摘要：针对开关柜产品实际结构的复杂性，采用了分区建模、局部剖分细化等措施，建立了某型高压开关柜母线室三维电场有限元分析模型，获得了开关柜母线室中电场分布特征及电场集中区域。对母线室内电场最为集中的触头盒和穿墙套管等区域，进行了局部电场仿真，利用数值分析方法研究了绝缘隔板、均匀环和屏蔽罩等对局部电场分布的影响，得到了相应的优化措施。建立了开关柜母排搭接螺栓的有限元模型，通过量化分析，获得了不同间距下母排搭接的最大露牙数的参考值。上述分析结果，对于改善开关柜内部的电场分布、提高绝缘水平以及指导现场检修具有一定参考价值。
关键词：高压开关柜；有限元法；电场分析；优化
1引言
高压开关柜作为接受和分配电能的重要电力设备，广泛应用于输、配电网的每一个环节，它的安全运行直接关系到整个电网的安全和电力系统对用户的供电质量，是电力系统中最重要的电气设备之一。随着高压开关柜的小型化、紧凑化发展趋势，开关柜的空间尺寸及其占地面积大大节省的同时也给开关柜的绝缘和结构设计提出了更严苛的要求。不合理的结构设计和绝缘布置，不仅难以达到预期的绝缘效果，反而可能导致绝缘缺陷进而引发开关柜的运行故障甚至事故。
开关柜的控制、绝缘、遮蔽、保护等功能都是依靠绝缘结构实现的。然而，长期的运行和检修经验表明，开关柜内部的绝缘事故是导致开关柜运行故障的最主要原因之一。开关柜的绝缘结构与其内部电场特性有着密切的关系，主要包括电场分布、场强大小、电场的畸变和集中等。
特别是，对于实际的开关柜产品，其具有内部结构复杂、零件尺寸差异大、场域边界复杂等特殊性，使得三维电场的有限元剖分和分析求解相对困难。在开关柜，尤其是紧凑型开关柜的制造以及检修过程中，通常采用在金属导体外包覆绝缘套、触头盒区域的相间增加绝缘隔板或者在触头盒内部加均压环的方式来弥补绝缘间隙不足的问题。
然而改善效果如何，如何做到优化，仍缺乏量化的分析数据作为参考。大部分情况下绝缘隔板以及均压环的具体加装方式存在很大的随意性。开关柜内母排搭接处螺栓容易引起金属尖端放电，运行中因螺栓露牙数不合理而引发绝缘事故时有发生。虽然“GB50149—2010电气装置安装工程母线装置施工及验收规范”给出了相关建议，但是随着开关柜的小型化，紧凑型开关柜中母排间距较小，上述建议不能充分保证其绝缘性能。
2母线室整体建模及电场仿真分析
金属封闭开关柜的主要绝缘件通常包括触头盒、套管、支柱绝缘子以及绝缘隔板等，这些绝缘件对其绝缘性能具有重要影响。开关柜母线室几乎囊括以上所有绝缘件，因此，分析母线室内的电场分布对于提高开关柜的整体绝缘性能十分关键。其主要包括高压母排、分支母排、触头盒、接地金属外壳、穿墙套管及其安装板等部件。由于开关柜中不同部件的结构尺寸相差较大，另外，为了增加爬电距离，各部件的外轮廓通常采用不规则曲面。如果直接采用自由剖分，通常得到的结果剖分网格质量差、计算精度不高，或者由于单元数过多而导致计算机内存溢出、剖分失败。文中根据母线室的结构特点，采用分区域建模和局部细化剖分的方式，对于计算域内不同的空间区域和结构进行分别处理。
2.1分区域建模和剖分
将整个求解域划分为若干个不同区域，根据不同结构件的几何特征分别进行剖分，保证各个区域内结构件的尺寸在同一空间尺度，并且相邻区域的空间尺度相差不大，从而解决了单元数过多容易造成的剖分失败的问题。其主要包含母排、穿墙套管、及触头盒，空间尺度接近，可见剖分网格尺度差异较小、分布规则，有利于求解。
2.2局部精细化剖分
对于导体、绝缘件和气体的交界处，尤其是穿墙套管区域母排与套管间的空气隙、触头盒区域分支母排与静触头导电杆连接处等电场集中区域，进行局部的精细化剖分，提高计算精度。对环绕带电母线的空气域进行分层处理，对靠近母线的空气域进行局部细化剖分，网格较密。
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3局部电场仿真分析与优化
