基于有限元的動(dòng)車組高壓隔離開(kāi)關(guān)均壓環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

律方成　張兆華　汪佛池，2

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))　北京　102206 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院　北京　100192)

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基于有限元的動(dòng)車組高壓隔離開(kāi)關(guān)均壓環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

律方成1張兆華1汪佛池1，2

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))北京102206 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院北京100192)

為控制動(dòng)車組高壓隔離開(kāi)關(guān)用絕緣子及金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)，運(yùn)用有限元軟件ANSYS分析了配置均壓環(huán)前后動(dòng)車組高壓隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布情況。從控制場(chǎng)強(qiáng)最大值的角度給出了合理的均壓環(huán)參數(shù)，并通過(guò)紫外成像儀觀測(cè)高壓隔離開(kāi)關(guān)優(yōu)化前后電暈放電的變化過(guò)程，得出以下結(jié)論：配置均壓環(huán)后可有效改善絕緣子沿面電場(chǎng)分布，降低絕緣子及金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)，有利于防止電暈放電，提高絕緣子運(yùn)行的可靠性；改變均壓環(huán)環(huán)徑和安裝高度可明顯改善絕緣子及金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)，管徑主要影響均壓環(huán)表面的最大場(chǎng)強(qiáng)；相同試驗(yàn)電壓下，配置均壓環(huán)后高壓隔離開(kāi)關(guān)電暈放電強(qiáng)度明顯減弱。

有限元?jiǎng)榆嚱M隔離開(kāi)關(guān)均壓環(huán)電場(chǎng)

0　引言

絕緣子是動(dòng)車組車頂重要元器件，起著電氣絕緣和機(jī)械固定的作用，它的可靠性直接影響動(dòng)車組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1，2]。動(dòng)車組高壓隔離開(kāi)關(guān)用復(fù)合絕緣子由于其外形特點(diǎn)及金具結(jié)構(gòu)使得電位分布不均，電場(chǎng)強(qiáng)度(以下簡(jiǎn)稱場(chǎng)強(qiáng))集中。當(dāng)絕緣子和金具表面場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)電暈起始場(chǎng)強(qiáng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電暈放電，進(jìn)而會(huì)對(duì)電磁環(huán)境及絕緣材料產(chǎn)生影響[3-5]。均壓環(huán)可以改善絕緣子的電位分布和降低高電場(chǎng)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)[6-11]，為了經(jīng)濟(jì)有效地降低絕緣子表面的最大場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)抑制均壓環(huán)自身電暈放電的產(chǎn)生，需要對(duì)均壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6，7]基于三維有限元-邊界元耦合算法和子域模型法準(zhǔn)確計(jì)算絕緣子軸向以及均壓環(huán)表面電位及電場(chǎng)分布，通過(guò)改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化了特高壓懸式復(fù)合絕緣子的均壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)，討論了環(huán)徑和罩深對(duì)電場(chǎng)分布的影響，綜合考慮各個(gè)因素的影響給出了最優(yōu)組合方式。文獻(xiàn)[8,9]采用靜態(tài)電場(chǎng)三維有限元模型計(jì)算了35 kV及1 000 kV復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)，基于隨機(jī)搜索法和粒子群算法的優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化了均壓環(huán)的環(huán)徑、管徑和環(huán)的抬高距，有效減小了護(hù)套和端部芯棒處的場(chǎng)強(qiáng)。文獻(xiàn)[10]以絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)最小和均壓環(huán)表面不出現(xiàn)電暈放電為優(yōu)化目標(biāo)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)均壓環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效避免了窮舉算法的工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]研究了覆冰復(fù)合絕緣子電位分布及合理的均壓環(huán)參數(shù)的選擇。

由以上研究成果可知，仿真分析主要集中于電力系統(tǒng)用絕緣子，對(duì)動(dòng)車組車頂絕緣子電位及電場(chǎng)分布研究較少，也未針對(duì)該絕緣子提出合理的均壓環(huán)參數(shù)。本文基于有限元軟件ANSYS，建立考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)車組三維電場(chǎng)仿真模型，分析配置均壓環(huán)的動(dòng)車組高壓隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布情況，以最大場(chǎng)強(qiáng)為依據(jù)確定均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過(guò)紫外成像儀對(duì)優(yōu)化前后的電暈放電過(guò)程進(jìn)行了記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了仿真的可信度。

