【《某12kV断路器电场仿真分析案例》2900字】

某12kV断路器电场仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u29371某12kV断路器电场仿真分析案例 1319321.112kV真空断路器的结构 169111.212kV断路器模型的建立 2291371.3材料属性和边界条件的设置 3259121.4电场仿真计算结果 5157081.5小结 81.112kV真空断路器的结构现在市场上，断路器的生产厂很多，生产的型号也多种多样，适用于不同的场合。但可根据使用的位置不同将其基本划分为室内和室外两大类。其大致由主体结构，消弧腔结构，以及控制部分组成。真空断路器的消弧腔是真空的，此外还有手动控制部分、传动部分、底部框架等，如图1所示。真空消弧腔的组成：静触头、动触头、绝缘罩、外壳、管状弹性元件、防护盖、导电部分、端盖等，如图2所示。图112kV真空断路器结构示意图静管芯2、固定法兰3、导向管4、动盖板5、波纹管6、波纹管屏蔽罩7、主屏蔽罩8、中封环9、金属化瓷壳10、端屏蔽罩11、静盖板12、动管芯图212kV真空灭弧室内部结构示意图断路器的主体结构组成为：通电线路，绝缘部分，外壳等。其结构是三相为一个箱体。其中的通电线路由输入和输出的导电杆和绝缘底座，导电夹，连接部分和真空消弧腔组装而成。机构是自动储能装置，自动开合闸装置，也能手动操作。这个结构是由开合弹簧和线圈、储存能量的装置、电流保护装置、手动操作系统、开关等结构组合而成的。真空断路器的动静触头通常都是接触型的，但是这样可能造成弹跳的发生。为了避免因为触头的跳动现象使其意外运行的状况产生，要求触头需要用特殊的材料制造，并且在关闸时，压力的大小要有所保证，且跳动时间小于2ms。对于触头的材料一般需要满足以下几点：熔点高、耐电弧、所含水比率低、阻截电流少等，这样能对电流的流通与断开提供更稳定可靠的控制。满足上述要求的最好的材料为多种金属制造的合金。最常应用的是四种金属组成的合金如：铜-钨-铋-锆、铜-钨-镍-锑等。真空消弧腔整个部分都被玻璃密封，密封的玻璃壳也是不导电的，起到了保护作用。为了对导电的金属杆进行密封，使用管状弹性元件，应用之后，真空消弧腔就可由手动控制装置实现开合操作，还能保证真空状态不变。1.212kV断路器模型的建立因为断路器的灭弧室存在绝缘填充物质、屏蔽装置，外部还有绝缘壳体，其绝缘特性表现优秀，所以开合闸时的电场大多分布在灭弧室内的触头附近，正由于这个缘故，一个断路器是否具有良好的绝缘表现是由灭弧室内的电场分布情况决定的，可以说灭弧室是断路器中最重要的部分。所以，下面就该部位的各方面优化对真空断路器的绝缘性的提升予以一些改进方法。在SolidWords中对灭弧室进行建模，其中其内部电场分布与运算方法见图1。对其模型的建立做出几点假设：1）不考虑绝缘填充物质的气泡；2）导体和电极等导电物质的表面是光滑的；3）为方便进行分析，简化相应模型，忽略绝缘体极柱，只考虑灭弧室。为了能得到比较贴近事实的仿真结果，在软件中搭建的模型都是与实物等尺寸的，两个触点的距离也是按标准的8mm进行设置。所搭建的仿真模型由屏蔽罩、静和动两导电装置、触头底座、承受支架和触头片等组成。他们的尺寸分别是：屏蔽罩长138mm，最大直径102.5mm，宽度4mm；触头片宽度可达79mm，厚约5mm，其上垂向的槽宽2mm，长22mm；触点底座高可达22mm，厚达9mm，底座部件与地面呈25°角。触头座的杯指与水平面的夹角为25°。此处杯指斜槽将杯壁分为指状。