引言

隨著真空開(kāi)關(guān)技術(shù)的加速發(fā)展，真空滅弧室不斷地走向小型化，真空滅弧室內(nèi)部絕緣水平的合理設(shè)計(jì)已顯得尤為重要，并成為領(lǐng)域內(nèi)普遍關(guān)注的研究方向，真空滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)的分布是內(nèi)部絕緣水平設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而內(nèi)部電場(chǎng)分析研究是一項(xiàng)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)絕緣問(wèn)題，其基礎(chǔ)是真空滅弧室內(nèi)部靜電場(chǎng)問(wèn)題的研究。這里僅從真空滅弧室的靜態(tài)電場(chǎng)來(lái)著手分析，在小型化真空滅弧室設(shè)計(jì)與改進(jìn)過(guò)程中，借助Ansoft Maxwell軟件的靜電場(chǎng)分析功能可以對(duì)真空滅弧室內(nèi)部各組成元件的不同形狀和不同位置下的靜電場(chǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果不斷地調(diào)整，最終使其內(nèi)部靜電場(chǎng)達(dá)到均勻分布的狀態(tài)，從而提高了小型化真空滅弧室的內(nèi)部絕緣水平。

1、Ansoft Maxwell軟件介紹

Ansoft Maxwell軟件是國(guó)際上流行的大型通用有限軟件包，是功能強(qiáng)大的電磁場(chǎng)仿真工具，主要應(yīng)用于電場(chǎng)、磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、熱場(chǎng)等領(lǐng)域的計(jì)算與分析中。

Ansoft Maxwell軟件是完全的Window程序，友好的用戶界面，使用起來(lái)直觀、方便。該軟件較比其它有限元分析軟件具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
（1）具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。
（2）擁有簡(jiǎn)便易行的繪圖功能的同時(shí)兼有模型輸入端口，可以方便的導(dǎo)入其他繪圖軟件形成的模型。
（3）在剖分過(guò)程中，可進(jìn)行手動(dòng)剖分和自動(dòng)剖分，網(wǎng)格形狀和疏密程度靈活多樣，能量誤差可減小到任意指定值。
（4）能夠進(jìn)行各類線性和非線性分析。

2、Ansoft Maxwell軟件在小型化真空滅弧室絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

真空滅弧室內(nèi)部主要由觸頭、導(dǎo)電桿、屏蔽罩、波紋管等元件組成，影響其內(nèi)部絕緣水平的因素很多，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各間隙之間的電容均衡，內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻，從而提高內(nèi)部絕緣水平。下面是筆者在工作中利用Ansoft Maxwell 二維軟件對(duì)小型化真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)進(jìn)行分析優(yōu)化的一些方法和體會(huì)，供同仁們探討。

2.1真空滅弧室計(jì)算模型的建立

Ansoft Maxwell的二維靜電場(chǎng)分析主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、分析模塊和后處理模塊。主要過(guò)程為建立模型、設(shè)置邊界、定義材料、賦予邊界條件和載荷、剖分、求解和后處理等。

真空滅弧室是典型的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部電場(chǎng)可以視為軸對(duì)稱電場(chǎng)，所以在建立計(jì)算模型時(shí)只需要繪制一半的結(jié)構(gòu)圖即可，這樣可簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱問(wèn)題來(lái)分析，可減少后處理過(guò)程中的計(jì)算量。模型可在Ansoft Maxwell 中建立，也可以在其它繪圖軟件中繪制，然后通過(guò)輸入端口導(dǎo)入模型。筆者建議在AUTO CAD或CAXA中建立模型，導(dǎo)入Ansoft Maxwell 中后即可使用，旋轉(zhuǎn)所成的體即可視為求解對(duì)象。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示：

圖1 真空滅弧室計(jì)算模型圖
模型建立起來(lái)后，設(shè)置邊界條件很關(guān)鍵，事實(shí)上真空滅弧室電場(chǎng)的求解是屬于開(kāi)域場(chǎng)問(wèn)題，這里我們?yōu)榱撕侠泶_定真空滅弧室電場(chǎng)無(wú)界計(jì)算區(qū)，我們通常取相當(dāng)于滅弧室內(nèi)部區(qū)域的5倍距離處作為開(kāi)域場(chǎng)邊界，其外部即可視為一無(wú)限遠(yuǎn)空間，如圖2所示：

圖2 真空滅弧室全場(chǎng)域電場(chǎng)計(jì)算模型場(chǎng)域分區(qū)

1—真空滅弧室 2—空氣3—無(wú)限遠(yuǎn)計(jì)算區(qū)域 4—開(kāi)域場(chǎng)邊界

2.2 靜態(tài)電場(chǎng)的計(jì)算

電算前要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)各種材料進(jìn)行賦值，將無(wú)限遠(yuǎn)邊界定義為氣球邊界。計(jì)算條件為：動(dòng)觸頭及與其連接的金屬件電位設(shè)為零，靜觸頭及與其連接的金屬件電位設(shè)為10kV，屏蔽罩設(shè)置為懸浮電位，無(wú)限遠(yuǎn)處的氣球邊界設(shè)置為電壓，這里的動(dòng)靜端電壓條件的設(shè)定也可以反過(guò)來(lái)。根據(jù)設(shè)定的條件，Ansoft Maxwell 軟件運(yùn)用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，自動(dòng)生成剖分單元，進(jìn)行有限元電場(chǎng)分析，如圖3所示。其計(jì)算誤差可減小到任意指定值，本文計(jì)算中能量誤差小于1%。

圖3 自適應(yīng)剖分結(jié)果

Ansoft Maxwell軟件具有強(qiáng)大的后處理功能，可以分析電場(chǎng)方面的多種問(wèn)題，例如電場(chǎng)強(qiáng)度、電力線分布、電感、電容等，本文主要從特殊點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度和瓷殼沿面的電力線分布來(lái)分析。

2.3 小型化真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

真空滅弧室小型化后，內(nèi)部各結(jié)構(gòu)件的尺寸、形狀及其相互位置關(guān)系對(duì)內(nèi)部絕緣水平的影響非常大，下面針對(duì)幾種不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3—a與圖3—b的區(qū)別在于屏蔽罩的裝配方向與位置不同；
圖3—c與圖3—b的區(qū)別在于靜端屏蔽罩的設(shè)置。

圖3不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

利用Ansoft Maxwell軟件分別對(duì)3種方案進(jìn)行分析計(jì)算，在施加相同載荷的條件下得到的結(jié)果截然不同。

2.3.1電力線的分布