1　三維電場(chǎng)仿真模型

配置均壓環(huán)的動(dòng)車組高壓隔離開(kāi)關(guān)用絕緣子三維電場(chǎng)仿真模型如圖1所示。圖中距離導(dǎo)桿較近的絕緣子編號(hào)為2，距離較遠(yuǎn)的編號(hào)為1，從高壓端至低壓端將傘裙依次標(biāo)為1～7。復(fù)合絕緣子型號(hào)為FZ-270，材料為具有優(yōu)異憎水性能的環(huán)氧樹(shù)脂，硬度高，可滿足車頂力學(xué)性能要求。結(jié)構(gòu)高度為400 mm，一大一中兩小傘形，動(dòng)車組所加單相交流電，其周期遠(yuǎn)小于介質(zhì)的弛豫時(shí)間，因此可采用靜電場(chǎng)的方法求解計(jì)算[12，13]，計(jì)算中采用強(qiáng)制為零法模擬無(wú)限求解域[14]。在高壓端金屬表面施加車頂絕緣子承受的最大瞬時(shí)電壓幅值35 kV，在低壓端金屬表面施加零電位。

圖1　配置均壓環(huán)的高壓隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)仿真模型Fig.1　Simulation model of high voltage disconnector insulators with grading ring

高壓隔離開(kāi)關(guān)均壓環(huán)參數(shù)如圖2所示。圖中R、r分別為均壓環(huán)的環(huán)徑及管徑，h為均壓環(huán)相對(duì)于絕緣子上法蘭端部的距離。均壓環(huán)的設(shè)計(jì)無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，文中設(shè)計(jì)依據(jù)主要是將金具及絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)控制在工程允許的范圍內(nèi)[15，16]。工程中一般規(guī)定絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)0.45 kV/mm、均壓環(huán)表面場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)2.2 kV/mm就會(huì)產(chǎn)生電暈放電[17，18]。

圖2　高壓隔離開(kāi)關(guān)絕緣子均壓環(huán)參數(shù)Fig.2　Grading ring parameters of high voltage disconnector insulators

2　均壓環(huán)參數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布的影響

均壓環(huán)應(yīng)具有合理的外形結(jié)構(gòu)，能夠控制絕緣子和金具表面電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)其自身電場(chǎng)強(qiáng)度也不能過(guò)高。為得到均壓環(huán)的最優(yōu)配置方案，分析了當(dāng)均壓環(huán)環(huán)徑、管徑、高度3種因素變化時(shí)絕緣子、金具及其均壓環(huán)表面最大場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律。由于每個(gè)均壓環(huán)對(duì)其相鄰絕緣子最大場(chǎng)強(qiáng)影響較小且參數(shù)的變化對(duì)各個(gè)絕緣子場(chǎng)強(qiáng)影響規(guī)律一致，因此僅分析均壓環(huán)參數(shù)變化對(duì)1#絕緣子電場(chǎng)分布的影響。

2.1高度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

均壓環(huán)安裝高度h影響復(fù)合絕緣子表面電場(chǎng)分布及其干弧距離。h過(guò)低會(huì)縮短其干弧距離，導(dǎo)致其沖擊擊穿電壓降低；h過(guò)高會(huì)降低均壓環(huán)對(duì)絕緣子的屏蔽作用，表面場(chǎng)強(qiáng)升高，因此需要選擇合適的安裝高度。表1是均壓環(huán)環(huán)徑為105 mm、管徑為18 mm，絕緣子均壓環(huán)安裝高度變化時(shí)絕緣子、金具以及均壓環(huán)表面的場(chǎng)強(qiáng)最大值。由表1可知，安裝高度的改變對(duì)絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)有較大影響，隨著安裝高度的增加，絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)最大值逐漸增大，對(duì)金具及均壓環(huán)表面最大場(chǎng)強(qiáng)基本無(wú)影響，考慮到動(dòng)車時(shí)速及電暈起始場(chǎng)強(qiáng)，建議安裝高度低于80 mm。

