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并联电容器组对高压SF6断路器内部电场散布的影响

摘要:采用模仿电荷法对高压SF6断路器断口左近复杂三维场域停止了电场计算,得到了不同截面等电位线的散布状况及电场散布图。计算结果标明,在整个场域中,屏蔽罩和并联电容器组起到了很好的平均电场的作用;场强较大值呈现在静触头小罩形体顶角处。


关键词:SF6断路器 电场 数值剖析

 1 引言  在高压电器设备的绝缘设计和剖析中,数值计算曾经成为不可短少的重要环节,绝缘设计剖析的大局部工作是以电场数值计算为根底而停止的。电场数值计算关于剖析高压SF6断路器灭弧室内部的绝缘情况、对各局部构造参数停止优化设计进而改善断路器的介质恢复特性有着重要意义。模仿电荷法以其办法烦琐、适用性强等特性而被普遍应用于电场计算。基于此,本文应用模仿电荷法对高压SF6断路器内的三维电场停止了数值计算。计算构造如图1、图2所示,其计算场域是一复杂的三维区域。在实践计算中,思索了动触头、静触头、喷口及屏蔽罩的存在,特别是剖析了并联电容器组对其内部电场散布的影响,得到了有无并联电容器组时的断路器内部不同截面电场散布图,为与此相关的高压断路器的进一步设计开发提供理论根据和计算工具。


  2 断路器三维计算场域图及边境条件处置

  本文剖析的超高压SF6断路器,在动、静触头旁有并联电阻,为了能改善触头左近的电场散布,除在动、静触头两侧分别装设大、小屏蔽罩外,在触头两旁还装设并联电容安装。因而,这种电场剖析不能采用传统的以为是一个轴对称场计算问题的剖析办法,而应该是一个真正的三维电场的计算问题。

  由于计算构造的对称性,图3所示为断路器断口左近实践计算场域的1/4局部。在电场计算中取静触头及衔接件为高电位,电压为1000V,动触头及金属衔接件为低电位,电位值为0V。

  3 模仿电荷法的计算原理与应用

  模仿电荷法是依据静电场的独一性定理,在电极内部放置若干个假想的离散电荷,使其共同作用的结果满足给定的电极和介质外表的边境条件,则这一组电荷所产生的场即为满足一定精度的实践电场,进而可求得计算场域中各点的场值。在计算中模仿电荷的品种、数目及与电极外表匹配点之间的匹配关系将直接影响到计算量的大小和计算结果的准确度。模仿电荷法以往主要用于对外形比拟简单、规则的形体停止电场的计算剖析。关于计算断路器这样复杂的三维场域,采用模仿电荷法尚未见报导,需求做大量的研讨工作,其模仿电荷的散布规律、不同形体的位置处置、电荷量的大小等等是一个统筹的优化问题。普通的模仿电荷法计算,是在导体内部设置N个模仿电荷,在边境外表取M(M≥N)个匹配点。这些匹配点的电位φ1,φ2,…,φm为电极外表电位。它们是由N个模仿电荷共同作用而产生的,即

  式中 P为系数矩阵;φ为电位矢量;Q为待求模仿电荷矢量。

  依据断路用具体构造,本文采用能较好地反映复杂形体变化的点电荷来模仿实践边境的作用停止电场求解,为便当计算,采用坐标变换技术将部分坐


标转换为全局坐标,点电荷的电位系数和电场系数推导如下:设任一模仿点电荷Qj位于(x0,y0,z0),则空间中任一点(x,y,z)的电位为


  

  由此可得单一模仿点电荷的电位系数为


  从式(4)可得单一模仿点电荷的电场强度系数

4 模仿电荷法的应用
  4.1 前处置

  模仿电荷法的计算精度与模仿电荷和电极外表轮廓点的布置有着亲密的关系,选择适宜的布置计划显得尤为重要。通常,由于轮廓点是在电极外表,所以应首先肯定轮廓点的位置,轮廓点的布置应尽可能逼真地模仿电极的真实外形,然后再按一定方式肯定模仿电荷的位置。在计算区域内,关于较关怀部位和电场变化比拟猛烈处,轮廓点布置应较密些,其它部位可较疏些。依据计算经历,轮廓点也并不是布置得越密越好,关键是要恰当。应留意在同一部件上,轮廓点密度应平均配置,否则在部分会惹起电位系数奉献较大,而且在不世故部位的凸起和凹下处(即电场奇特点处),不宜布置轮廓点。而模仿电荷的布置较轮廓点来说更有自在度,但要选取较好的布置方式需一定的经历和停止优化计算。 

