（电机与电器专业论文）高压SFlt6gt断路器灭弧室绝缘分析及优化设计研究.pdf

高压s 两断路嚣灭弧塞绝缘分析及优化设计研究 s t u d y 锄t h c i i l v e 髓p m b l 锄o f 舭e l a 硎c f i c l d f o rh i g t l v o l t a g c s f 6 a r q 1 眦蛐【l gc h a m b 盱 俄铀i 珊o f t b e 嘣删瞄d 刚0 p m 咖o f 出硎c 脚s y 蜘，a n d t b 缸勰b s i 鸭0 f t h es y 咖c 嗍恤l e q l l i l i 鼬咖o ft h e 鼬o f 恤场g hw l 姆c k a 岫瓶i s j 玎邛啊n g u s i l l g 伽帕p t i 把r 协c 山c u l 锄eo f 锄脚y z ce l 酬c 最e l do fc i 枷t - h 髓h bi 吼o l l l y 啪s h o 衄t h ep e l i o d i c 缅e o f 也e 捌弘o f t h e 即黼衄袖聊l h ep l i o f 蜮b i n a l s o 啪懒ag o o d 咖删o fd e s 啦蚰d 姗l 叩断t h e 嗍”酬o i ls o 栅t o 雠也e 鲥胁m c 。d 伽瞄脚协c h n 椰柠腑d 辩蛔嘶哪科掘雌m e t b o d s 幻删瑚【l c l l l 越e 础触 矗e l d o f c i 咖i t h 积k e f 砌b e o o f l h e 蛳畦i 埘唧m n t t a 曼l s o f he a ：l 时s t u d 弘 t h ee l e 曲曲f i e l dd i 蚰曲m i ht h e 甜c q i 埔n 曲i n g 曲l 如| b 盯o f k 曲v c 峥秘强d r 吼血 呐蛔h a sb 嘲酬啦t h e 僦协e l a 删蛳t b 以me i 鼬矗枷o f 妇 蛔把n t 掣i 贯i nd i 矗白哪o i n 孟n g 髓l d h b sb e e na l l c 砌王鼬e da n d 妇m 町【j | 姗硝t h ee k 咖c 矗c l d 毗陀n g l l ih a sb nf o u n d t h ee l t r i cd i 蛐曲t i t i i nt h ea r c - q w 删魁n gc b a m 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布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 主i塑f导师签名：赳日期：型z 型苎 1 绪论 1 。1 高压断路器国内外发展现状 1 “】雷外发展现状 世界各国累计。l 蚺5 年的发电装机容量为3 0 o 亿k 戳1 9 9 8 年为3 2 。5 亿k w ，2 o 年为；2 9 弘； 6 亿k w 。从1 9 9 5 年2 0 2 0 年闻，世界能源消耗将增加5 缸电力漕 耗将翻一番，达狲o 亿娜全世界人均年甩电量为2 如0 娴i ，h 。世界人均年用电量最i 高者为挪威，2 1 年挪威人均用电量约为2 4 9 6 0 k w h 整个欧洲人均用电量相当高，为 6 5 k w h 从世界人均年用电量看，世界上一些周家捧序依次为瑞典1 5 5 知k w h 芬兰 1 5 2 2 0 k w h 。美国1 2 2 2 0 k w h 比利时7 3 2 0 k w h ，法国6 9 7 0 k w h 。奥地利醯2 0 k w h ，荷， 兰6 4 8 0 k w h 丹麦6 1 9 0 l c w h 德国6 1 6 0 k w h ，荚国5 ，7 3 0 k w h ，西班牙5 1 6 0 m ，意大。 利4 9 5 0 蜘哺，葡萄牙柏知姻哺，日本7 6 9 0 k w h i n 。 全球输配电设备市场容量为4 1 4 8 5 亿美元( 1 9 9 4 年数据) 。其中开关设备销售额为。 l 吆3 l 亿美元占输配电设备市场容量的1 ，4 弱另据资料介绍，1 9 9 7 年欧洲高中压开 关市场估计为3 3 跖亿美元，其中中压开关设备约占5 1 2 ，高压开关设备占耜8 1 9 9 7 ，2 4 年同，年增长率为2 1 。2 0 0 4 年高中压开关市场容量达到3 9 2 8 亿美元， 其串中压销售额将占5 5 高压销售额占4 s 世界上高压开关的生产主要集中在欧洲几大公司( a b b 、a l s 幻m 、蚓d 盯等) 和 日本几大公司一( 日立。三菱和东芝等) ，它们豹产品基本代表了世界水平。这些巨型大 公司都是托拉斯，产品门类多，涉及领域广泛一些国外企业在输配电市场的占有率为： a 聃占2 8 a l 轴呲公司占1 3 ，s j a 嘲公司占1 2 s c h i e i d 盯公司占8 。其他占 4 1 这些代表国外先进水平的产品。具有产品更新换代快：加大研发费用的投入；建 立强大的试验研究基地等特点。