表1　均壓環(huán)高度變化時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大值Tab.1　The maximum electrical strength with variable height of grading ring

2.2環(huán)徑對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

表2是均壓環(huán)管徑為10 mm、高度70 mm，絕緣子均壓環(huán)環(huán)徑變化時(shí)絕緣子、金具及均壓環(huán)表面的場(chǎng)強(qiáng)最大值。由表2可知，環(huán)徑的變化對(duì)絕緣子及金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)影響較大，對(duì)均壓環(huán)自身表面最大場(chǎng)強(qiáng)基本無(wú)影響；隨環(huán)徑的增大，絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)顯著降低，金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)也略有減小，考慮到動(dòng)車時(shí)速及電暈起始場(chǎng)強(qiáng)，建議環(huán)徑應(yīng)在115～125 mm。

2.3管徑對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

表3是均壓環(huán)高度為80 mm、環(huán)徑為105 mm，均壓環(huán)管徑變化時(shí)絕緣子、金具以及均壓環(huán)表面的場(chǎng)強(qiáng)最大值。由表3可知，管徑的變化對(duì)均壓環(huán)表面最大場(chǎng)強(qiáng)影響較大，對(duì)絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)略有影響，對(duì)金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)影響較小。隨管徑增大，絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)略有降低，均壓環(huán)表面最大場(chǎng)強(qiáng)急劇減小，由于電壓等級(jí)較低，均壓環(huán)表面最大場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于電暈起始場(chǎng)強(qiáng)。因此管徑的選擇應(yīng)盡可能地節(jié)約成本并利于動(dòng)車高速運(yùn)行，考慮到均壓環(huán)的負(fù)重和經(jīng)濟(jì)效益，建議管徑取20 mm。

表2　均壓環(huán)環(huán)徑變化時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大值Tab.2　The maximum electrical strength with variable external diameter of grading ring

表3　均壓環(huán)管徑變化時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大值Tab.3　The maximum electrical strength with variable tube diameter of grading ring

3　均壓環(huán)優(yōu)化配置及試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)以上均壓環(huán)參數(shù)對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)影響的分析，取環(huán)徑為115 mm、管徑為20 mm、高度為80 mm，對(duì)該高壓隔離開(kāi)關(guān)絕緣子進(jìn)行校核計(jì)算。均壓環(huán)優(yōu)化前后高壓隔離開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布云圖如圖3所示。由圖可知，優(yōu)化前，最大場(chǎng)強(qiáng)位于高壓隔離開(kāi)關(guān)的刀開(kāi)關(guān)連接螺栓處，數(shù)值為1.919 kV/mm，優(yōu)化后最大場(chǎng)強(qiáng)位置不變，數(shù)值為1.580 kV/mm，降低17.7%。

表4是配置均壓環(huán)前后絕緣子及金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)。由表4可知，優(yōu)化前1#絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)電暈起始場(chǎng)強(qiáng)，易引發(fā)電暈放電；2#絕緣子及金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)并未超過(guò)電暈起始場(chǎng)強(qiáng)，但動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中承受沖擊性負(fù)荷，升降弓作業(yè)時(shí)將產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓，引起局部放電。通過(guò)均壓環(huán)優(yōu)化后，1#及2#絕緣子最大場(chǎng)強(qiáng)分別下降37.84%及28.26%。

表4　配置均壓環(huán)前后場(chǎng)強(qiáng)最大值Tab.4　The maximum electrical strength of high voltage disconnector insulators with or without grading ring　(單位：kV/mm)

