穿墻套管絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析

鄭 麗，王思潤

（1.天水師范學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，甘肅 天水 741001；2.天水長城開關(guān)廠有限公司，甘肅 天水 741000）

隨著我國鐵道牽引系統(tǒng)的迅速發(fā)展，市場對牽引供電設(shè)備的安全性和可靠性提出了更高的要求。環(huán)氧樹脂作為一種有機(jī)絕緣材料，具有電氣絕緣性能好、熱固化性佳的特點(diǎn)，[1]尤其是在凝澆過程中其特有的柔順性能夠使材料自然均勻流動到模具型腔的各個環(huán)節(jié)，使得固化成型的產(chǎn)品具有很高的致密性和較高的機(jī)械強(qiáng)度。近些年，隨著環(huán)氧樹脂加工工藝的不斷完善，尤其是環(huán)氧壓力凝澆工藝（APG工藝）技術(shù)水平的不斷發(fā)展，使得環(huán)氧樹脂制成的絕緣產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了環(huán)氧澆注品的絕緣性能。在鐵道牽引系統(tǒng)中，所使用的電壓往往比較高，使用中極易產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，[2]會對系統(tǒng)的絕緣澆注品部件尤其是穿墻套管的絕緣質(zhì)量和壽命產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而威脅整體設(shè)備的安全性及可靠性。目前，生產(chǎn)企業(yè)一般會采用均壓環(huán)方式來提高穿墻套管的絕緣質(zhì)量和壽命，但由于各廠家所使用的均壓環(huán)的方式不盡相同，產(chǎn)生的效果也不一樣。本文綜合考慮設(shè)計鐵道牽引系統(tǒng)用穿墻套管時作用電極面積、表面處理、電場分布和表面閃絡(luò)等因素產(chǎn)生的影響，基于ANSYS12.0對均壓環(huán)的布置和形狀等因素進(jìn)行了分析，以其達(dá)到改善穿墻套管電場的優(yōu)化。

1 穿墻套管絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

在穿墻套管的電氣絕緣設(shè)計中，絕緣設(shè)計的兩大主要要素是均壓屏蔽罩與安裝點(diǎn)絕緣和外絕緣。[3]

均壓屏蔽罩與安裝點(diǎn)絕緣對確定穿墻套管的基本絕緣特性很重要。本文是通過電場計算和優(yōu)化過程獲得優(yōu)化設(shè)計變量并介紹確定優(yōu)化值的因素，恰當(dāng)選擇需優(yōu)化的設(shè)計變量，設(shè)計穿過穿墻套管帶電導(dǎo)體的形狀和均壓屏蔽罩的形狀，如圖1所示。

圖1 穿墻套管設(shè)計的基本原理

2 穿墻套管絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 計算模型和電場分析

首先，根據(jù)穿墻套管設(shè)計的模型，計算模型中電場分布，如圖2所示。在對導(dǎo)體施加100%電壓并使安裝板接地的條件下進(jìn)行了計算，由于在高壓屏蔽罩弧形面處的場強(qiáng)最大，考慮到擊穿場強(qiáng)的面積效應(yīng)首先應(yīng)減少最大場強(qiáng)。

2.2 屏蔽罩形狀確定

圖2 穿墻套管的電場分布

圖3 考慮擊穿場強(qiáng)面積效應(yīng)的絕緣優(yōu)化的概念

按照上述優(yōu)化概念，采用ANSYS12.0分別對受作用體面積的改變作了電場場強(qiáng)分析，得出改變受作用體面積后最大場強(qiáng)值，如表1所示。

表1 受作用體面積和最大場強(qiáng)的比較

從表1中可以看出隨著受作用面積的減小，最大場強(qiáng)逐漸在增加。

2.3 導(dǎo)體電極形狀的優(yōu)化

導(dǎo)體電極形狀對穿墻套管的電場分布起著比較重要的作用，由于本文中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的穿墻套管是關(guān)于軸對稱的旋轉(zhuǎn)模型，如將導(dǎo)體的形狀也采用軸對稱旋轉(zhuǎn)形狀，將會使得導(dǎo)體產(chǎn)生的場強(qiáng)不均勻性減小到最小。此處模型中導(dǎo)體采用的是矩形形狀，作為固定的已知條件，因此，本文不對導(dǎo)體形狀對電場的影響進(jìn)行探討，而主要對均壓屏蔽罩的形狀和位置需要作進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.4 均壓屏蔽罩形狀和位置的優(yōu)化分析

2.4.1 高低屏蔽罩之間位置與場強(qiáng)的關(guān)系

圖4 高低壓屏蔽罩之間位置與場強(qiáng)的關(guān)系

首先，對高低壓作用體的位置依次增大，觀察最大場強(qiáng)的變化情況（此處場強(qiáng)ANSYS12.0分析得出）。如圖4所示，隨著位置逐漸的增大，最大場強(qiáng)逐漸減小。

2.4.2 高低壓屏蔽罩形狀的優(yōu)化

高低壓屏蔽罩端部形狀的優(yōu)化設(shè)計也很重要。通過減小屏蔽罩端部的最大場強(qiáng)，預(yù)計高低壓屏蔽罩之間的放電和沿穿墻套管表面的放電，這兩種放電通道的擊穿電壓會升高。

高低壓屏蔽罩端部的形狀選擇3個半徑曲率的一組值來近似，如圖5所示。在該圖中，參數(shù)Rb從初始值Rb0開始變化。Ra和Rc也根據(jù)Rb的變化而變化。

對于小的Rb最大場強(qiáng)出現(xiàn)在點(diǎn)B處（θ=2700）。這是因?yàn)辄c(diǎn)B直接面對具有小間隙距離的位置。另外，對大的Rb，由于大的Rb導(dǎo)致大比率的Rb/Rc，所以最大場強(qiáng)出現(xiàn)在兩個曲率半徑的互聯(lián)點(diǎn)B的周圍。這種在互聯(lián)點(diǎn)處曲率半徑的“不連續(xù)性”使得其周圍有較高的場強(qiáng)。因此，Rb中間值的選擇導(dǎo)致高低壓屏蔽罩上出現(xiàn)最小的最大場強(qiáng)和均勻的電場分布。

圖4 高低壓屏蔽罩端部的形狀

3 結(jié) 論

本文對于穿墻套管的絕緣性能進(jìn)行了優(yōu)化分析，研究了高低壓屏蔽罩的形狀、位置以及高低壓屏蔽罩端部的形狀等因素的影響，優(yōu)化分析中考慮到了面積效應(yīng)。最終優(yōu)化結(jié)果如下：

第一，通過改變高低壓作用體的面積，可有效降低最大場強(qiáng)數(shù)值。

第二，改變高低壓屏蔽罩之間的距離，可有效降低最大場強(qiáng)的數(shù)值。

第三，通過合理地選取高低壓屏蔽罩端部的曲率會使電場分布的更均勻并降低高低壓屏蔽罩端部的最大場強(qiáng)。

[1]曹文斌.環(huán)氧樹脂絕緣件在電力設(shè)備中的應(yīng)用[J].電氣制造，2009，(12)：28-29.

[2]羅志波，張躍庭.環(huán)氧樹脂在高壓電器絕緣中的應(yīng)用[J].山東化工，2011，(40)：96-97.

[3]周澤存，沈其工.高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4]高攸綱.電磁兼容總論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

[5]《電氣電子絕緣手術(shù)手冊》編輯委員會.電氣電子絕緣技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.