在高压设备的结构设计中，电场分布是一个不可忽视的影响因素，因此在快速断路器的研发阶段需要对电场分布进行分析和验证。 常州博瑞电力自动化设备***的王志勇、韩玉辉、陈昕在2024年第9期《电工技术》上撰文，以252kV快速断路器为研究对象，建立了电场**计算的三维简化模型，分析了均衡装置的结构、尺寸和安装距离对电场分布的影响。 通过对比研究，实现了均衡装置的结构、安装位置和尺寸的优化配置，最终确定了管母式均衡装置的选择，管径为40mm，安装距离为20mm，可控制设备的最大电场强度在23kV mm以下。 研究结果可为产品优化提供参考。随着我国电力系统负荷的逐步增加和大容量机组的不断增加，电网故障各种电压等级的短路电流不断增大，对保证电力系统的安全、稳定、可靠性提出了更高的要求。 在电力系统中安装快速断路器是一种有效的保护措施，但随着电力系统工作电压的升高，快速断路器和绝缘子支撑结构的电场不均匀问题逐渐凸显出来，特别是在电场强度较高的地区，会出现电晕等一系列放电现象。
电晕在电力系统中造成的能量损失可以忽略不计，但其产生的高频电磁波会严重干扰无线电通信，并伴有噪声，对周围的居民和电子设备有害此外，在电晕的影响下，电力设备中的绝缘材料会加速老化，导致其电学、机械和热性能显着下降。 因此，正常运行条件下高压系统中快速断路器的电场分布和电晕放电已成为结构设计阶段不可忽视的因素。
目前，国内外专家对上述问题进行了广泛的研究，主要采用安装均压装置的方法，提高电场强度的集中度。 但是，平衡装置的压力均衡效果受结构参数和环境的影响较大，暂时没有统一的标准。 本文以252kV快速断路器为研究对象，建立了三维模型，通过有限元计算得到整机的电场分布特性，对比分析了252kV快速断路器不同参数下的均压装置，从而得到均压装置的最优配置方案。
1 252kV快速断路器结构
252kV快速断路器拓扑结构如图1所示，整个系统由每相4个40组成5kV真空灭弧室串联，每个真空灭弧室与一个电压均衡器并联，以保证在分断过程中每个断口的电压相等。
图1 252kV快速断路器拓扑结构
单台252kV快速断路器的三维结构如图2所示。 快速断路器的操作机构箱上安装两个真空灭弧室和两个平衡电容器，操作机构箱的角和整机的底部支撑槽钢分别装有平衡装置，整个操作机构箱安装在支撑套上。 快速断路器本体高度为475m，主体安装在2高度在5米高的金属柱上，总高度为725m。
图2 单台252kV快速断路器的三维结构
2 计算方法和计算模型
采用有限元分析工具对某252kV快速断路器的电场**进行计算分析。
2.1 有限元静电场分析理论
式（1）—式（5）。
2.2. 模型建立和参数设置
252kV快速断路器的简化型号根据实际型号进行简化，包括支撑套管、操作机构箱、真空灭弧室、均衡电容等，252kV快速断路器的简化型号如图3所示。 由于本文主要研究安装在箱体周围的均压装置，简化了真空灭弧室外部的伞组和支撑套，简化了柜体的外观，保留了柜体的基本尺寸和倒角，简化和拆除了柜体内部结构。
图3 252kV快速断路器简化模型
本文研究了管径和安装距离对均压装置电场分布的影响。 半圆形型和管式母式均压装置的示意图如图4所示。
图4 半圆形和管式均压装置示意图
根据国家标准，252kV快速断路器的额定绝缘等级见表1。 **所需材料的相对介电常数如表2所示。
表1 252kV快速断路器额定绝缘等级（单位：kv）。
表2 材料的相对介电常数
2.3 边界条件设置
除了简化252kV快速断路器模型外，还需要建立解决方案域。 根据实际安装情况，设备为高电位，地面为零电位，除地面外，周围区域为开阔边界条件，即无穷大为零电位。 根据断路器电压等级为252kV，其在此电压等级下的安全距离为18m，所以在设置模型时，半径方向上的距离大于18m，设备高度为725m，溶液域的高度大于设备的高度，因此本文建立高度为8m，直径为6m的空气域进行**计算。
为了简化操作，对模型进行对称分割，得到快速断路器的解域如图5所示，在分割面增加双对称边界条件，空气域外边界采用开放边界，底部边界设置为零电位。
图5 快速断路器的求解域。
2.4.许用电场强度的选择
根据介电理论，为了在导体表面产生电晕放电，导体表面的电场强度需要满足电晕的要求。 为了防止电晕的发生，需要将整体电场强度控制在电晕场强以下，目前对电晕场强没有统一的标准。 由于电晕场强随海拔高度的变化而变化，本文参考高空控制电场强度校正方法计算电晕控制电场强度，如式（6）所示。
公式（6）根据球、环、防振锤和均衡屏蔽环的计算结果可以看出，在零高度条件下，当管件表面的电场强度达到40kV cm左右时，会发生电晕放电，因此将该值作为场强校正方法的基准晕场强。
根据国网电力科学研究院等机构的试验结果和国内外海拔校正的相关经验，海拔校正系数值见表3。
表3 高度修正系数值
