西安高压电器研究院有限责任公司 赵力楠

　　真空灭弧室是任何真空开关的核心部件， 而不同设计理念的真空开关所使用的真空灭弧室也是不尽相同的[1]。本文中所涉及的固封真空断路器是应用固体绝缘产品设计理念，固体绝缘的强度比空气和SF6都要强许多，其介电常数约为SF6气体的3倍～5倍[2-3]，便于电器设备的小型化。真空灭弧室的内部具有很高的绝缘强度，而制约真空灭弧室小型化的瓶颈之一就是其外部绝缘问题[4]。将真空灭弧室固封在固体绝缘层内能有效的提高真空灭弧室的外部绝缘强度，从而有效地减小真空灭弧室绝缘瓷壳的长度，缩小真空灭弧室的体积，降低真空灭弧室的成本。

　　1 固封极柱中真空灭弧室绝缘瓷壳合理长度优化设计

　　1.1 电场计算机模拟仿真数值计算前的分析

　　以该课题所设计固封极柱作为载体，通过对固封极柱的电场分析，综合考虑经济性和可靠性，得出确定固封极柱内真空灭弧室绝缘瓷壳的长度的有效方法和合理的长度数值[4]。

　　根据工程电磁场理论和绝缘配合理论对固封极柱进行分析如下：

　　（1）真空灭弧室为轴对称结构，固封极柱也基本是轴对称结构，除了上、下导电端子处。这对于固封极柱的电场分析计算是很重要的特点[5]。

　　（2）在对固封极柱进行电场模拟仿真计算之前分析最大场强可能出现的区域是很有必要的，在理论上对数值计算给出合理正确的导向，最大场强应该出现在真空灭弧室触头中间部分和屏蔽罩边缘[6]。

　　（3）因为固封极柱的准轴对称结构，和所分析出的最大电场强度出现的区域，可将三维问题合理的转化为二维问题，进行计算机模拟仿真数值计算[7]。

　　（4）进行计算机模拟仿真计算的策略是：上、下两个端子的距离不变（因为所配合的开关柜的这一规格尺寸一旦确定在工程上是不能随意改变的），仅改变真空灭弧室绝缘瓷壳的长度这一变量，对此变量进行逐一的计算机模拟仿真数值计算。

　　1.2 陶瓷外壳长度的优化方案

　　对固封极柱使用平面设计制图软件AutoCAD进行计算模型的建立，并使用该软件的图形交换模式DXF与有限元分析软件QuickField进行数据通讯，将模型导入有限元计算软件QuickField中进行计算[8]。根据所确定的电场计算的重点和对固封极柱电场分析，建立计算用模型。所建立的固封极柱的真空灭弧室绝缘瓷壳的长度的模型有208mm、19mm。所建立的模型中的极柱都处于分闸状态，触头开距18mm，在下导电端子施加185kV的电压，上端子接地。

　　首先是固封极柱用真空灭弧室绝缘瓷壳长度208mm的方案，对设计方案建立数值计算模型见图1。将所建立模型转化为DXF格式，导入有限元计算软件QuickField中进行计算，得到电场分布情况见图2。

　　真空灭弧室中沿屏蔽罩端部电场分布曲线，见图3；真空灭弧室中沿触头边缘电场分布曲线，见图4；沿固封极柱真空灭弧室绝缘瓷壳外表面电场分布曲线，见图5。

　　从计算的结果以看出，该方案的真空灭弧室内部的最大场强是1.50×10⁷ V/m，沿屏蔽罩端部电场分布的最大场强是 1.29×10^7V/m，沿触头边缘电场分布的场强最大值是1.50×10^7V/m ，绝缘瓷壳的最大场强是5.8×10⁶ V/m。该方案可以满足设计要求的，但是该设计方案并没有发挥出固封极柱中固体绝缘强度高的优势[9]，并不算是最优的方案。

　　基于以上考虑真空灭弧室的陶瓷外壳减小10mm，即提出总瓷壳长度198mm方案。该方案是在原208mm方案的基础上将绝缘瓷壳两边向内缩减5mm，其他参数暂时不改变。建立198mm数值计算模型见图6。