国外产品更新换代快产品一般5 年内更换5 0 6 0 a b b 公司研究成果在其产品中占有相当大的份额。在过去的5 年中，研究成果在输配 电领域约占5 0 ，新成果和新产品在5 年产品中占5 0 西门子公司也注重产品更新换 代，新产品在5 年中占6 0 国外企业研究费用占销售额相当大的比例，以确保研究工、 作啻q 顺利开展据英国贸易与工业部发布酌第8 年度研究与开发( 呦) 投资报告，1 9 卵 高压s f 6 断路器灭弧室绝缘分析及优化设计研究 年1 【l = 界上3 家最大企业的鼢d 投资额达2 l 亿美元。其中西门予排行第3 投资额 4 5 9 亿美元占销售额7 磅，日立公司待行第5 ，投资额3 9 2 亿美元，占销售额5 9 。 a b b 公司排行1 5 ，投资额2 6 9 亿美元，占销售额8 5 ，东芝公司排行第1 7 ，投资额 2 5 8 亿美元，占销售额6 1 ，三菱公司捧行第7 l 。投资额9 3 亿美元，占锖售额3 8 ， 旌酣德电气公司择行第l 强；投资额4 4 ，亿美元，占销售额4 2 阿；可见，国外大公司 注重科研工律，加大科研投入，加快产品更新换代。高噩强电流试验对高压开哭盼开发 举t 为重要为了能够加快产褥开发一，各大公司都在加强和扩大它的强电流试验基地 1 1 2 国内发展现状 近年来，我国电力工业的持续高速发展，带动了电网建设，在电压等级方面。最高 工作电压已经发展到7 6 5 k v 级以上。而且1 5 0 m 【v 级超高压电器设备的样机也莅研制申 在电流等级方面，最高工作电流达到数万安培以上高压电器的发展与输配电网的发展 有着密切联系目前。2 3 万k w 的发电站已经出现，l o 1 2 0 0 万k w 大容量 发电站是必然韵发展趋势，如，长江三蛱水利工程及西南水利工程等 电力t 业的持续高速发展为高压开关制造q k 提供了极好的发展机遇。我国高压开关 制造业呈现出快速发展的势头，已形成相当大的规模。我国对s f 6 断路器的研究始于回 年代，8 0 年代以后。国内各大开关牛产厂家先后从法国m g 公司、瑞士a b b 公司和日 本的日立、三菱等公司引进了s f 6 系列高压断路嚣。罾乡卜s f 6 断路器最初占的比例很高 1 9 8 8 年底，在我国电力系统使用的5 0 0 k v s f 6 断路器中，国外 硬备占8 3 ；3 3 0 k v 级， 国外设备占矗g ；2 2 傩| v 级，国外设备占7 4 ；1 1 0 k v 级，国外设备占9 7 3 圜据高 压开关行业协会2 0 0 4 年对3 0 2 个企业的统计，2 3 年高压开关行业总产值约枷亿元， 同比2 3 年增长5 2 1 1 。年产值1 0 亿元以上企业有5 家。亿元以上企业有2 5 家。美 国高压开关的市场容量大发展前景广阔特别是5 5 0 k v 高压开关设备，国外大公司占 据了9 0 以上的市场如5 5 佻vg i s2 0 舵年国内生产了2 间隔，2 3 年生产了3 批+ l 阔礴。由于国内制造能力有限；三蛱左岸3 9 间隔g i s 全部被a b b 中标。5 5 0 k vg i s 反 映了一个企业韵综合能力，它是附加值很高的高科技产品，当国内不能满足时，国外企 业产品价格昂贵。闶此，加强5 5 0 k v 和8 0 0 w 高压开关设备的研制和生产刻不容缓。 沈阳工业大学硕士学位论文： 我国的高压开关设计和髑造水平相比世界先进水平还有差距只有加强技术创新和自 主开发能力，才能达到世界水平在上世纪w 年代末8 0 年代初，世界上已开发出舶m t 5 仳as f 6 断路器。而我国在锦辽线工程中，高压断路器选用空气断路器，没霄选用先进 的s f 6 断路器，因为当时我国还没有能力设计，制避5 删蚪鄱6 惭璐器- ，鲫年代初，当f 我国还处予浊断路器王国肘- 国外己进入无i 刚也时代。为此，我国引进了德国西门子公 司真空断路器技术，。在引进消化吸收的基础上，我国自行设计出烈2 8 型真空断路嚣， 成为国内主导产品。当国外推出更新的3 a h 和) 4 型产品瞄，又拉大了差距。年代 初到8 0 年代中期，我国先后引进了h 砸g 公司，三菱公司和日立公司高压开关断路器及 g 璐制造技术，但由于只限于引进技术消化和结合工程生产，无法获得其核心技术- 面 对新的大型工程。如三峡工程和7 5 似v 工程，再度重新引进技术，因此，对我图高压开 关制造业来说。技术创新和自主开发是关键还有，我国虽已自主开发出2 5 2 k y 6 3 k a 双 断日s 民断路嚣，但国外在1 0 年前b 开发出，罩5 似v6 3 i a 单断口s f 6 断路嚣- 我国电力工业持续快速发展，为高压开关制造业带来了发展机遇，只有不断技术戗 新和自主开发，特别在超高压领域，( 5 5 m - v 级) ，才能占领更大的市场份额，扭转国外、 产品占以上的被动局面。从今后发展看，我国5 5 耿v 断路器缺口很大，而且不厦 国外产品先进如国外5 5 m 【v 单断口产品旱已运行，而我国尚处于研翩阶段。日本三家 公司( 且立、，三菱、东芝) 早在十年前就已研制出5 5 0 k 、r 单断口断路器，而我国现在风， 做到2 5 啦v ，3 6 3 k v 单断口和5 5 魄v 双断口断路器5 5 仳vs f 6 断路器从双断口跃入单 断口。