学术︱基于有限元的动车组高压隔离开关均压环优化设计

中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。

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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、中国电力科学研究院的研究人员律方成、张兆华、汪佛池，在2016年第19期《电工技术学报》上撰文指出，为控制动车组高压隔离开关用绝缘子及金具表面最大场强，运用有限元软件ANSYS分析了配置均压环前后动车组高压隔离开关电场分布情况，从控制场强最大值的角度给出了合理的均压环参数，并通过紫外成像仪观测高压隔离开关优化前后电晕放电的变化过程。

得出以下结论：配置均压环后可有效改善绝缘子沿面电场分布，降低绝缘子及金具表面最大场强，有利于防止电晕放电，提高绝缘子运行的可靠性；改变均压环环径和安装高度可明显改善绝缘子及金具表面最大场强，管径主要影响均压环表面的最大场强；相同试验电压下，配置均压环后高压隔离开关电晕放电强度明显减弱。

绝缘子是动车组车顶重要元器件，起着电气绝缘和机械固定的作用，它的可靠性直接影响动车组的安全稳定运行[1,2]。动车组高压隔离开关用复合绝缘子由于其外形特点及金具结构使得电位分布不均，电场强度（以下简称场强）集中，当绝缘子和金具表面场强超过电晕起始场强会产生电晕放电，进而会对电磁环境及绝缘材料产生影响[3-5]。均压环可以改善绝缘子的电位分布和降低高电场区域场强[6-11]，为了经济有效的降低绝缘子表面的最大场强，同时抑制均压环自身电晕放电的产生，需要对均压环进行优化设计。

武汉大学基于三维有限元-边界元耦合算法和子域模型法准确计算绝缘子轴向以及均压环表面电位及电场分布，通过改进的遗传算法优化了特高压悬式复合绝缘子的均压环结构参数,讨论了环径和罩深对电场分布的影响,综合考虑各个因素的影响给出了最优组合方式[6-7]。

西安交通大学采用静态电场三维有限元模型计算了 35kV以及1000kV复合绝缘子沿面电场,基于随即搜索法和粒子群算法的优化技术优化了均压环的环径、管径和环的抬高距,有效的减小了护套和端部芯棒处的场强[8-9]。

重庆大学以绝缘子表面最大场强最小和均压环表面不出现电晕放电为优化目标,利用神经网络算法来实现均压环的优化设计,有效的避免了穷举算法的工作量大、耗时长的特点[10]。华南理工大学研究了覆冰复合绝缘子电位分布以及合理的均压环参数的选择[11]。

由以上研究成果可知，仿真分析主要集中于电力系统用绝缘子，对动车组车顶绝缘子电位及电场分布研究较少，也未针对该绝缘子提出合理的均压环参数。

本文基于有限元软件ANSYS，建立考虑实际结构的动车组三维电场仿真模型，分析配置均压环的动车组高压隔离开关电场分布情况，以最大场强为依据确定均压环的结构参数，并通过紫外成像仪对优化前后的电晕放电过程进行了记录，实验结果证明了仿真的可信度。

1 三维电场仿真模型

配置均压环的动车组高压隔离开关用绝缘子三维电场仿真模型如图1所示。图中距离导杆较近的绝缘子编号为2，距离较远的编号为1，从高压端至低压端将伞裙依次标为1~7。复合绝缘子型号为FZ-270，材料为具有优异憎水性能的环氧树脂,硬度高,可满足车顶力学性能要求,结构高度为400mm，一大一中两小伞形，动车组所加单相交流电，其周期远小于介质的弛豫时间，因此可采用静电场的方法求解计算[12,13], 计算中采用强制为零法模拟无限求解域[14],在高压端金属表面施加车顶绝缘子承受的最大瞬时电压幅值35kV ，在低压端金属表面施加零电位。

高压隔离开关均压环参数如图2所示，图中R、r分别为均压环的环径及管径，h为均压环相对于绝缘子上法兰端部的距离。均压环的设计无统一标准，文中设计依据主要是将金具及绝缘子表面最大场强控制到工程允许的范围内[15,16]。工程中一般规定绝缘子表面场强超过0.45kV/mm、均压环表面场强超过2.2kV/mm就会产生电晕放电[17,18]。

图1 配置均压环的高压隔离开关电场仿真模型

图2 高压隔离开关绝缘子均压环参数

2 均压环参数对电场分布的影响

均压环应具有合理的外形结构，能够控制绝缘子和金具表面电场强度，同时其自身电场强度也不能过高。为得到均压环的最优配置方案，分析了当均压环环径，管径，高度三种因素变化时绝缘子，金具及其均压环表面最大场强的变化规律。