图3灭弧室SolidWords模型图1.3材料属性和边界条件的设置在软件中的建模完成后，还需要对所有的部件使用的材料进行编辑。所有部件里：导电装置、底座和连接部件都是铜制的材料；承受支架和屏蔽罩是不锈钢材料；最重要的触头片是CuCr50。详细模型各部分的材料参数如表1所示，真空介电常数取1。表1电场仿真各部分材料属性参数灭弧室内部元器件材料种类电阻率/Ω⋅m相对介电常数屏蔽罩不锈钢2.70×10-81.8导电杆铜（Cu）1/5.80×10-71.0触头座铜（Cu）1/5.80×10-71.0触头支撑盘不锈钢1/1.10×10-61.0触头片CuCr501/1.41×10-71.0理想条件下的消弧腔的电场分布地区不存在自由移动的电荷，则满足拉普拉斯方程：1（1）边界条件为：φ（2）式中：φ为电位；L1和L2分别为静、动触头边界；L3为中轴线和无限远边界。通过对上式进行求解，可得到三个点的电势，再由式E=−gradφ计算出各节点的场强大小。真空消弧腔的绝缘罩可表示为：S（3）式中：φ、S和Q分别为屏蔽罩的电势大小、表面积大小和带电量。图4材料参数设置需要对其边界进行一定的限制，要满足如下条件：对静触头和它周边的连接部件加12kV的电压，设置动触头和它周边的连接部件电压为零；屏蔽罩编辑为悬浮导体；所计算的电场面积是所建模型大小的五倍，无穷远处为零电压。1.4电场仿真计算结果将上一节所建立的灭弧室仿真模型导入AnsoftMaxwell软件进行有限元的相关分析和计算。依据描述的各部件的材料参数进行设置，对边界需要满足的条件加以限制，再对电场进行计算，由此可得电位的分布情况如图5所示。图5真空断路器灭弧室电位分布另外，还能获得消弧腔内部的电场分布情况图，沿灭弧室模型的中心线的纵向剖视电场如图6所示。图6真空断路器灭弧室电场分布由图6可得，灭弧室内部的各个部件的电场分布位置和场强大小，由图的左上角图示可知，图示中越是靠上的颜色其场强越大，图示中越是靠下的颜色其场强越小。另外还能看出，电场密度最大的地方是触头之间的位置和触头片表面边缘与屏蔽罩之间的位置。为了方便更直观的表达其分布状况，另外选择静、动触头表面和触头中心在水平方向上的电场分布情况。进行对比分析，其中触头中心和其表面的电场分布情况可见图7。其中：静触头和动触头表面的水平方向的取值位置为从触头片表面圆心位置沿面水平方向到其内表面的最边缘位置；动、静触头之间中心面沿水平方向的电场强度取值范围为整个所建模型的中间位置沿着水平方向一直到所建模型的屏蔽罩的内边缘。由图7可得如下结论：1）两触头间中心水平面的场强大小约为1.6×105V/m。在这个部分存在的电场是较平缓的，不会轻易产生放电现象。2）灭弧室内的场强最大的位置是在静触头水平面上最接近静触头边缘的地方，即触头与屏蔽罩的间隙，其值为5.18×105V/m，这一值比两触头间位置的中心水平面的场强的最大值大。3）两触头表面的电场是不相等的，在距其中间约27mm的位置，场强的增大速率出现急速的增加。4）虽然动、静触头大体是对称的，但静触头表面的场强比动触头表面场强要大，这种现象出现的原因是：在软件中所建立模型是以成都旭光电子股份有限公司的灭弧室模型为原型的，建立的运算模型静、动两个触头的导电端的结构没有完全对称，静导电装置的长度略小于动导电装置，且其静导电装置被密封在了屏蔽罩内，因此静触头和静导电装置附近的电场都聚集在屏蔽罩内。图7触头表面与触头中心平面径向的电场分布曲线图1.5小结本章介绍了真空断路器的基本结构，并依据实际需求通过SolidWorks建立断路器灭弧室三维模型并简化，设置材料属性和边界条件，采用AnsoftMaxwell进