3.1触头盒区域电场仿真与优化
针对母线室内电场较为集中的触头盒区域的电场分布及其优化措施进行仿真研究，分析了在不同位置装设不同厚度绝缘隔板时对触头盒内部、触头盒相间空气域的电场分布的影响。
3.1.1绝缘隔板对触头盒区域电场分布的影响
绝缘隔板厚度在一定范围内对改善触头盒区域的电场分布没有明显的作用，造成这种结果的原因是绝缘隔板的厚度相对于母排间距相差太大，进一步分析可以得到在绝缘隔板区域场强明显减少，这与在母排外用热缩套管包裹来降低场强的作用相似。
3.1.2均压环对触头盒区域电场分布的影响
合理使用均压环可以改善局部电场分布。针对触头盒区域建立仿真模型，对比分析了均压环对其电场分布的影响，仿真结果可以看出，均压环的加入，减少触头盒内场强值，增大触头盒外场强值使得整个空间电场分布更加均匀，达到了优化电场的效果。为进一步分析均压环的作用，针对均压环安装位置进行了建模仿真分析。
从仿真结果可以看出，相对于均压环在触头盒内表面，将其埋在触头盒内对改善触头盒内电场分布更有效，但均压环安装位置的深度变化对该区域内局部电场的分布无显著影响。
3.2穿墙套管区域电场仿真与优化
屏蔽罩能够明显的改善其附近区域的电场分布，屏蔽罩的引入使得整个空间场强最大位置由母线与穿墙套管间的空气间隙移动到屏蔽罩附近，其场强值由原来的12.717kV•mm-1下降到5.283kV•mm-1。虽然套管区域最大场强值有所增加，但考虑到套管一般为绝缘强度较高的材料，因此，加装屏蔽罩将电场限制在穿墙套管中，减弱了套管与母排间的空气间隙的电场场强，有利于改善套管处电场集中现象，提高整体绝缘水平。
3.3螺栓露牙长度对的场强分布的影响
文中通过有限元仿真，分别研究了无母排搭接盒和安装母排搭接盒两种情况下，不同母排间距时，螺栓露牙数对局部场强分布的影响规律，为指导工程上母线安装提供定量参考。
3.3.1螺栓露牙数对局部场强分布的影响
对模型进行调整，计算了不同间距、不同牙数，数据表明：同一间距下露牙数越少对应的最大场强值也越小，同一露牙数下母排间距减少时对应的场强增大。
3.3.2母排搭接盒对局部场强分布的影响
为了提高开关柜的绝缘，许多厂家在开关柜内母排搭接处，加装母排搭接盒，使得搭接处不再有裸露的金属螺栓，但搭接盒及其与螺栓底部位置距离缺乏有关标准规定。
4结论
文中通过分区建模和局部剖分细化的方法建立了高压开关柜母线室的三维有限元仿真模型，并对母线室额定电压下的三维电场分布进行了仿真分析，获得了开关柜母线室的电场分布特点，并进一步对其中主要电场集中部位的局部优化技术进行了仿真研究，主要结论如下：
1）针对触头盒区域，分析了在触头盒区域加装绝缘隔板和均压环时对该区域电场分布的影响。
2）针对穿墙套管区域研究了套管内屏蔽罩对电场分布的影响效果。由仿真计算结果可以看出，屏蔽罩的引入使得整个空间场强最大位置由母线与穿墙套套管间的空气间隙移动到屏蔽罩附近，最大场强值降低到原来41.5%，显著改善其附近区域的电场分布，有利于提高整体绝缘强度。
3）针对螺栓露牙问题，通过仿真计算得到了不同母排间距、不同露牙数下的最大场强，对仿真数据进行整理和处理后，获得了带搭接盒与不带搭接盒情况下，不同间距下的最大允许露牙数。
参考文献：
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[2]王琪，李秋香，王晓健，等.开关柜放电原因分析与治理[J].山东电力技术，2014，41（3）：40-43.
论文作者:于欣
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：电场论文; 开关柜论文; 场强论文; 母线论文; 区域论文; 套管论文; 触头论文; 《电力设备》2017年第30期论文;