　　将图6模型导入有限元计算软件中，进行电场仿真计算，计算结果见图7。同样，该方案下沿真空灭弧室内屏蔽罩端部电场分布曲线见图8；该方案下沿真空灭弧室触头边缘电场分布曲线见图9；真空灭弧室绝缘瓷壳外表面电场分布曲线见图10。

　　从计算的结果可以看出真空灭弧室绝缘瓷壳长度198mm方案中真空灭弧室中的最大场强是1.50×10⁷ V/m，沿真空灭弧室内屏蔽罩端部电场分布的场强最大值是1.33×10⁷ V/m，真空灭弧室触头边缘电场分布的场强最大值是1.50×10⁷ V/m，而真空灭弧室绝缘瓷壳外表面电场分布的场强最大值是6.2×10⁶ V/m。根据上述两个方案的计算机数值模拟仿真计算的结果可以得到表1。

　　从表1的数据可以看出固封极柱的真空灭弧室的绝缘瓷壳的长度减少10mm后内部电场强度的最大值和触头边缘场强的最大值并没有增加。屏蔽罩端部电场强度的最大值增加了3.1%。真空灭弧室绝缘瓷壳外表面场强的最大值增加了6.9%。真空灭弧室屏蔽罩端部的场强的最大值一定要比触头边缘场强的最大值小，这是因为真空灭弧室的触头之间设计的是有熄灭电弧的能力的，而屏蔽罩是没有熄灭电弧的能力。所以，真空灭弧室触头间的击穿概率一定要大于屏蔽罩边缘的击穿概率， 就是说发生击穿的话，屏蔽罩是不允许发生击穿的。如果在屏蔽罩端部击穿，真空灭弧室系统将会崩溃[10]。

　　208mm方案中真空灭弧室屏蔽罩端部场强的最大值是触头边缘场强最大值的86%。198 mm方案中真空灭弧室屏蔽罩端部场强的最大值是触头边缘场强最大值的88.6%。所以单从真空灭弧室内部电场的角度看都是满足要求的[11]。

　　但是，对于固封极柱而言，198mm更能体现固体绝缘的优势。固封极柱中的真空灭弧室的外层首先包裹了一层硅橡胶缓冲层。设计缓冲层的目的是为了解决由于环氧树脂的冷却收缩系数和真空灭弧室绝缘瓷壳的收缩系数是不同的矛盾。绝缘瓷壳是几乎不会收缩的，而环氧树脂在固化冷却的过程中是肯定会收缩的[12-13]。为防止因环氧树脂收缩而造成的固封极柱的开裂，在固封极柱中增加硅橡胶缓冲层。硅橡胶的临界场强是1.8-2.3×10⁷ V/m，198mm方案中真空灭弧室绝缘瓷壳外表面的场强最大值是6.2×10⁶V/m，远小于硅橡胶的临界场强，且数值低于临界场强一个数量级， 产品设计上留有足够的裕度[14]，从理论计算的角度是可以满足要求的。

　　2 结语

　　应用有限元电场分析方法，以及通过对有限元数值计算与分析方法的使用，对固封极柱中真空灭弧室的绝缘陶瓷外壳的合理长度进行了探讨，并得出了相应的结论。

　　在固封极柱中真空灭弧室的绝缘陶瓷外壳的合理长度的论述中，首先设计了瓷壳长度208mm方案，通过对方案的电场计算，认为是可以满足运行要求的。但是，通过对计算数据的分析和固封极柱设计理念的思考，认为应该还存在更优的方案。于是，就产生了瓷壳长度198mm方案。通过对该方案的数值计算和论证，认为该方案是可行的，并且比原方案更优化。在实际的固封真空断路器实践中使用了绝缘瓷壳长度198mm的真空灭弧室，该优化方案最终形成产品，并实施了高电压试验检测[15-16]，从实践上证明了优化方法的可行性。

　　参考文献

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　　作者简介

　　赵力楠，高级工程师，从事高压开关设计技术研究与产品设计和大容量真空发电机断路器技术研究，产品设计和输变电产品技术经济研究。