基于ANSYS Workbench的110kV隔离开关性能优化
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
福州大学电气工程与自动化学院的研究人员黄明亮、兰生，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文，为了优化高压隔离开关导电回路温升与电磁场，利用Solidworks建立三维模型与ANSYSworkbench进行仿真分析。以GW5隔离开关的导电回路为对象进行电磁场与温度场仿真分析与性能优化。
首先通过仿真计算得到最大电磁场强度与最大温升出现在触指结构上。其次，通过改变触指的材料以及结构，不断地将结果进行对比和分析，得到了钨铜可以大大降低触指的温升程度到23.032℃，触指的全倒圆角可以大大降低触指结构的最大电磁场强度。提出的性能优化方案以及计算结果可以为今后的高压隔离开关设计方案提供理论依据。
高压隔离开关是使用量最大的高电压开关设备，最大特点在于它是一种具有可见的绝缘距离的开关设备。隔离开关最重要的部件是触指/触头结构，它决定着高压隔离开关的寿命，进而决定了高压输变电网的可靠、安全[1]。对于72.5～550KV高压隔离开关在运行中所反映出所存在的缺陷，多为绝缘子断裂、操作失灵、导电回路过热和锈蚀[2-3]。其中，随着运行年限的增长，触头及触指过热是主要原因之一[3]。
对于高压隔离开关来说，因结构和制造方法简单，对于其发展在很长时间内都不受重视，因此在实际运行中高压隔离开关出现很多问题。而设计容量不足、触头/触指材质不合适、触头/触指接触不良等才是影响高压隔离开关运行的根本因素[4]。
在对触指/触头进行设计时往往根据手工计算与经验分析，然而高压隔离开关因结构复杂会使计算结果不准确。采用计算机仿真的方法对高压隔离开关进行设计与优化将大大提高产品的设计周期，并且使电场等问题的计算变得简单明了。
律方成等人[5]利用ANSYS对动车组高压隔离开关绝缘子进行电场仿真计算及其优化。WF Liu等人[6]利用ANSYS Workbench对高压隔离开关的弹性接触结构进行优化设计，延长其使用寿命。目前对高压隔离开关就温度场与电磁场问题进行材料与结构优化研究还不够完善。
本文利用Solidworks建模软件对GW5型号隔离开关触头/触指部分建模，利用ANSYSWorkbench基于电磁场与温度场对初始模型进行仿真分析以及改变触头材料和结构来对比仿真结果，最终确定触头优化方案。对今后设计隔离开关提供优化方案与仿真结果，具有一定的参考价值。
1 电磁场与温度场分析理论（略）
2 隔离开关的几何建模与仿真前处理
2.1 隔离开关的几何建模
本文所分析的GW5型号隔离开关触头/触指如图1所示，具体技术参数如表1所示。其导电回路采用双柱中开、触头转入式结构，钢制件采用热镀锌，确保隔离开关操作灵活、轻便、可靠、不易锈蚀。
图1 GW5隔离开关导电回路实物图
表1 GW5隔离开关主要技术参数
在对隔离开关运行情况的调查中发现，其结构能造成比较大的影响，并且不同的触头材料其锈蚀和老化的问题也比较突出。针对隔离开关运行中的主要问题，想要大程度的减少由导电回路过热带来的故障，应该从改进触头结构设计和触头材料这两方面着手进行优化。
如图2所示，利用Solidworks建立高压隔离开关的导电回路模型。模型根据实际开关尺寸建立，保证了仿真结果的可靠性。
图2 隔离开关导电回路模型
2.2 有限元仿真分析前处理
在电磁场分析中定义分析环境为electromagnetic，分析单元类型选择SOLID123。静电场主要分析对象为空气域，空气域的建立为底面半径为1500mm，高为725mm的圆柱形外边界，在划分空气域网格时一定要选择生成六面体网格。
对导电回路自身采用4级Smartsize进行剖分，以保证求解精度。对于边界条件的加载，静电场加载的是126kV的最高工作电压边界条件，对空气域外表面施加0电位。静磁场导电杆一侧加载的是0.63kA的额定电流边界条件，另一侧电流流出面为0电位。
对导电回路进行温度场分析是以传导电流场为基础开展的温升分析，即将电流传导场生成的焦耳热结果作为稳态热分析的结果。在热分析中，选定热传导与热对流为主要传热方式。由于GW5型为户外用隔离开关触头部分直接与空气接触，所以其对流系数设置为在空气对流系数10 W/ m2·℃，环境温度设置为25℃。
3 仿真结果分析
在Ansys Workbench的Simulation模块中对导电回路进行仿真分析。在静磁场分析中，主要关注的是导体表面及周围场域的磁场情况，静电场分析结果则关注导体周围空气域的电场分布，传导电流场的分析重点为导电回路电流密度分布以及焦耳热的分布情况，而在温度场分析中本文着重考虑触指上的温升情况。
