25 kV柔性懸掛分段絕緣器電場(chǎng)分析及優(yōu)化研究

韓寶峰，李智凱，閆 濤，田匯冬，彭宗仁

0 引言

電氣化鐵路不同區(qū)段的接觸網(wǎng)一般采用不同的回路進(jìn)行供電，彼此獨(dú)立運(yùn)行并通過(guò)分段絕緣器進(jìn)行連接。分段絕緣器是對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行電分段時(shí)采用的一種絕緣設(shè)備。正常情況下受電弓帶電滑行通過(guò)，當(dāng)某一接觸網(wǎng)分段發(fā)生故障或因施工需要停電時(shí)，斷開(kāi)分段絕緣器處的隔離開(kāi)關(guān)將該部分接觸網(wǎng)斷電，其他部分可保持正常供電。分段絕緣器的作用主要是電氣絕緣以及機(jī)械連接，方便各區(qū)域停電檢修，減小出現(xiàn)故障和事故時(shí)的停電范圍；同時(shí)，其可以使受電弓在通過(guò)不同區(qū)段接觸網(wǎng)交界處時(shí)實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，保障鐵路和地鐵車(chē)輛通過(guò)時(shí)獲得持續(xù)電能供應(yīng)[1～8]。

分段絕緣器在戶外長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中面臨的問(wèn)題主要包括消弧角局部放電、主絕緣積污導(dǎo)致表面閃絡(luò)以及受電弓快速滑過(guò)時(shí)產(chǎn)生電弧等。其中，由于分段絕緣器兩端消弧角長(zhǎng)期承受高電壓、消弧角尖端曲率半徑小，電場(chǎng)在此畸變嚴(yán)重。如果消弧角尖端表面電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定限值，會(huì)導(dǎo)致分段絕緣器發(fā)生局部放電，影響分段絕緣器安全穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是雷電波侵入時(shí)消弧角尖端放電可能導(dǎo)致空氣擊穿，甚至使兩段接觸網(wǎng)之間的絕緣失效，嚴(yán)重時(shí)將危害軌道交通電網(wǎng)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[9～15]。因此，有必要對(duì)分段絕緣器在不同外界條件、運(yùn)行工況下的電氣性能進(jìn)行仿真分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文通過(guò)建立25 kV柔性懸掛分段絕緣器三維模型，利用有限元仿真軟件對(duì)不同供電臂間分段絕緣器進(jìn)行電場(chǎng)計(jì)算，校核各關(guān)鍵部位的表面電場(chǎng)強(qiáng)度，并對(duì)場(chǎng)強(qiáng)集中的區(qū)域提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置方案。

1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 分段絕緣器仿真模型及網(wǎng)格劃分

交流25 kV柔性懸掛分段絕緣器適用于時(shí)速200 km柔性懸掛電分段處，分段長(zhǎng)度為2 900 mm。整體模型如圖1所示。

圖1 交流25 kV柔性懸掛分段絕緣器的整體模型

利用COMSOL Multiphysics對(duì)三維模型進(jìn)行仿真。仿真計(jì)算前，建立足夠大的空氣域?qū)⒎侄谓^緣器包裹其中，含有空氣域的模型如圖2所示，空氣域的尺寸為10 m×3.6 m×3.8 m。

圖2 含空氣域的分段絕緣器仿真模型

進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，對(duì)絕緣子、長(zhǎng)短滑板以及螺栓、螺母、螺釘?shù)燃?xì)節(jié)部位的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。圖3為分段絕緣器的網(wǎng)格剖分圖，總共包含四面體網(wǎng)格單元4 195萬(wàn)個(gè)，平均單元質(zhì)量為0.671 1。

圖3 交流25 kV柔性懸掛分段絕緣器的網(wǎng)格剖分

1.2 材料參數(shù)及邊界條件設(shè)置

分段絕緣器的連接底座、吊架、長(zhǎng)短滑板由金屬構(gòu)成，絕緣主體由硅橡膠絕緣子和玻璃纖維芯棒構(gòu)成，絕緣滑道采用的材料為聚四氟乙烯。各材料的參數(shù)如表1所示[16～18]。

表1 分段絕緣器的各部分材料參數(shù)

進(jìn)行分段絕緣器電場(chǎng)計(jì)算時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置：空氣域的表面接地；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，分段絕緣器的兩側(cè)施加相位相同、幅值為25 kV的電壓；雷電沖擊工況下，分段絕緣器的兩側(cè)施加幅值為160 kV的雷電沖擊波。

2 不同工況下的仿真計(jì)算結(jié)果

考慮穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和雷電沖擊兩種不同工況，分別計(jì)算分段絕緣器的電場(chǎng)分布，并對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度較高、易產(chǎn)生電暈放電的區(qū)域進(jìn)行分析。

2.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，分段絕緣器的兩側(cè)施加相位相同、幅值為25 kV的電壓，空氣域外側(cè)接地，得到分段絕緣器的整體及各關(guān)鍵部位的電勢(shì)、電場(chǎng)分布如圖4～圖7所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)分段絕緣器的整體電勢(shì)、電場(chǎng)分布

圖7 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)兩側(cè)吊索表面電場(chǎng)分布

圖5 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)滑板表面電場(chǎng)分布

圖6 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)消弧角表面電場(chǎng)分布

由仿真結(jié)果可知，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)分段絕緣器的最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在消弧角頂端，大小約為2.19 kV/mm，滑板和吊索的最大場(chǎng)強(qiáng)均在1.5 kV/mm左右。

