動車組高壓套管電場分布特性研究

張士宇，馬昭鈺，周 博，郭英強(qiáng)

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春130062）

動車組高壓套管電場分布特性研究

張士宇，馬昭鈺，周 博，郭英強(qiáng)

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春130062）

動車組高壓套管作為連接車載變壓器和車頂高壓電纜的主要絕緣設(shè)備，其可靠性直接影響動車組的運行可靠性?；贏NSYS有限元軟件分析了高壓套管的電場分布特性，通過分析高壓套管的電位和電場分布情況，掌握工作狀態(tài)下高壓套管的工作特性。結(jié)果表明，高壓套管內(nèi)置的金屬屏蔽網(wǎng)可以改善接地法蘭附近的電場分布，但內(nèi)置的金屬屏蔽網(wǎng)邊緣附件的電場強(qiáng)度分布較大，一旦出現(xiàn)網(wǎng)壓過高時，金屬屏蔽網(wǎng)上下邊緣處可能是最先發(fā)生局部放電，甚至絕緣擊穿，因此可以通過合理選擇高壓套管的耐壓等級或合理優(yōu)化套管結(jié)構(gòu)降低高壓套管的故障率，提高動車組運行的安全可靠性。

高壓套管；電場；局部放電

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，動車組安全可靠運行是車輛運營維護(hù)的重點。針對動車組車頂高壓系統(tǒng)的研究也得到了人們的關(guān)注[1-2]。動車組高壓套管，作為連接車載變壓器和高壓電纜的高壓器件，是動車組的重要絕緣設(shè)備之一，其可靠性直接影響著動車組的正常運行。動車組高壓套管已經(jīng)成為影響電氣化鐵路安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。

高壓套管連接車載變壓器與車頂高壓電纜，動車組高壓套管與電力系統(tǒng)用高壓套管在應(yīng)用環(huán)境上略有差別，動車組高壓套管工作環(huán)境更為復(fù)雜，動車組過分相區(qū)時，主斷路器由閉合到斷開，以及由斷開到閉合過程中，因線路與車輛自身參數(shù)的作用會產(chǎn)生諧振過電壓，過高的諧振過電壓可能會導(dǎo)致車載高壓電氣設(shè)備出現(xiàn)閃絡(luò)甚至放電現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)絕緣設(shè)備損壞等問題，影響車輛的安全可靠運行。結(jié)合現(xiàn)有研究成果[3-7]，筆者重點分析了車用高壓套管的電場分布特性，通過對比分析不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)下高壓套管的電場分布情況，研究高壓套管的電位和場強(qiáng)分布特性，掌握高壓套管的電場分布特性，為車用高壓套管的設(shè)計、選型、維護(hù)提供一定參考。

1 車用高壓套管電場分析模型

高壓套管的2D模型忽略牽引變壓器箱體和T型頭的影響，只針對高壓套管本身，計算高壓套管及周圍相對較小范圍內(nèi)電場分布，可考慮高壓套管的細(xì)節(jié)，如高壓套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)對其電場分布的影響[3-4]。

電磁場的基本理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組，為了便于分析，筆者利用有限元軟件ANSYS內(nèi)置相關(guān)算法進(jìn)行電場分析，高壓套管的電場分布特點：電場分布軸對稱，其求解可歸結(jié)為二維軸對稱靜電場邊值問題[4]，其電位的拉普拉斯方程為

邊界條件一般為第一和第二類條件[4]：

車用高壓套管的2D模型見圖1。筆者對比高壓套管內(nèi)屏蔽層的作用，分析不同內(nèi)屏蔽設(shè)置情況下，高壓套管的電場分布特性。高壓套管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 高壓套管的模型圖Fig.1 Model of two kinds of high voltage insulation bushing

表1 高壓套管的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The technical parameters of high voltage insulation bushing mm

