24kV真空灭弧室内部电场结构优化

科学技术创新2020.32
24kV 真空灭弧室内部电场结构优化
刘世柏李小钊薛从军刘畅赵芳帅
（平高集团有限公司天津平高智能电气有限公司，天津300300）
1研究背景
真空灭弧室作为开断短路电流的核心元器件，在中压领域占据了主流位置。

随着我国国民经济和电力工业的迅速发展，城市用电负荷密度和供电半径越来越大，传统城市12kV 的供
电越来越不能满足高负荷密度供电需求，
同时为了降低土地成本，对开关产品的小型化提出了要求。

为了解决这一问题，24kV 电压等级在中压配电网中的应用越来越受到人们的关注和重视，国内也开始借鉴国外的成熟经验并率先在苏州工业园区展开试点并取得良好效果。

本文设计了一种24kV 小型化真空灭弧室，但紧凑的结构带来的是真空灭弧室内部电场分布不均，灭弧室内部主回路高
电压部分与瓷壳及主屏蔽罩电场分布恶化，容易产生放电，
导致绝缘失效。

笔者应用ANSYS 有限元分析软件分析了24kV 小
型化真空灭弧室内部电场分布，
并对其内部绝缘结构进行了优化，得出了满足设计参数要求的的24kV 小型化真空灭弧室内部绝缘结构。

224kV 真空灭弧室内部电场分析与优化真空灭弧室典型结构如图1所示，本文仅在真空灭弧室外
形尺寸、动管芯、静管芯及瓷壳结尺寸不变的情况下，
只改变内部端屏蔽罩和主屏蔽罩的形状结构，对内部整体电场强度及瓷壳沿面强度进行仿真计算。

电场强度计算中使用的材料属性如表1所示。

表1材料电场仿真计算属性
2.124kV 真空灭弧室结构优化前内部电场强度分析
优化前的24kV 真空灭弧室结构如图2所示。

在动、
静管芯触头额定开距11mm 、内部绝缘介质为真空情况下，
按照额定雷电冲击耐受电压，对内部绝缘结构优化前的真空灭弧室动管芯
加载145kV 电压，静管芯加载0kV 电压，进行电场仿真计算。

其内部整体电场强度如图2所示，瓷壳内壁沿面电场强度如图3所示。

图2优化后的24kV 真空灭弧室内部结构
摘要：本文采用有限元分析法软件计算了24kV 真空灭弧室内部电场强度分布，
并根据分析结果对真空灭弧室内部主屏蔽罩、端屏蔽罩结构进行了优化设计。

关键词：24kV 真空灭弧室；绝缘结构优化；电场强度仿真分析
中图分类号：TM561.5文献标识码：A 文章编号：2096-4390（2020）
32-0020-031、静管芯2、固定法兰3、导向套4、动盖板5、波纹管6、波纹管屏蔽罩7、主屏蔽罩8、中封环9、金属化瓷壳10、端屏蔽罩11、静盖板12、动管芯图124kV 真空灭弧室优化前内部结构示意图
序号 材料名称 相对介电常数 1 真空 1.00058 2 铜 1e10 3 不锈钢 1e10 4 陶瓷
8.5
20--
2020.32科学技术创新图3优化前内部整体电场强度
图4优化前瓷壳沿面电场强度
由图3、图4电场仿真计算结果，可得出真空灭弧室内部各
间隙间电场值，
如表3所示。

表2优化前动端加载高压时灭弧室内部各间隙电场强度
结构优化前，动端加载高压时，
其整体电场强度最大值分布在主屏蔽罩靠上端部，数值为26.88kV/mm ，超出真空灭弧室设计中电场强度＜25kV/mm 的要求；瓷壳沿面电场强度最大值分别分布在主屏蔽罩与动端屏蔽罩之间的瓷壳表面上，
数值为2.92kV/mm ，超出真空灭弧室设计中瓷壳沿面电场强度＜2.5kV/mm 的要求。

2.224kV 真空灭弧室结构优化后内部电场强度分析
根据上述电场强度分析结果，对24kV 真空灭弧室内部的主屏蔽罩和端屏蔽罩进行了结构优化。

将电场强度最大值集中的主屏蔽罩上端部设计为圆角结构；同时更改端屏蔽罩结构，
将加大端屏蔽罩圆弧与瓷壳间径向间隙，
如图4所示。

在动、静管芯额定开距11mm 、内部绝缘介质为真空情况下，按照额定雷电冲击耐受电压，对真空灭弧室动管芯加载145kV 电压，静管芯加载0kV 电压，进行电场仿真计算。