均壓環(huán)優(yōu)化前后高壓隔離開(kāi)關(guān)電暈放電形態(tài)如圖4所示。從圖中放電光斑及光子數(shù)可以看到，施加65 kV工頻電壓時(shí)，高壓隔離開(kāi)關(guān)頂部金具處發(fā)生明顯的電暈放電現(xiàn)象，經(jīng)均壓環(huán)優(yōu)化后，相同試驗(yàn)電壓下，優(yōu)化后的高壓隔離開(kāi)關(guān)電暈放電強(qiáng)度明顯減弱，施加80 kV的工頻電壓后，高壓隔離開(kāi)關(guān)頂部金具仍未發(fā)生明顯的電暈放電現(xiàn)象。因此，高壓隔離開(kāi)關(guān)金具頂部加裝均壓環(huán)的優(yōu)化方式可降低起暈電壓。

圖4　不同電壓下均壓環(huán)配置前后高壓隔離開(kāi)關(guān)電暈 放電形態(tài)Fig.4　Corona discharge of high voltage disconnector insulators with or without grading ring under different voltage

4　結(jié)論

本文基于有限元分析軟件ANSYS對(duì)動(dòng)車組高壓隔離開(kāi)關(guān)絕緣子進(jìn)行電場(chǎng)仿真計(jì)算及其優(yōu)化，并利用紫外成像儀測(cè)試了優(yōu)化后的電暈放電情況，對(duì)動(dòng)車頂部高壓隔離開(kāi)關(guān)絕緣子通過(guò)均壓環(huán)來(lái)抑制表面最大場(chǎng)強(qiáng)具有一定的指導(dǎo)作用。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1)未配置均壓環(huán)時(shí)，高壓隔離開(kāi)關(guān)絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)為0.666 kV/mm，金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)為1.919 kV/mm。

2)在高壓端配置均壓環(huán)可有效降低金具及絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)，防止電暈放電，提高絕緣子運(yùn)行的可靠性。優(yōu)化后，絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)降低37.84%，金具表面最大場(chǎng)強(qiáng)降低17.7%。

3)通過(guò)仿真計(jì)算可知，均壓環(huán)的環(huán)徑對(duì)絕緣子表面最大場(chǎng)強(qiáng)影響最大，安裝高度次之，管徑的影響最小，均壓環(huán)表面場(chǎng)強(qiáng)主要取決于管徑的大小。

4)利用紫外成像儀觀測(cè)了優(yōu)化前后高壓隔離開(kāi)關(guān)電暈放電強(qiáng)度，均壓環(huán)可使高壓隔離開(kāi)關(guān)在相同的試驗(yàn)電壓下電暈放電強(qiáng)度減弱。

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Design Optimization of Grading Ring for Electric Multiple Unit High Voltage Disconnector Based on FEM

Lü Fangcheng1Zhang Zhaohua1Wang Fochi1，2

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China 2.China Electric Power Research InstituteBeijing100192China)

To control the maximal electric field strength of the electric multiple unit (EMU) high voltage disconnector insulator and fittings surface，the finite element software ANSYS is used to analyze the electric field distributions of EMU high voltage disconnector with/without the grading ring.Then the reasonable parameters of the grading ring are given considering that the electric field strength cannot exceed the corona inception level.The corona discharges of high voltage disconnector insulators with/without the grading ring are observed by ultraviolet imager.The result shows that:when the grading rings are configured at the high pressure end，the electric field distribution at the insulator surface can be effectively improved，the maximal electric strengths at the insulator and fittings surface are reduced，and it is favorable to prevent corona discharge and improve insulator operation reliability;by increasing the height and external diameter of the grading ring，the maximal electric strength at the insulator and fittings surface can be evidently improved，and the tube diameter of the grading ring notably impacts the surface maximal electric strength of the grading ring itself;the corona discharge the EMU high voltage disconnector insulator with grading ring is evidently weakened in the same text voltage.

Finite element method(FEM)，electric multiple unit (EMU)，disconnector，grading ring，electric field

國(guó)家自然科學(xué)基金(51207055)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(13MS71)資助項(xiàng)目。

2015-06-10改稿日期2015-08-28

U266;TM564.1

律方成男，1963年生，博士，教授，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣機(jī)理、電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷。

E-mail：lfc0818@sohu.com(通信作者)

張兆華男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣機(jī)理。

E-mail：zzhyyy@126.com