建模時，高壓套管的尺寸都參照實際的車用高壓套管，對于高壓套管芯棒和外部絕緣材料的介電常數(shù)，不同高壓套管的計算所取的數(shù)值隨具體產(chǎn)品不同而略有差異，但總體上都是芯棒的介電常數(shù)大于外部絕緣材料[3]。高壓套管各組成介電常數(shù)和導(dǎo)電率取值見表2。

表2 高壓套管各組成部分的材料屬性Table 2 The material properties of the high voltage insulation bushing

車頂絕緣子工作電壓為25 kV工頻電壓，選取高壓套管額定電壓等級為36 kV。工頻電場的電壓頻率為50 Hz，相對較低，故電場計算中沒有采用靜電場，而是用諧波準(zhǔn)靜態(tài)場進(jìn)行計算。

2 高壓套管的電位分布

如圖2所示為高壓套管的電位分布圖。

圖2 高壓套管的電位分布圖Fig.2 The potential distribution of high voltage insulation bushing

圖3 高壓套管沿面電位分布Fig.3 The surface potential distribution of high voltage insulation bushing

由高壓套管電位分析結(jié)果可知，高壓套管的電位沿兩端向中間接地法蘭逐漸變化，接近接地法蘭處，顏色變化非?？?。因此，由圖2可知高壓套管高壓端電位下降比較快，高壓端承受的電壓較高，而接地法蘭處，顏色變化相對較慢，電位下降比較緩慢。通過對比內(nèi)置接地屏蔽網(wǎng)可知，增加內(nèi)置屏蔽網(wǎng)后，接地法蘭附件的內(nèi)部電位分布得到了改善。

為進(jìn)一步對比分析高壓套管的電位分布差異，兩種高壓套管的沿面電位分布曲線見圖3。

通過對比圖3（a）和 3（b）可知，兩種情況下的沿面電位分布趨勢不同，無接地屏蔽網(wǎng)時，電位沿表面至接地法蘭處逐漸降低，均是中間部分電位變化較快。增加接地屏蔽網(wǎng)后，沿面電位分布發(fā)生了變化，接地法蘭處電位基本降到很低，接地法蘭附件電位變化較小。

3 高壓套管的電場強(qiáng)度分布

高壓套管的電場強(qiáng)度分布見圖4。

由圖4（a）可知，無接地屏蔽網(wǎng)的高壓套管的最大場強(qiáng)出現(xiàn)在接地法蘭與箱體接觸處，高壓套管的最大場強(qiáng)為8.14×106V/m。帶接地屏蔽網(wǎng)高壓套管的中間電場趨近于均勻變化，接地屏蔽網(wǎng)明顯改善了高壓套管中間電場的分布，最大場強(qiáng)出現(xiàn)在接地屏蔽網(wǎng)邊緣處，帶接地屏蔽網(wǎng)的最大場強(qiáng)為8.32×106V/m。接地屏蔽網(wǎng)可以改善高壓套管的電場分布，但動車組運行環(huán)境復(fù)雜，受到外部雷電過電壓及操作過電壓等因素的影響，為了提高動車組運行的可靠性，會適當(dāng)提高高壓部件的額定電壓等級，但因動車組車上安裝空間限制，高壓套管的尺寸不能有過大改動，因此需要從內(nèi)部對高壓套管進(jìn)行優(yōu)化，通過改變接地屏蔽網(wǎng)的位置、大小以及增加屏蔽環(huán)可以進(jìn)一步改善高壓套管的內(nèi)部電場分布[3-6]，筆者通過仿真分析，進(jìn)一步分析了接地屏蔽網(wǎng)材質(zhì)對高壓套管內(nèi)部電場分布的影響，接地屏蔽網(wǎng)相對介電常數(shù)ε與高壓套管內(nèi)部最大場強(qiáng)的關(guān)系見圖5。

圖4 高壓套管的電場強(qiáng)度分布圖Fig.4 The electric field intensity distribution of high voltage insulation bushing

圖5 高壓套管最大場強(qiáng)與接地屏蔽網(wǎng)相對介電常數(shù)關(guān)系Fig.5 The relationship between high voltage insulation bushing electric field intensity and relative dielectric constant of inner-grounded electrode