由于每个均压环对其相邻绝缘子最大场强影响较小且参数的变化对各个绝缘子场强影响规律一致，因此仅分析均压环参数变化对1#绝缘子电场分布的影响。

2.1高度对电场强度的影响

均压环安装高度影响复合绝缘子表面电场分布及其干弧距离，h过低会缩短其干弧距离，导致其冲击击穿电压降低；h过高会降低均压环对绝缘子的屏蔽作用，表面场强升高，因此需要选择合适的安装高度。表1是均压环环径为105mm，管径为18mm时，绝缘子均压环安装高度变化时绝缘子、金具以及均压环表面的场强最大值。

由表1可知，安装高度的改变对绝缘子表面最大场强有较大影响，随着安装高度的增加，绝缘子表面场强最大值逐渐增大，对金具及均压环表面最大场强基本无影响，考虑到动车时速及电晕起始场强，建议安装高度低于80mm。

表1 均压环高度变化时场强最大值

2.2环径对电场强度的影响

表2是均压环管径为10mm，高度70mm时,绝缘子均压环环径变化时绝缘子、金具以及均压环表面的场强最大值。由表2可知，环径的变化对绝缘子及金具表面最大场强影响较大，对均压环自身表面最大场强基本无影响；随环径的增大，绝缘子表面最大场强显著降低，金具表面最大场强也略有减小，考虑到动车时速及电晕起始场强，建议环径应在115～125mm。

表2 均压环环径变化时场强最大值

2.3管径对电场强度的影响

表3是均压环高度为80mm，环径为105mm时，均压环管径变化时绝缘子、金具以及均压环表面的场强最大值。由表3可知，管径的变化对均压环表面最大场强影响大，对绝缘子表面最大场强略有影响，对金具表面最大场强影响较小，随管径增大，绝缘子表面最大场强略有降低，均压环表面最大场强急剧减小，由于电压等级较低，均匀环表面最大场强远低于电晕起始场强，因此管径的选择应尽可能的节约成本并利于动车高速运行，考虑到均压环的负重和经济效益，建议管径取20mm。

表3均压环管径变化时场强最大值

3 均压环优化配置及实验验证

通过以上均压环参数对最大场强影响的分析，取环径为115mm，管径为20mm，高度为80mm对该高压隔离开关绝缘子进行校核计算。均压环优化前后高压隔离开关电场分布云图如图3所示，由图可知，优化前，最大场强位于高压隔离开关开关闸刀连接螺栓处，数值为1.919kV/mm，优化后最大场强位置不变，数值为1.580kV/mm，降低17.7%。

图3 均压环配置前后高隔表面电场分布

表4 配置均压环前后场强最大值（单位：kV/mm）

表4是配置均压环前后绝缘子及金具表面最大场强，由表可知优化前1#绝缘子表面最大场强超过电晕起始场强，易引发电晕放电，2#绝缘子及金具表面最大场强并未超过电晕起始场强，但是动车组在运行过程中承受冲击性负荷，升降弓作业时，将产生暂态过电压，引起局部放电。通过均压环优化后1#及2#绝缘子最大场强分别下降37.84%及28.26%。

均压环优化前后高压隔离开关电晕放电形态如图4所示，从图中放电光斑及光子数可以看到，施加65kV工频电压时，高隔顶部金具处发生明显的电晕放电现象，经均压环优化后，相同试验电压下，优化后的高压隔离开关电晕放电强度明显减弱，施加80kV的工频电压后，高隔顶部金具仍未发生明显的电晕放电现象，因此，高隔金具顶部加装均压环的优化方式可降低起晕电压。

图4 不同电压下均压环配置前后高压隔离开关电晕放电形态

4 结论

本文基于有限元分析软件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，并利用紫外成像仪测试了优化后的电晕放电情况，对动车顶部高压隔离开关绝缘子通过均压环来抑制表面最大场强具有一定的指导作用。根据计算结果分析得出以下结论：

1）未配置均压环时，高压隔离开关绝缘子表面最大场强为0.666kV/mm，金具表面最大场强为1.919 kV/mm。

2）在高压端配置均压环可有效降低金具及绝缘子表面最大场强，防止电晕放电，提高绝缘子运行的可靠性，优化后，绝缘子表面最大场强降低37.84%，金具表面最大场强降低17.7%。

3）通过仿真计算可知，均压环的环径对绝缘子表面最大场强影响最大，安装高度次之，管径的影响最小，均压环表面场强主要取决于管径的大小。

4）利用紫外成像仪观测了优化前后高隔电晕放电强度，均压环可使高隔在相同的试验电压下电晕放电强度减弱。

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来源：电气技术