基于Ansoft Maxwell的小型化真空灭弧室绝缘优化设计

b、c为静端加高压情况；a1、b1、c1为动端加高压情况。

a a1

b b1

c c1

图4 电力线的分布图

【分析】

图4-a中：电力线的分布明显不均匀，中间电位线偏向静端很多，这样就增大了靠近静端的瓷壳沿面的电位梯度，当在静端施加高电压时很容易导致靠近静端的瓷壳沿面发生击穿；图4-a1中，在动端施加高电压时的情况稍好些，但中间电位线也是偏向静端的，同样会导致瓷壳沿面的电位梯度不均匀，所以这种方案可以不予考虑。

图4-b、图4-b1、图4-c、图4-c1中：瓷壳沿面的电力线分布基本均匀，且中间电位线基本趋于瓷壳沿面的中间位置，这样在瓷壳沿面上的电位梯度变化就会比较均匀，有利于降低瓷壳沿面的击穿率，尤其在结构c中增加了端屏蔽罩后，虽然静端施加高电压时体现的不很明显，但当变为动端施加高电压时，中间电位线基本就位于瓷壳沿面的中间位置了，这样整个瓷壳沿面得电位梯度不会出现突变，提高了瓷壳沿面的绝缘水平，所以加了端屏蔽罩后的结构c要好于其他两种结构。

2.3.2电场强度的分析

真空灭弧室绝缘设计的另一个关键点就是真空、绝缘外壳与空气的三相交界处的电场强度。大体积的真空灭弧室可以从设置端屏蔽罩、均压罩等措施来改善，但小型化的真空灭弧室则不易从这方面着手，只能通过对内部各元件的形状不断地进行修正和合理的布置并进行电场强度校核，最终优化出内部电场均匀分布、三相交界处的电场强度尽量小的设计方案。

采用相同的设定条件，对上述三种结构计算后的电场强度分布图如图5所示：a、b、c为静端加高压情况；a1、b1、c1为动端加高压情况。

a 静端三相交界处Emax:5.33 e+004kV/m a1 静端三相交界处Emax:4.27e+004kV/m
动端三相交界处Emax:1.86 e+004kV/m 动端三相交界处Emax:2.66e+004kV/m

b 静端三相交界处Emax:3.73e+004kV/m b1 静端三相交界处Emax:3.32e+004kV/m
动端三相交界处Emax:2.4 e+004kV/m 动端三相交界处Emax:2.4e+004kV/m

c 静端三相交界处Emax:3.46e+004.kV/m c1 静端三相交界处Emax:3.2e+004kV/m
动端三相交界处Emax:2.33e+004kV/m动端三相交界处Emax:2.4e+004kV/m

图5为电场强度分布图

【分析】

图中所示的数值是相对一定的设定参数而测得的。
结构a：所示数值表明，无论在静端施加高电压还是在动端施加高电压，其静端的三相交界处的电场强度均明显高于动端的三相交界处，所以很容易在靠近静端出现绝缘破坏，这与上面的电力线的分析结果是一致的。
结构b：动静端三相交界处的电场强度低于结构a，且施加高电压时动静端的电场强度差值缩小，较结构a的绝缘水平得到了优化。
结构c：在静端增加了端屏蔽罩后，静端三相交界处的电场强度又降低到更小值，而动端变化不明显，这就使得灭弧室的绝缘水平得到进一步的优化。所以三种结构比较而然，结构c是最优的。

从上面的两种分析情况来看，在灭弧室的绝缘优化的结果是一致的。

以上仅对有限的几种方案进行了优化分析，旨在介绍Ansoft Maxwell软件的具体应用。在对小型化真空灭弧室的绝缘优化设计中，还需要从很多方面进行优化分析，比如触头的厚度、半径、曲率半径、触头与杯座的过渡衔接、屏蔽罩的端口形状与曲率半径、触头与屏蔽罩的距离、动静触头之间的拉开距离等等。还要将电力线的分析与电场强度的分析兼顾一起来考虑，虽然这个优化过程比较繁琐，但通过一系列的优化分析后，可以帮助我们合理的设计各元件的尺寸并合理的布置各元件的位置，可以有效改善小型化真空灭弧室内部的电场分布，提高小型化真空灭弧室的绝缘水平。

3、结束语

1）Ansoft Maxwell软件的应用，为领域内的设计者们提供了科学的设计依据，大大缩短了设计周期，为我们提供了竞争条件。
2）利用Ansoft Maxwell软件优化后的小型化真空灭弧室，内部绝缘水平能够得到很大的提高，从而进一步适应了市场对高压产品的小型化需求。
3）本文探讨的计算方法仅是笔者在工作中的一点应用体会，并且仅适用于二维静电场的定性分析，更多的应用还有待同仁进一步探讨。