这将是巨大的技术进步会带来丰厚的技术经济效益。日本的运行经验；1 9 7 6 ； 年日本5 5 似v 罐式断路器为4 断口到1 9 9 3 年则减至约7 0 充气量减至约6 渺6 。日 本三菱公司还对5 5 瞅v 的灭弧单元作了分析比较，在减少零件方面，若以4 断口灭弧单 元的零件数为l ( 叠只断口，4 只合闸龟阻4 只电容器单元) 一贼双断口灭弧单元 将零件数减至3 1 l ，( 2 只断口2 只合闸电阻。2 只电容器单元) 单断口灭弧单元又进 一步采用同步受控操作，则将零件数减为1 1 单断口相忧双断口s f 6 断路器简化了绪 梅，减少了零件数，提高了可靠性，减少了s f 6 用气量，大大提高了技术经济效益。目 前我国正加快5 5 m 【v 单断口s f 6 断路器的研发，我国已开发出1 2 日【v 自能式s f 6 断路器， 如l w 2 5 塑、l w l 7 a 型、l w 2 9 型、l w 3 0 型、聃n 3 型、l w ”型、旧6 型怊6 a 、 高压s f 6 断路嚣灭弧室绝缘分析及优化设计研究 l w 3 8 型及l w 3 9 型等，其中l w 3 们6 丸型年产厂家多在崔产厂家中西开公司起步- 阜，。产量大i 如2 2 年生产l 铊9 台k 瑚3 年生产1 2 l o 台捧名第一、西开和平离还 开发出2 5 滥v 自能式趼6 断路器【3 】 1 ：2 高压s f 断路器应用与研究现状 由于纯s f 6 气体以其优异的灭弧、绝缘性能、稳定的化学性能以及无毒性等优点， 从2 0 世纪年代起s f 6 气体被成功地用作高压丌关及其设备的绝缘和灭弧介质，用作1 高压，超高压及特高压等级的断路器和( 璐盼嚯绝缘和灭弧介质。鲫；的使用，引起 高中压开关及其设备的一场大革命附i 。 。 从世界范围产品的发展看，高压s f 6 断路器经历了玻压式s f 6 断路器( 2 0 世纪印 年代) i 一单压压气式s f 6 断路器( 2 0 世纪7 0 年代，一热膨胀式( 世纪3 0 年代) t 一二次技术智能化( 2 0 世纪粥年代) 的发展历程，双压式s f 6 断路器是根据压缩空气 断路器的气吹原理设讦的，断路嚣内部有两种压办，低压气体c n 3 m 陴表箍力，y j 用作1 断路器内部的绝缘介质- 高压 力气体( 1 5 m 睥表压力) 用作灭弧，虽然断路器工作性能良 好，但结构复杂。价格昂贵。此卿。由于灭弧用高压气体的液化温度高，工作温度必须 保持在8 以上，低温环境下暑皆要加热才能工作，这也是一个致命弱点嘲；目前，双压 式己被淘汰，由单压压气式s f 6 断路器所取代。单压噩气式s f 6 断路器；外形上与双压 式相似，断路器内只有一种压力，表压力为o t 蹦p i 。它是靠气吹媳弧j 即充分利用龟 弧能量，提高气压，增人开断能力，形成以匿气为主，燕膨胀效应为辅的混合灭弧方式， 目百f 单压式已经用到5 5 傲v 及1 1 0 m 【v 级j 根据国际大屯嗣会议的二次调查，液压或气动机构是造成断路器故障的年要原因。 它直接影响断路器的可靠性。热膨胀武断路器是高压s f 6 断路器技术前又一进步，它与 单压压气式断路器相比，操作功减至3 0 左右，从而可取消操作功大丽绪构复杂的液压 或气动机构，改用操作功低而且结构简单韵弹簧机构，热膨胀式现已应用到1 1 0 2 4 5 k v 缀，正向。4 2 嗍w 电压等级发展。 二次技术智能化是集计算机控制、微电子、信息传感j 伺服驱动以及精密机械等为 综合一体的技术，实现开关设备的智能化，即开关设备的智能挎制和保护，变人为的“定 期维修”为实时的“状态维修”。欧溯几家公司在此方面取得了卓有成效的研究成果：- 1 9 年，a e ct d 公司成功研制出d l i 墅真空断路器，其操动机构内有信成保护装置， a b b 公司在真空断路器及其开关柜中采用数字集控技术和传感技7 陷扩充传统控制装 置的功能，降低费用。l 粥5 年，西门予公司就已开发出以徽处理器为中心的数字保护设 备此后，又研制开发了数字保护继电器，用于重要使用场合的完整范围的数字保护设 备，以及大范围数字保护设备阴 1 3 本文研究目的和意义 随着电力系统电压等级的提高，对高压断路器的绝缘水平提出更高的耍习乏1 高压断 路器绝缘存在如下几方面问题，如绝缘材料，绝缘结构、。电压形式等问题；因此基于电 场数值计算的断路器绝缘性能研究以及产品优化设计显得尤为重要。 随着我国现代化建设舶发展，我国每年需要实现新增发电装机容量2 5 万k w 。按 照发电系统，输电系统、配电系统的投资比，输配电网络必将获得更大发展，才能满足 用电的需要，这为高压开关设备行业提供了持续发展的良好机遇高压开关设备虽属传 统产品，但近年来，国内，外新技术、新产品不断推出，国产设备与国际先进水平的差 距不断缩小，已基本可满足需求从年鉴统计韵资料看趼6 断路器在高压超高压领域 已占统治地位，少油断路器需求量已很少。国产高压开关设备的市场占有率，随着电压 等级的升高而降低。