本文所涉区域海拔高度接近500m，因此校正系数k1取105、安全边际采用14。修正后，拟合表面的光晕场强可得到为272kv/mm。
管件的表面工作控制场强应为电晕场强的85%，因此管件表面工作控制的电场强度应为23kV mm以下。
3 252kV快速断路器电场**
3.1、均衡装置无电位分布和电场分布
无均衡装置的快速断路器的电场强度和电位分布如图6所示。 从图6（a）可以看出，没有电压均衡装置的快速断路器的最大电场强度为445kV mm，远远超过计算的23kV mm发育迟缓场强。 从电场强度分布图可以看出，电场集中在控制柜边缘，因此本文主要重点介绍控制柜周围均压装置的优化。
图6 无压力均衡的快速断路器的电场强度和电位分布。
3.2、均衡装置结构参数对电场分布的影响
为了探究均衡装置的最优结构和参数，研究了不同管径和安装距离对管母均衡器和半圆形均衡装置电场强度的影响。 原压力均压装置采用半圆形结构，其结构及安装参数见表4。
表4 原半圆均压装置结构及安装参数
图 7 显示了两个快速断路器在不同管径下的最大电场强度。 从图7可以看出，随着管径的增大，安装有半圆均压装置的快速断路器W和安装有管母式均压装置的快速断路器W的最大电场强度逐渐减小。
其中，对于带有半圆形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，当管径为50mm、55mm和60mm时，最大电场强度的下降趋势不明显，均在2约5kv mm。 随着管径的增大，最大电场强度逐渐减小，当管径大于40mm时，电场强度已满足2要求为3kV mm以下。
图7 两种快速断路器在不同管径下的最大电场强度。
图8显示了两种快速断路器在相同管径和不同安装距离下的最大电场强度。 从图8可以看出，当安装距离逐渐增大时，安装有半圆形均压装置的快速断路器的最大电场强度逐渐减小，而当安装距离增加到大于40mm时，最大电场强度不再明显降低，在2约55kV mm，不符合规定的允许场强23kV mm要求。
图8 两种快速断路器在相同管径和不同安装距离下的最大电场强度。
随着管母式均衡装置安装距离的增加，快速断路器的最大电场强度随着安装距离的增加而逐渐减小，当安装距离大于55 mm时，最大电场强度变化不明显，稳定在2约1kv mm，满足23kV mm要求。
3.3、均压装置的优化配置
根据以上分析可以看出，采用半圆形均压装置增大管径和安装距离，不能有效将最大电场强度降低到2允许场强为3kV mm以下，因此优选管母式均衡装置。 考虑到成本和结构强度，首选管径小、安装距离小的方案，因此快速断路器均衡装置的最优配置方案见表5。
表5 快速断路器均衡装置的最优配置方案
3.4.绝缘测试
将优化后的均衡装置组装成252kV快速断路器，并进行绝缘测试，如图9所示。
图9 绝缘测试设备。
直流耐压试验：串联断口处于闭合状态，断口接直流耐压设备的高压端，底部接地，铜排接地。 施加的直流耐压为341kV，试验持续60min，正负极性各1次。 直流耐压试验后，如果不可复位绝缘上没有发生破坏性放电，则通过直流耐压试验。
局部放电试验：耐久性试验完成后，设备外加电压为负极性电压，进行30min耐压试验。 在整个试验过程中，按照GB T 7354-2018的相关要求进行局部放电的测量。 测试标准如下：在最后一次极性转换完成后的最后29分钟内，观察到大于1000pc的局部放电脉冲不超过29个，最近10分钟内观察到大于500pc的局部放电脉冲不超过10个。
直流耐压试验后，不可复位绝缘上无破坏性放电。 局部放电测试结果如表6所示，最近29分钟内有16个局部放电脉冲大于1000pc，最近10分钟内有4个局部放电脉冲大于500pc，均满足局部放电要求。
表6 局部放电试验结果
4 结论
采用有限元计算方法对比分析了快速断路器不同均衡结构和参数的电场分布，得到了不同结构、不同尺寸和安装距离下的最大电场强度，具体结论如下
1）快速断路器产生的电场集中现象部分主要是操作机构箱的拐角处，通过安装优化的管母式均衡装置，可以将最大电场强度从4提高到445kV mm 低至 2在3kv mm以下，比相同管径下安装的半圆形均衡装置的最大电场强度高3倍05kV mm减少约246%。
2）通过对不同结构参数**的均压装置的比较，发现两种结构下的最大电场强度会随着管径和安装距离的增加而减小，达到一定值后，管径和安装距离会继续增大，最大电场强度不再明显下降。
3）通过比较不同结构参数下的最大电场强度，得到快速断路器均衡装置的最优配置方案：选用管母式均衡装置，管径为40mm，安装距离为20mm，最大电场强度为221kV mm，满足23kV mm要求，并通过测试验证。
研究成果发表于《电气技术》2024年第9期，题目为“252kV快速断路器均衡系统优化研究”，作者为王志勇、韩玉辉等。