布，以此来判断设置的默认边界条件和实体边界条件对场强分布的影响[18-19]。

通过上面设置的两种方案，分析的结果如图4、图5所示。通过观察分析以上两种方案的场强分布图可以看出，方案一的最大场强为3.32 kV/mm，最大处位于底部均压环部分。方案二的最大场强为5.56 kV/mm，最大场强均位于底部均压环部分。两种情况虽然最大场强不同，但是两种情况最大的场强分布位置基本相同，都出现在底部的均压环上。因此，通过仿真分析的结果可知，设置实体边界条件分析得出的最大场强要比设置默认边界得出的最大场强大很多，但最大场强出现的位置相同。

图3 实体边界

图4 方案一场强分布

图5 方案二场强分布

为观察不同边界条件下场强的分布规律。将两种结果的场强限值调整为3.0 kV/mm，结果如图6和图7所示。从场强云图中可以看出，方案一（默认边界条件）的最大场强在底部一层屏蔽罩和均压环处。方案二（实体边界条件）也是如此。虽然边界条件不同，但不同边界条件下的最大场强出现的位置和场强大小变化规律是基本相同的[20]。

图6 方案一场强分布（0～3.0 kV/mm）

图7 方案二场强分布（0～3.0 kV/mm）

3 结 论

通过上述仿真分析和计算，可以得出以下几点结论：

1）从仿真结果可以看出两种计算方式的计算结果有很大差别，边界条件设置为实体边界条件时，仿真出的场强较大。因此，在进行仿真时，建议边界条件设置为实体边界条件。

2）通过观察两种方案的场强分布，可以得知两种方案的最大场强分布位置和场强大小变化规律基本相同，与边界条件设置没有太大关联。