5 5 瞅v g 娼只有2 个问隔采用进口或合资厂的产品的情况大致为： 2 5 拙| v 产品约占2 0 、3 6 3 k v 产品约占3 5 、5 5 0 k v 产品则占到8 5 渺埘。 趼6 断路器是电力系统中最重要的开关电器之一，被广泛应用于输配电系统中。目 前，s f 6 断路器是高压超高压领域中的主流产品并占有统治地位。其可靠性、绝缘性以 及运行稳定性直接影响电力系统的安全可靠稳定运行，因此研究s f 6 断路器的绝缘更有 积极意义【”4 弼。围绕电场数值求解的断路器绝缘性能研究是目前高压断路器产品理论与 技术研究的关键，也是国内外研究者普遍关注的课题。s f 6 气体对电场集中十分敏感， 在电场不均匀情况下，其绝缘强度会大大降低e 堋。在s f 6 断路器中由于触头及其喷口形 状的影响，不可避免地会引起一定程度的电场集中。所以在s r 断路器灭弧室内电场数 值分析的基础上进行灭弧室内结构综合优化设计，对于s f 6 断路器的合理设计：改善 高压s f 6 断路器灭弧室绝缘分析及优化设计研究 断路器的灭弧性能是一项极有意义的工作【1 5 闽l 。奉文研究对于提高高压断路器的绝缘性 能具有理论意义和工程实用价值。 1 ，4 本文主要研究工作 1 4 1 研究对象及主要研究工作 高压s f 6 断路器产品研发的关键问题之一是灭弧室绝缘性能分析以及绝缘结构的优 化设计，研究基础是灭弧室电场数值计算，开断过程中电场分布的动态变化以及基于电 场数值计算的灭弧室绪构优化设计 针对我国电力事业的发展和高压电器的发展趋势；本文防1 1 0 k v 高压s f 6 断路器为 研究对象，针对断路器具体产品结构，采用有限元求解技术进行灭弧室全场域屯场数值 计算，并在此基础上实现基于电场逆问题求解的灭弧室结构优化设计： 在龟场数值求解中，以a n s y _ s 有限元分析软件包为求解工具，结合具体s f 6 断路 器灭弧室结构特点。对1 1 坂vs f 6 断路器灭弧室在不同开距下的电场分布情况进行数值 计，# 。求得开域场下电场分布情况和灭弧室内部全场域电场，最终实现s f 6 断路器灭弧 室的优化设计。此外研究了喷口材料、s f 6 气体含量等因素对高压s f 6 断路器绝缘的影 耐 1 4 2 论文工作实施进程 ( 1 ) 结合具体的s f 6 断路器产品结构运用a 1 q s y s 软件包对不同开距下灭弧室内部 电场进行计算分析。 ( 2 ) 运用a n s y s 软件包，结合其体的s f 6 断路嚣灭弧室_ 内部结构进行优化设计， 改善绝缘性能。 ( 3 ) 计算跚纠混合气体灭弧室内部电场分布，分析高压s f 6 断路器绝缘性能影 响因素。 ( 4 ) 对不同喷口材料的灭弧室电场进行计算，分析喷口材料对断路器灭弧室绝缘 的影响。 1 4 3 采用的方法及手段 科学技术的进步和发展，对设备的可靠性及小型化方面提出了更高的要求，作为断 路器的核心部件，灭弧室的研究开发是关键内容之一这就要求对断路器灭弧室内的 电场变化情况做出正确的分析。目前，采用有限元法对电场进行数值计算越来越受到 重视，并且不断取得新的进展随着电场数值计算方法的发展，j f ! l 用计算帆针对某些 具体问题来计算电场已经成为现实，电场豹数值计算已经进入了实用的时代i 本文采用 下述方法进行研究： ( 1 ) 运用有限元电场数值求解方法，对s f 6 断路器灭弧室电场分布进行计算。 有限元法是对整个分析领域进行割分后定义出节点和单元，联立一次方程式啻睁系数 矩阵成为对象敢疏矩阵，可以采用直接法和迭代法等求解，易于形成比较通甩的程序模 块其计算精度取决于单元内的近似函数、剖分密度、削分质量等因素。有限元法是当 今数值计算领域应用最为广泛，最为成熟的一种讳算方法，其最大的优点是通用性强、 糟度高- 在封闭场域_ 申，有隈元法帕前处理要优于模 魏荷法；当龟极有尖端时，采用 有限元法要比用模拟电荷法易于获得近似解，丽且有限元法在处理多种介质复合域的问： 题非常方便，同肘它也适用于对敞开域的分析本课题准备采用有限元法对电场进行数 值计算( 此算法越来越受到重视，并且不断取得新的进展) 。采用有限元法对s f 6 断路 器灭弧室内的电位及电场强度进行计算，分析在不同边界条件下龟场及电位韵变化情 况，分析这种变化是否具有规律性以及断路器在不橱边界条件下对场强和电压分布的影 响i i 明 一( 2 y 利用a n s y s 软件进行电场数值计算：； a n s y s 软件主要功能a n s y 譬是种应用广泛的商业套装工程分析软h 件a n s 隅 软件是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛应甩于拨 工业铁道j 石油化工、航空航天、机械制造、能源i 汽率交通。，国防军工，电i 予、土 木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利和日用家电等一般工业科学研究。a n s y s 软件含有多种分析功能，包括简单线性静态分析和复杂非线性动态分析。