在高电压等级设备的结构设计中，电场分布是不可忽视的影响因素，因此需在快速断路器的研发阶段对其电场分布做多元化的分析校核。常州博瑞电力自动化设备有限公司的王智勇、韩玉辉、陈新，在2023年第9期《电气技术》上撰文，以252kV快速断路器为研究对象，建立三维简化模型进行电场仿真计算，分析均压装置的结构、尺寸及安装距等对电场分布的影响。通过对比研究实现对均压装置结构、安装的地方及尺寸的优化配置，最终确定选用管母型均压装置，管径为40mm，安装距为20mm，此方案可将设备最大电场强度控制在2.3kV/mm以下。本研究结果可为产品的优化提供参考。

  随着我国电力系统负荷逐渐增加，大容量机组持续增多，导致各个电压等级电网故障时的短路电流不断增大，这对保障电力系统的安全性、稳定性和可靠性提出了更加高的要求。在电力系统中装设快速断路器是一种有效的保护的方法，然而随着电力系统运行电压的提高，快速断路器和绝缘子支撑结构电场不均匀的问题逐渐凸显，特别是在高电场强度的区域内会产生电晕等一系列放电现象。

  电力系统中设备发生电晕而产生的能量损失可忽略不计，但其产生的高频电磁波会严重干扰无线电通信，并且伴有噪声，对周围居民和电子设备产生危害；此外，在电晕的影响下，电力设备中的在允许电压下不导电的材料会加速老化，导致其电、力、热学性能大幅度下降。因此，高压系统中快速断路器在正常运作情况下的电场分布、电晕放电等问题，成为结构设计阶段不可忽视的因素。

  目前，国内外专家针对以上问题进行了广泛的探讨和研究，主要是采用安装均压装置的方法改善电场强度集中的情况。但是，均压装置的均压效果受结构参数和环境影响较大，暂无统一标准。本文以252kV快速断路器为研究对象，建立三维模型，运用有限元仿真计算获得整机的电场分布特征，对252kV快速断路器不同参数下的均压装置作对比分析，以得到最优的均压装置配置方案。

  252kV快速断路器拓扑如图1所示，总系统每一相由四个40.5kV的真空灭弧室串联而成，每个真空灭弧室并联一个均压电容，保证在开断过程中每个断口的电压相等。

  单台252kV快速断路器三维结构如图2所示。两台真空灭弧室和两台均压电容安装在快速断路器的操动机构箱上，整机的操动机构箱各边角和底部支撑槽钢边角分别安装有均压装置，整个操动机构箱安装在一根支撑套管上。快速断路器主体高度4.75m，主体安装在高2.5m的金属支柱上，总高7.25m。

  利用有限元分析工具对252kV快速断路器进行电场仿线 有限元静电场分析理论

  对252kV快速断路器按照实际模型进行简化建模，包括支撑套管、操动机构箱、真空灭弧室、均压电容等，252kV快速断路器简化模型如图3所示。由于本文主要研究箱体四周安装的均压装置，故对真空灭弧室和支撑套管外部的伞群进行简化，并对柜体的外观进行简化，保留柜体的基本尺寸和倒角等，对柜体内部结构可以进行简化去除。

  在仿线kV快速断路器模型进行简化外，还需建立求解域。根据实际安装情况，设备为高电位，地面为零电位，四周除地面外，采用开放边界条件，即无限远处为零电位。根据断路器电压等级252kV，其在该电压等级下的安全距离为1.8m，故在设置模型时，在半径方向的距离大于1.8m，设备高度为7.25m，求解域高度大于设备高度即可，故本文建立一个高度为8m、直径为6m的空气域进行仿真计算。

  根据电介质理论，要使导体表面产生电晕放电，需要导体表面电场强度达到起晕要求。为避免电晕发生，需要将整体电场强度控制在起晕场强以下，而起晕场强目前没有统一标准。由于起晕场强因海拔高度不同而不同，故本文参考高海拔控制电场强度修正法计算起晕控制电场强度，如式（6）所示。

  无均压装置快速断路器的电场强度及电势分布如图6所示。由图6（a）可知，未安装均压装置的快速断路器的最大电场强度为4.45kV/mm，远超计算所得2.3kV/mm的起晕场强。从电场强度分布图能够准确的看出，控制柜的边缘处电场集中，因此本文主要是针对控制柜体四周的均压装置来优化研究。

  其中，对于安装半圆型均压装置的快速断路器，当管径为30～50mm时，最大电场强度依次降低，而当管径为50mm、55mm和60mm时，最大电场强度的下降趋势并不明显，均在2.5kV/mm左右。管母型均压装置比半圆型均压装置的均压效果更好，随着管径增加，最大电场强度逐步下降，且当管径大于40mm时，电场强度已满足在2.3kV/mm以下的要求。

  局部放电试验：完成耐受试验之后，设备施加电压为负极性电压，持续30min耐压试验。在整个试验过程中，局部放电的测量按照GB/T 7354—2018有关要求执行。判断试验标准为：在最后一次极性转换完成最后29min内，观测大于1000pC的局部放电脉冲不超过29个，在最后10min内大于500pC的局部放电脉冲不超过10个。

  2）通过对不同结构参数的均压装置作对比仿真发现，两种结构下的最大电场强度都会随管径和安装距的增加而减小，达到一定值后，继续增加管径和安装距，最大电场强度不再明显减小。

  本工作成果发表在2023年第9期《电气技术》，论文标题为“252kV快速断路器均压系统优化研究”，作者为王智勇、韩玉辉 等。

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