真空断路器以其体积小、重量轻、防火防爆、操作噪声小、触头开距小短、燃弧时间短、维护工作量小和触头在开断故障电流时烧伤经微等优点， 近年来在配电网中得到广泛应用^[1,2,3]。通常， 真空灭弧室装设在绝缘筒体里。绝缘筒体既是绝缘件又是承力件， 要求同时满足耐热、耐湿、抗开裂、机械强度高和绝缘强度好等技术要求。筒体体积硕大， 崁件多， 形状各异， 在制造上具有一定难度。目前绝缘体通常采用加有若干添加剂的环氧树脂材料， 其正常工作时的电场强度对环氧树脂等有机材料的机电特性、老化速率和运行寿命有着重要的影响^[4,5,6,7,8]。

目前， 国内外对断路器的研究集中在灭弧特性方面， 较少关注其绝缘体的工作环境和老化特性， 尤其是从工作电场强度角度对其工作环境进行研究^{[9,10,11,12,13]}。绝缘体工作场强过大， 可能出现异常温升， 加剧绝缘体内部的局部放电， 导致有机材料机电特性下降、老化速度加快和运行寿命降低等方面的问题^[14,15,16]。此外， 基于操作人员自身安全角度考虑， 近年来客户要求固体绝缘真空断路器的筒体进行外屏蔽接地， 这就需要在绝缘筒体外表面涂刷金属材料并进行接地。目前国内外尚未发现有关金属屏蔽层对绝缘体工作场强影响的研究报道。

本文利用Solidworks软件建立了10 kV固体绝缘真空断路器外绝缘体的物理模型， 并采用Ansoft Maxwell 3D有限元分析软件对外绝缘体正常运行工况、短路断开后工况以及安装镀铝屏蔽层后的电场分布特性分别进行了仿真计算研究。仿真计算结果可为配电网用固体绝缘真空断路器的优化设计提供技术参考。

由于Ansoft Maxwell 3D有限元分析软件没有时谐电场求解器， 而本文所研究的断路器外绝缘体工频电场的问题符合准静态场模型，因此可采用静电场进行求解。

在求解场域内，电位应满足式(1)的Poisson方程和边界条件。

断路器绝缘体静电场所对应的变分问题就是求解泛函式(2)的极小值。

整个计算场域内变分问题方程表示为

令泛函对电位的导数等于零， 得到线形代数方程组如下：

采用图1的10 kV固体绝缘真空断路器的外绝缘体进行仿真计算。

图1 10 kV固体绝缘真空断路器外观

图选项

利用solidworks按照实际参数建立三维仿真模型， 并将其导入Ansoft Maxwell 3D进行电磁场仿真计算。仿真工况包括正常运行和开断后这2种工况。正常运行工况是指电力系统无故障， 断路器未动作； 开断后工况指的是系统出现故障后， 断路器动作， 已成功开断短路电流， 且电弧也已熄灭， 但断路器与母线相连的隔离开关还未断开。按照线路最大运行电压进行计算， 则环氧树脂绝缘体的运行电压为

${U_{\max }} = 12kV \times \sqrt 2 /\sqrt 3 = 9.797kV$

仿真区域为1 m×0.5 m×1 m的立方体， 即以1 m×0.5 m的平面近似模拟断路器底座外壳的地电位。断路器正常运行时进出导线连通， 电压均为9.797 kV。断路器断开后， 进线端导线电位为 9.797 kV， 出线端导线电位为0。采用自适应网格剖分法进行三维网格剖分， 系统按照求解设定的网格添加比例在能量误差最大处进一步添加网格， 直到能量误差值达到预设的要求。环氧树脂绝缘体的网格剖分如图2所示。

图2 绝缘体的网格剖分结果

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断路器正常运行时， 环氧树脂绝缘体表面电位分布、沿面场强、局部最大沿面场强以及空间场强、等势面的仿真计算结果如图3所示。

图3 断路器正常运行时的仿真计算结果

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由图3可知： 断路器正常工作时， 出线端与底座之间环氧树脂绝缘体的沿面场强大于其他部位的， 且绝缘体局部最大沿面场强位于导线出线端口附近， 为1.468 kV/cm。

断路器开断短路电流且电弧熄灭后， 环氧树脂绝缘体表面电位分布、沿面场强、局部最大沿面场强以及空间场强、等势面的仿真计算结果如图4所示。

图4 断路器开断后的仿真计算结果

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由图4可知： 断路器开断后， 进线端与出线端之间环氧树脂绝缘体的沿面场强大于其他部位的， 且绝缘体局部最大沿面场强位于导线进线端口附近， 为2.479 kV/cm。