可用来求结构、 流体、电力、电磁场及碰撞等问题的回答嗍它包括了预处理、解题程序以及后处理和 优化模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程问题 必不可少的有力工具。 高压s f 6 断路器灭弧室绝缘分析及优化设计研究 a n s y 翟分析伺题基奉步骤。a n s y s 典型的分析i 埽口1 调由前处理、求解计算和后 处理兰个部分组成t 1 ) 前处理。 定义工作文件露乳设置分析模块 定义单元类型和选项：定义实常数。定义材料特 性i 建立分析几何模型；对模型进行网格划分l 施加荷载及约柬。 2 ) 求解计算 选辑求解类型，进行求解选项设定， 3 ) 后处理 从求解计算结果中读取数据；对计算结粟进行各种图形化显示；可对计算结果进行； 列表显示；进行各种后续分析。 a n s y s 应用特点。唯一能实现多场及多场羯合分析的软件；唯一实现前后处理i 求解及多场分析统一数据痒的一体化次型有限元软件；唯一具有多物理场优化功良的膏 限元软件；强大的非线性分析功能多种求解器分别适用于不同的问题及不同问题的羽善 件配置支持异秤、异构平台的阿络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文 件分祈强人的并行计算功能，支持分布式并行及共享内存式并行。多种自动网格划五b 技术，良好的用户开发环境- 与c a d 软件有良好盼接口。， ( 3 ) 运用优化设计方法，以a n s y s 电磁场计算为基础，进行s f j 灭弧窒结构优化 设计阮2 7 i ，提高其绝缘性能，实现产品的小型化设计l 拟堋。本文在电磁场求解串，使甩5 有限冗分析软件a n s y s 作优化设计，以实现s f 6 灭弧室结构优化设计。以a n s y s 电 磁场计算为基础；采用零阶方法，一阶方法，进行眠灭弧室结构优化设计，提高其绝 缘性能。优化设计流程如图l 。l ，所示- q ) 本文计算全程采用a 矾) l 命令流语言对灭弧室内进行电场分析与计算并实 现灭弧室内部结构优化设计f 3 1 阀； 图1 1 优化设计流程图 9 高压s f 6 断路器灭弧室绝缘分析及优化设计研究 2 有限元基本原理及在电器电场数值求解中的应用 2 1 常用电器电场数值计算方法 目前，电场数值计算的方法主要有边界元法、模拟电荷法、有霞元法和有限差分法 等。有限元法适用于复杂边界的、多重介质的数值计算，且此方法通用性强，计算精度 比较高。 一 2 2 有限元分析基本思想 有限元法的基本思想是：将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定 有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，同时选定场函数 的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一插值函数以表示单元中场函数的分布 规律，进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量韵有限元方程，从而 将一个连续域中的无限自由度的问题转化为离散域中的有限自由度闯题一经求解就可 以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合上的场函数。这个解不 是准确解，而是近似解，因为实际问题被较为简单的模型所代替。由于大多数实际问题 难以得到准确解，而有限元求解计算精度较高，而且能适应各种复杂形状，目前已成为 行之有效的工程分析手段。 2 2 1 有限元电场数值求解的实现 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具 体公式推导和运算求解不同删，有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化；将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有 限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分显然单元越小( 网络越细) 则离 散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增人，因此求解域的离 散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法；一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题 状态变量边界条件的微分方程式表示。为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的 沈阳工业大学硕士学位论文 泛函形式 第四步：单元推导t 对单元构造一个适合的近似解，即雅导有限单元的列式，其中 包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元备状态变量的离散 关系，从而形成单元矩簿( 结构力学中称同度阵或柔度阵 。