高压开关柜内部电场仿真及其影响因素分析
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