由圖5可知，接地屏蔽網(wǎng)的相對介電常數(shù)對高壓套管的最大場強(qiáng)有一定的影響，當(dāng)接地屏蔽網(wǎng)所選材料相對介電常數(shù)較高時，高壓套管的最大場強(qiáng)變化較小，僅改變了電場的分布。而隨著降低接地屏蔽網(wǎng)的相對介電常數(shù)的降低，高壓套管的最大電場強(qiáng)度也會降低。因此，當(dāng)高壓套管尺寸受到限制時，如動車組高壓套管安裝空間有限，可以通過改變高壓套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過合理設(shè)置接地屏蔽網(wǎng)的尺寸及位置，并且合理選擇接地屏蔽網(wǎng)的材料，可以滿足在不改變高壓套管外形尺寸的前提下，提高高壓套管的絕緣性能。

4 結(jié)論

高壓套管結(jié)構(gòu)的不同，不僅會影響其電場分布，不同結(jié)構(gòu)對高壓套管最大場強(qiáng)分布也有一定的影響。筆者采用ANSYS軟件進(jìn)行兩種不同內(nèi)部構(gòu)造車用高壓套管進(jìn)行了仿真計算，得出以下結(jié)論：

1）在接地屏蔽網(wǎng)的作用下，車用高壓套管的電位分布發(fā)生了變化，改善了高壓套管中部與箱體接觸處的電位分布。

2）在接地屏蔽網(wǎng)的作用下，車用高壓套管的內(nèi)部電場強(qiáng)度分布也得到了改善，通過對比分析兩種結(jié)構(gòu)下高壓套管的最大電場強(qiáng)度可知，合理選擇接地屏蔽網(wǎng)，可以進(jìn)一步改善高壓套管的最大電場強(qiáng)度。

綜上所述，通過分別對比兩種結(jié)構(gòu)高壓套管電位和電場分布可知，增加接地屏蔽網(wǎng)可以改善高壓套管的電位和場強(qiáng)分布，但接地屏蔽網(wǎng)邊緣處也會產(chǎn)生最大場強(qiáng)，當(dāng)出現(xiàn)操作過電壓或外部過電壓時，接地屏蔽網(wǎng)邊緣處容易發(fā)生局部放電，甚至是絕緣失效導(dǎo)致?lián)舸煞治隹芍?，通過合理設(shè)置高壓套管接地屏蔽網(wǎng)的材料、結(jié)構(gòu)，可以提高高壓套管的絕緣性。因此，高壓套管設(shè)計、選型時，應(yīng)全面考慮結(jié)構(gòu)對其電氣特性的影響，以保證系統(tǒng)的安全可靠性。

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Research on the Electric Field Distribution Characteristics of EMU High Voltage Insulation Bushing

ZHANG Shiyu， MA Zhaoyu， ZHOU Bo， GUO Yingqiang
（CRRC Changchun Railway Vehicle Co.， Ltd.， Jilin 130062， China）

EMU High Voltage Insulation Bushing as the main insulation equipment which connect train-mounted transformer and roof high voltage cable，its reliability direct influence the operational reliability of EMU.The electric field distribution Characteristics of high voltage insulation bushing were analyzed based on ANSYS Finite Element Software，through analysis on the electric field distribution and electric potential of high voltage bushing，the working characteristic of high voltage bushing in operation mode was obtained.The results indicate that the inner-metal shielding net of high voltage bushing changes the electric field distribution around the grounded flange，however，the electric field distribution around the edge of inner-metal shielding net is higher， when the voltage is increased， the top and bottom edges of inner-metal shielding net will partial discharge firstly，even insulation failure.So through selecting the appropriate voltage level and Reasonable optimizing the structure of high voltage bushing，the failure rate of high voltage bushing could be reduced to improve the safe reliability of EMU.

high voltage insulation bushing； electric field； partial discharge

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.030

2015-12-30

張士宇 （1988—），男，工程師，碩士，研究方向為軌道客車高壓系統(tǒng)及牽引系統(tǒng)測試研究。