， 为保证问题求解的收敛性- 单元推导有许多原则要遵循对工程应用而吉，重要t 的是应注意每一种单元的解题性能与约柬- 例如；单元形状应以规则为好，畸形时不仅 精度低，而且有缺失的危险，将导致无法求解 第五步t 总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组_ ) ，反映对 近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件总装是在相一 邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在结点娥 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组 酾求解可用筐按浚、选代法帮随机法。求解结果是单元结点处：状态变量的近似值。对予 计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算 嗍 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限 元模型；完成单元嘲格划分；t 后处理则是采集处理分析结果。 2 2 2 有限元法的应用特点 与其他的数值分析方法相比，有限元法具有以下几点突出韵优点： ( 1 ) 矩阵对称、正定且具有稀疏性，因而目前普遍采用不完全乔累斯基分解共轭 梯度法( t c c g 法) 结合非零元素压缩存储解有限元方程，可节约大量的计算机内存和 c p u 时回。 ( 2 ) 处理第二类边界条件和内部媒质交界条件非常方便，非常适用于曲多种材料 组成、内部具有较多媒质分界面的情况。 ， 。( 3 ) 几何削分灵活： ( 4 j ) 可较好的处理非线性阿题。 ( 5 ) 方法的各个环节统一。程序易于实现标准化。随着前：后处理技术的发展： 已逐步形成了一些功能齐全、便于操作的通用或专用软件 高压s f 6 断路器灭弧室绝缘分析及优化设计研究 2 3 基于a n s y s 的电器电场数值求解 2 3 1 髂憾的功能与应用 工程设计和科学研究对电磁计算精度要求的不断提高促进了有鼹元法发展及其在 电气工程方面的广泛应用。而计算机资源的不断开发又为有限元法电磁计算的发展及有 限元软件的应用提供了可实现的条件目前有限元法及其商业化软件已成为工程设计人 员和研究工作者的重要工具 有限元法商业软件作为工程设计、科学研究和教学等的实用工具具有明确的目标 和鲜明的特点。其中最主要的一点是服务对象明确，使用者仅需对所计算的问题做出答 复，作为输入便能获得所需结果并能在此基础上不断对结果进行进一步韵开发使用。 而不需要了解有限元法求解的详细过程，如网格捌分方程的形成及求解等，更不需要 掌握有关技巧由于采用模块化结构组合性强，甩户可随意选用其中某些模块并匏 方便的进入某些过程，从而进行控制_ 医此，可适应不同层次使用者的各种需要，最大 限度的为他们减轻了繁琐的工作量。此外，在后处理方面的_ 大量投入也提高了此类软 件的使用价值，特别是可视化程度的不断提高，使用户得心应手。达到了在设计阶段便 可以对电磁装置或设备中电磁场的分布及各种性能指标一目了然的程度，易于进行方案 修正及优化设计。此外，有限元法本身适应性强的特点，也使褥商业化软件具有很强的 通用性，能适合于各种应用问题。 在众多的有限元法商业软件中，a n s y s 是目前应用最为广泛、使用最为方便的软 件之一。a n s y s 软件是融结构、热、电磁、流体、声学于一体的大型通用有限元分析 软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、 国防军工、电子、土术工程，造船、生物医学、轻工地矿、水利、日用家电等一般工 业和科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从p c 机到工作站直至巨 型计算机，a n s y s 文件在箕所有的产品系列和工作平台上均兼容嗍。它能与多数c a d 软件接口实现数据的共享和交换，如n a s l r a n 、a i d 豫、1 d e 蟠，p i ：胡n g i n e 盯， 加廊a 山等，是现代产品设计中的高级a m 工具之_ 沈阳工业大学硬士学位论文 该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度a 线性分析；电磁分析、 计算流体动力学分析、设计优化、接触分新、自适应网格划分i 太应变有限转动功能以 及利用a n s y s 常数设计语言似p d l ) 的扩展宏命令功能。基于m 耐的菜单进行数据输 入和功能选择，为用户使用a 潲髑提供。导航” ， a n s y s 软件的最初版本与今天的版本相比以有很大的区别，他仅仅提供了热分析 及线形结构分析功能是一个批处理程序：只铯在大型计算枕生使用- 2 0 世纪7 0 年代初，非线性、子结构以及更多晦单元类型的加入t 一2 0 世纪7 0 年代 束图形技术和交互式操作方法的应用使得a n s y s 程序貌得到了很大的改善 前后处 理技术进入了一个崭新的阶段。 