  本文的计算构造,同轴圆柱体有2个端面和1个侧面,关于极间电场来说,端面的影响较大。本文最初在停止端面轮廓点和模仿点配置时,用平均散布在几个同心圆周上的点来表示(见图5(a)),外层表示在端面上取7条半径呈等差数列的同心圆,每个圆上取8个轮廓点,内层为与之相对应的模仿电荷点。由于轮廓点集中于某几条半径上,而其它方向上的轮廓点较少,对电位系数奉献也小,这种缺陷不适合用增大每个圆周上轮廓点的个数来补偿。计算结果标明,这种配置方式不佳。经过大量计算剖析,对端面的模仿,本文最终采用如图5(b)所示的配置方式,在圆内使之呈矩形散布,相应的模仿电荷点也如此布置。


  轮廓点与模仿电荷点互相位置确实定关于电场计算的结果也有较大影响,如图6所示,关于端面来说,模仿电荷点所在面与轮廓点所在面的间距为a,而轮廓点所在面上相邻两点的最大间隔为b,令BS1=a/b。关于侧面来说,模仿电荷距与其对应的轮廓点的间隔为R-r,两层电荷的间距为DD,BS2=(R-r)/DD,需依据实践状况在1.0~1.5之间合理选取BS1和BS2的值。

  4.2 坐标变换

  在模仿电荷法的应用中,为便于求得模仿点、轮廓点及计算点的坐标,本文采用坐标变换处置。

  T为一圆柱体,平面X1 Z1与平面XZ的夹角为α,图7中的恣意一点A在坐标系XYZ和X1Y1Z1下的坐标(X,Y,Z)和(X1,Y1,Z1)有以下关系:

  恣意场点在坐标系XYZ下的坐标(x,y,z)用式(6)即可将在坐标系X1Y1Z1下的点坐标变换到整体坐标系XYZ下。

  5 断路器内三维电场计算结果及剖析

  5.1 有、无并联电容器组时在x=0截面处的电场


  图8(a)、(b)分别为有无并联电容器组作用时x=0截面处的电场散布图。从图8可见,由于并联电容器组的作用使得该区域的电场散布与无并联电容器组时的电场散布明显不同,从整体上改善了电场的平均度。由于断路器采用了同轴圆柱体构造,并且在直径较小或具有尖角的部位,如触头和喷口等处都加上了屏蔽罩,因此使得全场域电场散布比拟平均,在静触头端大罩左近、静触头端小罩左近以及动静触头之间的区域的电场强度值较大。由此可见。高电位静触头一侧电场强度较大,而地电位动触头一侧电场强度较小。

  5.2 Z为1.0、-1.0、0.25和-0.25处的截面电场

  图9(a)(b)分别为动、静触头靠近大罩左近小罩处和断口左近极间的典型截面的电场等位线散布状况。经过对这4个区域的计算结果证明:①在静触头端大罩左近的等位线散布较密,而动触头端大罩左近等位线散布较疏;②由于电容器组的作用,使得所计算区域的电场散布较为平均;③电位线在靠近罐体侧比在靠近静触头侧要疏。

  图10(a)(b)分别为Z=-1.0和Z=-0.25截面的等电场强度散布状况。从图中能够看出,靠近静触头大、小罩左近的电场强度较大,场强较大值集中在静触头小罩左近的形体顶角处。

  6 结论

  (1)本文初次采用模仿电荷法停止SF6高压断路器断口左近复杂三维场域的计算,胜利地求得了断路器内部不同位置的电场散布状况,证明了模仿电荷法关于求解复杂场域的计算是可行的。

  (2)本文采用的三维模仿电荷法计算电场的应用机理具有通用性,能够适用于其它构造的高压断路器灭弧室等三维电场的计算,而且在该办法的施行过程中,一旦选定了一套能真实地反映电极实践状况的模仿电荷和与之相匹配的位于电极外表的轮廓点,肯定模仿电荷的详细量值,不只可便当地求得断路器内电场的散布状况,而且能够定量剖析灭弧室内各构造部件参数对全场域电场散布的影响。

  (3)在整个场域中,屏蔽罩和并联电容器组起到了很好的平均电场的作用。场强较大值位于静触头小罩形体顶角处。

  (4)模仿电荷法在详细施行时,关于不同构造来说,模仿电荷的个数、性质、位置和量值对计算结果的准确度有较大的影响,因而计算需以大量计算调整工作为根底,也需较多的经历和技巧。

参考文献:

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