3.1 触指材料优化
由于大部分金属导体的电阻率随着温度的增加而变大，而电阻率的变大又会使导电回路的发热量变大，不同材料的电阻率和导热率都存在着差异，因此选取合适的触指材料对解决温升问题起着很大的作用。在材料的选择上，主要根据常用触头材料来确定。
铝合金因其良好的防腐性、质量轻及强度高等优点，并且添加微量金属元素可提高铝合金的电导率，有很大的应用前景[9]。普通铜合金作为隔离开关触头材料经济又有效，而钨铜作为电触头具有抗电弧、抗熔焊、耐高压等优点[10]。各材料的特性参数如表2所示。
表2 触指材料的特性参数
根据表2所示的材料特性参数在Workbench材料库中定义不同的材料参数，在定义电阻率时应考虑温度对电阻率的影响。相对磁导率设置为1。温度场是由传导电流场作为基础而开展的温升分析，将传导场电流生成的焦耳热结果，作为稳态热分析的载荷。焦耳热的分布如图3所示。
图3 导电回路的焦耳热分布
从导电部分的焦耳热分布可知焦耳热的最大值主要集中在触指部分，因此以触指作为温升的分析对象。本文一一对比了不同材料中，触指的磁场强度、电流密度与温升分布情况，由于篇幅问题，以下仅列举了各材料的温升情况分布结果。仿真分析结果如图4所示。
（a）钨铜触指的温升分布
（b）钨铜触指的表面温升分布路径
（c）热镀锌与铝合金的表面路径温升对比
（d）钨铜与铜合金的表面路径温升对比
图4 触指温升仿真结果分布情况
表3 不同触指材料的仿真结果
由仿真结果可知，各材料的电流密度相差无异，磁场强度是铝合金最高，钨铜的磁场强度较热度锌相比稍微升高。差异最大的就是温升情况，由于触指只改变材料而结构不变，所以分布情况几乎一致（温升分布云图以钨铜为例），但在数值上存在着差异。在同样的正常运行条件下，钨铜的最大温升只有23.032℃，相对初始的29.059℃，优化结果可观。
钨铜的电阻率是最小的，但是导热率却不是最小的，所以隔离开关触指的温升是材料电阻率与导热率共同作用的结果。为了优化导电回路的发热情况，可知钨铜相比其他三种材料更适合做触指的材料。
3.2 触指结构优化
GW5型隔离开关导电部分主要由主触头、触指以及圆轴导电杆组成。如图5所示，为GW5型隔离开关的导电回路电场分布情况。
图5 导电回路电场分布
从对导电回路初始模型的静电场分析中，可以得知在模型触指的两端直角边缘以及侧边薄壁处电场最大，最大电场达19.7kV/mm。对直角边缘的电场优化可以采用倒圆角的方式进行优化，倒圆角可以使电场分布更加均匀[11]。由此针对触指部分进行结构优化，分别针对触指的直角边提出3种不同的倒圆角优化，以增大边缘曲率半径。
两端倒圆角为触指两端的直角边缘进行圆角处理，内外边倒圆角为触指两侧的直角边缘进行圆角处理，内部孔为触指连接插槽短边处进行圆角处理。具体圆角优化半径如表4所示(所有参数均经过比对而选出最有尺寸)。利用ANSYS Workbench对优化后的结构进行电磁场仿真计算，计算结果如图4所示（由于篇幅问题，具体分布结果只列出电场的分布情况）。
表4 倒圆角具体优化参数
（a）两端倒圆角优化
（b）两端倒圆角优化电场分布
（c）两端及内边倒圆角优化
（d）两端及内边倒圆角优化电场分布
（e）全倒圆角优化
（f）全倒圆角优化电场分布
图6 不同触指结构及其电场分布
表5 不同触指结构的仿真结果最大值
根据表5的仿真分析结果可知，不同大倒圆角方式均有改善电磁场强度。全倒圆角结构大大减小了触指的电场强度，而对于磁场强度减小程度较不明显。但需注意的是，全倒圆角优化时底边与侧边的倒圆角会形成边角，因此需要对边角进行处理，边角的倒圆角参数如表4所示。
两端倒圆角与两端及内边倒圆角两种优化方式对电磁场的改善程度相差不大。因此，可以使用全倒圆角方法对高压隔离开关的触指进行优化，相比其他两种优化方式可得到更加可观的优化结果。
4 结论
本文通过ANSYSWorkbench有限元分析软件对典型户外隔离开关GW5型号的导电回路进行电磁场与温度场分析与计算，并利用计算结果对隔离开关进行材料与结构优化得到了以下结论。
（1）导电回路的最大温升主要分布在触指上，以铝合金、铜合金和钨铜几种常用材料对隔离开关原始材料进行替换，可知在同样的正常运行条件下钨铜的性能最优，可使温升在同样运行条件下从29.059℃降到23.032℃。
（2）在导电回路电磁场分析中可得，最大电场强度出现在触指部位上。因此针对触指进行结构优化，通过3种不同的结构优化电磁场计算可知，3种方式相比原始状态都有优化效果。全倒圆角优化可以大大降低电磁场强度，电场最大值从19.7kV/mm降到9.4kV/mm，最大磁场强度从2745.3A/m降到2472.5A/m。