今天a n s y s 软件更加趋于完善，功能更加强大。使用更加便捷。最新版本a n s y s 8 1 版本的推出增加了一些如模态综合法、非线性诊断技术( 专家系统) 以及多物理场功能等， 性能上有了很大酌改进和提高 2 。3 2 基于 h s y s 的电器电场数值分析进程 a y s 程序可用来分析电磁场的多方面问题，如电感、电容、磁通密度、涡流、 电场分布、磁力线、力、运动效应、电路和能量损耗等网。 a n s y s 电磁场分析可大致分为三个阶段：前处理、运行计算和后处理。前处理包括 建立分析模型和定义各部分材料的性质；运行计算包括网格划分、定义边界条件和运行 计算；后处理包括绘制电力线图、电压分布图和电场分布图等等。 2 3 3 州s y s 的参数化设计语言( 舻吐) a p i ) l 是a 1 临y s 参数化设计语言韵简称，是朋叮趴侣韵二次开发工具之一。应用 a p d l 编写的脚本程序可以自动完成大部分任务，甚至参数化建模求解。a p d l 还包括 一些其他特点，如重复执行一条命令。宏程序，i 糊瑚卅分支结构，d o 舢p 循环，标 量、矢量、矩阵的运算等。它为用户一般问题的求解提供了许多简单高效的手段。a p d l 是优化设计的基础，本课题就利用a p d l 进行屏蔽罩和触头的优化设计。 高压s f 6 断路器灭弧室绝缘分析及优化设计研究 2 。3 - 4 薹于 惦y s 的电器优化设计， m 鹉y s 程序提供了两种优化的方法这两种方法可以处理绝大多数的优化问题 零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理灾多数的工程问题；一阶方法基 于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合予精确韵优化分析 对于这两种方法；a n s y s 程序撼供了系列的分析一评估修正的循环过程 就是对于初始设计进行分耩，对分析结果就设计要求进行评估然后修正设计二逸严循 环过程重复进行赢到所有的设计要求都满足为止。 除了这两种优化方法，a n s y 8 程守还提供了一系列的优化工具以提高优化过程盼 效率。例如，随机优化分析的迭代次数是可以指定的。随机计算结果的初始值可以作为 优纯过程饷起点数值。 31 1 0 k vs f 。断路器灭弧室电场数值计算与分析 3 1 跖。断路器灭弧室电场数学模型建立与求解 有限元分析是对物理现象的模拟，是对现实情况的数值近似。通过划分单元，求解 有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量有限元分析首先要建立有限元模型， 该横型包括所有的节点、单元、材料特性、边界条件、和其他表达实际物理系统的属性， a n s y s 软件提供了三种创建有限元模型的方法：实体建模法、直接建模法和输入计算 机辅助设计系统中建模的模型 3 1 1 灭弧室轴对称电场数学模型的建立 在a 1 q 8 1 噶软件中，建模是最困难、最繁琐的工作本文采用自底向上的建模方法， 首先建立关键点，然后确定更高级的图元。在建立模型时，利用a p d l 命令，进行参数 化建模。不但运用了点，线、面等基本命令，还应用了两线之闾生成一段圆角曲线，复 制等较高级命令基本图元生成完毕后。再应用布尔运算对复杂图元进行操作计算。对 生成的实体模型进行诸如交、并、减等逻辑运算处理，快速生成复杂实体模型。建模过 程中，一定注意模型的准确性，否则会给后续工作带来很大的不便。情况严重时，可能 导致无法进行正确运算，从而重新建模在建立轴对称模型时应注意m 临y s 软件中默 认是以y 轴为对称轴的，为了不出现负半径等建模错误，应在y 轴下建模。还有在程 序的对称轴没有改变的情况下，在除y 轴酌其它轴上建模后计算得蓟的结果都是错误， 其值与正确值的误差较大。因此本文建议建模时应以叮轴为对称轴。 利用a n 趴噶a p i ) l 语言建立s f 6 断路器灭弧室计算结构与计算区域如图3 1 、图3 2 所示，s f 6 断路器l 开距为1 7 l 衄。 高压s f 6 断路嚣灭弧室绝缘分析及优化设计研究 函 3 1s f 6 断路嚣灭弧室结构示意图 f i g 3 1 翻积c l l m 印日f 静h 嘲。蚰呜c h a m b 苗口f s f 6 c 细l l i t 切鼬k 盯 1 瓷套2 静主触头3 喷口4 动主触头5 压气缸6 动弧触头7 静弧触头 圈玉2 灭弧宣电场计算区域示意围 f 弛3 2 c | k l 岫函陋d 硼丝缸研l 呐虹矗枷o f 鸳蛤删唧嘲。蛐瞄曲嘲b 蕾 a 1 喷口a 2 动弧触和动主触a 3 s f 气体a 4 绝缘瓷套a 5 无限远场 躺空气场a 7 蕙主触和静弧触 3 1 2 网格剖分 网格剖分包括：定义单元类型、定义材料参数，网格剖分。 首先定义单元类型，电场分析中的单元( 二维) 为8 节点四边形( p i ，a n e l 2 1 ) ， 自由度为电压。