由仿真结果可知：

1) 断路器正常运行及开断后， 绝缘体沿面场强均低于电晕起始场强4.5 kV/cm， 且存在较大的裕度； 绝缘体表面电晕现象应该不明显。

2) 断路器正常工作时， 导线出线端与底座之间绝缘体的沿面场强比其他部位的要高。

3) 断路器断开之后， 导线进线端与出线端之间绝缘体的沿面场强比其他部位的要高。

挂网运行的固体绝缘真空断路器绝大部分时间工作在正常工况下。因此， 应重点加强导线出线端与底座之间绝缘体的优化设计， 避免因沿面场强过大而出现局部电晕， 导致绝缘材料异常温升或加速老化， 进而降低断路器的运行寿命。

为了减小断路器的体积， 可将图1暴露在空气中的导线进、出接线端口固封在环氧树脂极柱中， 外部导线与端口的接触可通过类似于家用电器插头的方式在固封极柱中插拔， 真空灭弧室也固封在极柱中。针对这一结构的断路器， 电网公司要求在固封极柱表层涂刷金属屏蔽层并可靠接地， 以确保运行人员的人身安全。

为了研究金属屏蔽层对断路器固封极柱电场强度的影响。本文分别对屏蔽层安装与否条件下导线接口处的电场进行了仿真计算。由于导线接口处固封极柱的实际物理模型较为复杂， 本文利用其简化模型进行仿真计算， 归纳总结得到的电场强度影响规律同样适用于实际的断路器设备。

仿真模型中A、 B、 C三相水平排布， B相居中， A和C相分居左右。导线外部包裹有50 mm厚的环氧树脂固封极柱， 极柱外表面喷涂有 0.2 mm 厚的镀铝屏蔽层。固封极柱距离可调， 三相固封极柱被金属外壳包裹。本文只对电场畸变最严重的情况进行仿真。三相电压为

若无屏蔽层， 则各相之间相互影响； 当中相电压为最大运行相电压峰值9.797 kV， 边相电压均为 -4.898 kV时， 场域畸变最严重。若有屏蔽层， 则A、 B、 C三相相互独立， 彼此无影响， 此时各相极柱的运行条件相同， 且极柱之间是否留有空气间隙对绝缘体的场强无影响。本文对中相电压为 9.797 kV， 边相电压均为-4.898 kV的工况进行仿真计算。仿真计算的工况包括3种： 1) 固封极柱上有金属屏蔽层； 2) 无金属屏蔽层， 且极柱之间的空间距离为0 mm； 3) 无金属屏蔽层， 且极柱之间的空间距离为10 mm。固封极柱和金属外壳简化模型的网格剖分如图5所示。

图5 计算模型的网格剖分结果

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3种工况下固封极柱沿面场强和空间场强的仿真计算结果分别如图6和7所示。

图6 有无屏蔽层工况下固封极柱沿面场强

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图7 有无屏蔽层工况下固封极柱空间场强

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由图6和7可知：

1) 涂屏蔽层之后， 固封极柱的沿面场强高于无屏蔽层工况的。这是因为喷涂屏蔽层之后， 只有环氧树脂进行绝缘， 空气不起绝缘作用。

2) 在无屏蔽层工况下， 环氧树脂和空气均起绝缘作用。此时， 固封极柱之间的空间距离越大， 则环氧树脂的沿面场强越低。

本文在Solidworks中建立了10 kV固体绝缘真空断路器绝缘体和固封极柱的三维物理模型， 并采用Ansoft Maxwell 3D有限元软件分别对其进行了电场仿真计算， 得到以下几点结论：

1) 断路器正常运行时， 导线出线端与底座之间绝缘体的沿面场强较大， 工作环境相对恶劣。需在结构和尺寸上对出线端和底座之间的绝缘体进行重点关注和优化设计。

2) 若环氧树脂质量较好且无气泡等杂质， 则喷涂屏蔽层之后， 能够在一定程度上改善断路器内部空气间隙的局部放电。

3) 若环氧树脂制造工艺不达标或其中存在气泡等杂质， 则喷涂屏蔽层之后， 环氧树脂绝缘体气泡处的局部放电现象将更加剧烈， 可能导致绝缘体加速老化。

4) 不喷涂屏蔽层时， 环氧树脂和空气均起绝缘作用。此时环氧树脂的沿面和空间场强比喷涂屏蔽层时的要低， 且固封极柱的空间间距越大， 其沿面和空间场强越小。

5) 不喷涂屏蔽层时， 增大固封极柱间的距离会改善电晕和放电情况， 但同时增大了断路器的体积。应综合考虑这2方面的因素， 对其进行合理设计。