其内部整体电场强度如图5所示，瓷壳内壁沿面电场强度如图6所示。

图5优化后的24kV 真空灭弧室内部结构
图6优化后内部整体电场强度
由图6、图7电场仿真计算结果可得出真空灭弧室内部各
间隙间电场值，如表3所示。

结构优化后，动端加载高压时，
其整体电场强度最大值分布在动静管芯触头圆角位置，数值为22.97kV/mm ，其
余
间隙位置 材料 电场强度最大值（kV/mm ）
瓷壳沿面电场强度最大值（kV/mm ）
触头中心区域 CuCr-CuCr 13.18 — 触头边缘倒角 CuCr-CuCr 22.84 — 触头侧面与主屏蔽罩 CuCr-SUS 26.88 — 波纹管与主屏蔽罩 SUS-SUS 9.62 — （转下页）
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科学技术创新2020.32
小行星是太阳系中重要的天体组成部分，承载着重要的演化信息，是探寻太阳系物质起源的重要天体[1]。

同时小行星含有富饶的稀有元素和贵金属，具有十分重要的价值[2]。

所以小行星表面取样研究已经成为各个国家重要研究的航天项目。

目前，小行星采样方式有射弹撞击、螺旋钻取、气体激励等方法。

这几种采样方式都成功应用，本文优化设计的采样头是抓取式，具有结构简单、采存一体的特点。

1采样头方案设计
小行星的采样主要是针对星体的表层物质进行采集[3]。

本设计针对表壤地貌进行采集。

飞行器通过机械臂连接采样器，采用TAG （Tough And Go ）的方式进行采样。

采样器与星壤触碰
时间为3秒，要保证采样器能触发闭合功能。

抓取式采样器是由采样头，采样转盘，转位模块，开腔模块组成，如图1所示。

可进行多次多点采样，因此采样器搭载了三
个相同的采样头；提高了采样的成功率以及鲁棒性。

抓取式采样头设计优化与仿真分析
Design optimization and simulation analysis of grab
sampling head
程丽1肖道林1，2张超1，
2
（1、沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳1100442、中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016）
摘要：针对小行星采样设计了一种抓取式采样器。

采样器由采样头，采样转盘，转位模块，开腔模块四部分组成。

分别利用
MATLAB 和ADAMS 对采样头进行了机构上的优化和运动学仿真分析，优化后的采样头的腔门闭合时间短，触发力小的优点。

关键词：机械设计；小行星采样；采样头；优化设计；运动学仿真
Abstract ：Asteroid sampling design for a grab sampler.Sampled by the sampling head,sampling wheel,the indexing module,a module of four parts begin to speak.Respectively,using MATLAB sampling head and ADAMS simulation analysis and optimization of the kinematic mechanism,short optimized sampling head chamber door closing time,a small trigger force.
Key words ：Mechanical design ；Asteroid sampling ；Sampling head ；Optimized design ；Kinematics simulation 中图分类号：TP271
文献标识码：A
文章编号：2096-4390（2020）32-0022-03
各个间隙的电场强度均小于20kV/mm ，符合真空灭弧室设计中
电场强度＜24kV/mm 的要求；瓷壳沿面电场强度最大值分别分布在主屏蔽罩与静端屏蔽罩之间的瓷壳表面上，数值为2.43kV/mm ，符合真空灭弧室设计中瓷壳沿面电场强度＜2.5kV/mm 的要求。

图7优化后瓷壳沿面电场强度
表3优化后动端加载高压时灭弧室内部各间隙电场强度
3结论
3.1通过将主屏蔽罩电场强度集中的端部更改为圆角设计，可显著降低其电场强度。

3.2通过适当增大端屏蔽罩与瓷壳径向间隙，配合主屏蔽罩端部圆角结构设计，可减小两者之间瓷壳的沿面电场强度。

3.3利用有限元仿真分析软件ANSYS 建立真空灭弧室仿
真计算模型，并进行优化设计，
其结果能满足真空灭弧室设计的工程应用。

间隙位置 材料 电场强度最大值（kV/mm ）
瓷壳沿面电场强度最大值（kV/mm ）
触头中心区域 CuCr-CuCr 13.18 — 触头边缘倒角 CuCr-CuCr 22.97 — 触头侧面与主屏蔽罩 CuCr-SUS 10.54 — 波纹管与主屏蔽罩 SUS-SUS 6.98 — 端屏蔽罩与主屏蔽罩
（动端） Al2O3-SUS
16.41
2.36
端屏蔽罩与主屏蔽罩
（静端） Al2O3-SUS 15.00 2.43
（转下页）
22--。