本模型单元类型定义为p l a 1 2 l 和i 血l l o 两种类型，其中j n 丘n l l o 是 一幅 沈阳工业大学礤士学位论文 无限远场的单元类型。 其次定义材料参数，在电场分析中，材料大多是以介电常数( 艇l 阳( ) 做为参数s f 6 断路器中用到的材料参数：金属1 0 0 0 0 0 0 ，陶瓷6 5 ，空气1 0 5 8 ，聚四氟乙烯2 4 ，六 氟化硫1 2 4 等，如图3 3 所示 图3 3 灭弧室内部计算区域 f 酶3 3c a i c i i l 幽n 勘m 斑o f e l e 瞻i c 舶埘o f 位i m 嘲t 哟 a 1 喷口，材料为聚四氟乙烯a 2 动弧触和动主触材料为金属a 3 趼；气体 k 4 绝缘瓷套材料为陶瓷a 7 静主触和静弧触材料为金属 最后网格剖分，通过设置网格撺制选项，可以对网格划分方式、网格划分的形状、 网格韵大小以及 中间节点位置进行控制。a n s y s 提供两种网格划分方式。自由网格和 映射网格。割分单元分为四边形和三角形。所谓。自由”，体现在没有特定的准则，对 单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。映射网格则要求满足一 定的规则，且映射而网格只包含四边形、三角形单元，而映射体网格只包含六而体单元 映射网格生成的单元形状比较规则，映射网格适用丁形状规则的体或面。自由网格生成 的内部节点位置比较随意，无法控制若要控制内部节点伉置应考虑选择映射嘲格。 为提高剖分精度本文在进行分析时，采用两种剖分混合的方式即在剖分远场单元时采 用了映射剖分，在割分近场和灭弧室内部时采用了自由剖分本模埤! 在无限远场的剖分 运用了映射剖分其单元形状为四边形空气场即a 6 面应用了自由剖分其单元形状为四 边形在灭弧室内仍应用自由剖分但其单元形状为三角形。应用这些手段最终使得其剖 分单元在重点计算区域割分均匀且较密。在非重点区域捌分较疏些，并且要在密疏两区 域有良好的单元过渡。在保证计算精度的前提下可提高电场数值计算的计算效率。网 格剖分如图3 4 、图3 5 所示 高压s f 6 断路器灭弧宣绝缘分析及优化设计研究 图3 4 断路器灭弧室电场计算区域剖分图 f 皓3 m e 蛐唔g 耐口f 畦埒舭儡i a 妇砧旺曲删妇o f 缸嘶i h 幽盯 图3 5 灭弧室内部剖分示意图 f 嘻3 5 m i l i n g 寄证o f o f h e 脚纠釉m c 蚰唱曲蛐b 苜 3 1 3 施加载荷 在a n s y s 应用中，载荷( 【棚l d s ) 包括边界条件和外部或者内部作甩力爵致。在髫 场分析中包括：电势( 电压) 、电流、电荷、电荷密度、无限远表面等。本文采用的载 荷是电压载荷和无限远表面。 在a n s y s 电场计算中，可以把载荷施加在实体模型( 关键点、线、面、体等) 上， 也可以簏加在有限元模型( 节点、单元) 上，这两种情况各有其优点和不足。 旌加在实体模型上的优点是：通过图形拾取来加载时，因为实体较少；所以施加载 荷时比在有限元模型上进行要方便得多；模型载荷独立于有限元网格。不必因为阿格重 新划分而重新加载。不足是：不能显示所有的实体模型载荷：在关键点上的载荷很难拖 加上去；网格划分命令生成的单元处于当前坐标系下面，而节点使用的是整个笛卡尔坐 标系。 施加在有限歹磷型上的优点是：因为载荷可以直接施加在主节点上，所以在简化分 析时不会有任何问题；可以简单地选择所有所需要的节点，并直接指定约束条件。缺点 是：只要划分的网格有任何问题，需要删除掉所有的或者部分的网格单元，重新划分网 格，则用户必须删除掉原有的载荷并在新生成的网格上面施加载荷：对于使用图形拾取 来加载，特别是在节点很多时，原来施加在一条线上的载荷需要逐个节点来拾取，原来 施加在一个面 ：的载荷需要逐个单元面来拾取，非常麻烦 本文由于是对整个断路嚣灭弧室电场豹数值计算，同时需考虑断路器开断不同行程 下电场分布，因此选择第一种加载方法一旌加在实体模型上( 加载在面上) 。 结合图3 3 阐述加载情况，将动触头a 2 加o v 电压。静触头a 7 加l l 珊v 电压 命令流方式： a 鲥，s ，”2 d a l ，2 v o k 0 ，1 翻e l i | ，7 d a 7 咄l l 伽岫0 ，l 在用a n s y s 的电场分析时，需要加载无限远韵边界条件，。 首先，以断路器为中心，以灭弧室计算区域的3 5 倩，建立一个计算区域( 如 图3 6 中的a 6 ) ，即一个计算平面，介质材料为空气在此面外建立一个小的无限远区 域( 如图3 6 中的a 5 ) 无限远的边界条件要加在最外侧的线上( 如图3 6 所示) 其次，无限远边界的线需要耦合即无限远边界线上所有的点的电压值相等，且为 零。藕合的路径为： g u i ：岫m 黜一p i 】e p s r g 叫蛐n g ，c e q n c i 川妇d o f s 最后，加载无限远边界，其路径为 g u l ：m a i nm 锄l p i 印o 略s 一l 棚d s n 匝i 瑚如一舢啊y e l e 曲沁一f l 略一 h 矗n i