2.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下計(jì)算結(jié)果海拔校正

在均勻電場(chǎng)下，空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3 kV/mm，且與氣壓、溫度和濕度等環(huán)境因素有關(guān)。分段絕緣器長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行，受空氣濕度的影響較大，因此需考慮濕度對(duì)空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響。當(dāng)氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨濕度變化的曲線如圖8所示。

圖8 空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨濕度變化曲線

由圖8可知，當(dāng)空氣相對(duì)濕度小于45%時(shí)，隨著空氣濕度的增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)顯著降低，由3.35 kV/mm降低至2.8 kV/mm，而當(dāng)空氣相對(duì)濕度大于45%時(shí)，空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨濕度的增加而基本維持在2.8 kV/mm左右。因此，考慮分段絕緣器運(yùn)行時(shí)環(huán)境因素的影響，仿真計(jì)算時(shí)穩(wěn)態(tài)工況下分段絕緣器金屬表面的場(chǎng)強(qiáng)控制值取3 kV/mm。

國(guó)標(biāo)GB/T 2317.2—2008[19]提出，當(dāng)金具用于高海拔地區(qū)時(shí)，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)電壓進(jìn)行海拔修正，修正因數(shù)Ka為

式中：H為海拔高度，km。

該方法以海拔1 km作為校正起點(diǎn)，對(duì)海拔1 km及以下的地區(qū)不進(jìn)行海拔校正。該方法的校正誤差小于10%[20]。正常干燥環(huán)境條件下，海拔1 km及以下地區(qū)的金具起暈場(chǎng)強(qiáng)為3 kV/mm，根據(jù)式（1）得到的分段絕緣器關(guān)鍵金具部分的場(chǎng)強(qiáng)、在干燥環(huán)境條件下不同海拔地區(qū)的起暈場(chǎng)強(qiáng)分別如表2、表3所示。

表2 分段絕緣器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)最大場(chǎng)強(qiáng) kV/mm

表3 干燥環(huán)境條件下的起暈場(chǎng)強(qiáng) kV/mm

由表中結(jié)果看，消弧角滿足海拔3 km及以下地區(qū)的運(yùn)行條件要求，長(zhǎng)、短滑板及吊索滿足海拔5 km的運(yùn)行要求，但由于潮濕天氣下起暈場(chǎng)強(qiáng)會(huì)有一定程度的降低，如圖8所示，因此，該結(jié)構(gòu)地區(qū)分段絕緣器在戶外條件下適用于海拔2 km及以下地區(qū)運(yùn)行，若需要在更高海拔地區(qū)運(yùn)行，則需要對(duì)其消弧角進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 雷電沖擊工況下的計(jì)算結(jié)果

雷電沖擊工況下，分段絕緣器的兩側(cè)施加相位相同、幅值為160 kV的電壓，空氣域外側(cè)接地，得到分段絕緣器的整體及各關(guān)鍵部位的電勢(shì)、電場(chǎng)分布如圖9～圖12所示。

圖9 雷電沖擊工況下分段絕緣器整體電勢(shì)、電場(chǎng)分布

圖10 雷電沖擊工況下滑板表面電場(chǎng)分布

圖11 雷電沖擊工況下消弧角表面電場(chǎng)分布

圖12 雷電沖擊工況下兩側(cè)吊索表面電場(chǎng)分布

由仿真結(jié)果分析可知，發(fā)生雷電沖擊時(shí)，分段絕緣器表面的最大場(chǎng)強(qiáng)為14.0 kV/mm，最大值出現(xiàn)在長(zhǎng)滑板上的消弧角表面。雷電沖擊工況下吊索、滑板及其消弧角尖端上均有較高的場(chǎng)強(qiáng)，即使在平原地區(qū)運(yùn)行，各關(guān)鍵部位的場(chǎng)強(qiáng)仍超過(guò)最小起暈場(chǎng)強(qiáng)（3 kV/mm）的3倍及以上，因此分段絕緣器運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免遭遇雷電沖擊，以免引起設(shè)備故障。

3 分段絕緣器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

為了進(jìn)一步降低消弧角頂端的場(chǎng)強(qiáng)，使分段絕緣器能夠在更高海拔下運(yùn)行并在潮濕氣候下留有一定裕度，對(duì)消弧角頂端進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化方式為增加消弧角頂端的曲率半徑，以降低其場(chǎng)強(qiáng)，因此將消弧角頂端設(shè)計(jì)為球面結(jié)構(gòu)。分別將消弧角頂端結(jié)構(gòu)優(yōu)化為半徑為5 mm及7 mm的球面結(jié)構(gòu)1及結(jié)構(gòu)2，如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的消弧角結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)構(gòu)1仿真計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)1消弧角電場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖14所示。

如圖14所示，將消弧角頂端優(yōu)化為半徑5 mm的球面結(jié)構(gòu)后，長(zhǎng)、短滑板上的消弧角表面最大場(chǎng)強(qiáng)分別為1.794、1.631 kV/mm，各消弧角表面的最大場(chǎng)強(qiáng)相較于優(yōu)化前均有0.4～0.5 kV/mm的降低。

3.3 結(jié)構(gòu)2仿真計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)2消弧角電場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖15所示。

如圖15所示，將消弧角頂端優(yōu)化為半徑7 mm的球面結(jié)構(gòu)后，長(zhǎng)、短滑板上的消弧角表面最大場(chǎng)強(qiáng)分別為1.380、1.313 kV/mm，相較于優(yōu)化前均有0.8～0.9 kV/mm的降低。

圖15 結(jié)構(gòu)2消弧角電場(chǎng)分布

對(duì)比參照2.2節(jié)的分析，根據(jù)優(yōu)化后的仿真計(jì)算結(jié)果，分段絕緣器若要在高海拔環(huán)境下運(yùn)行，建議將消弧角頂端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為半徑5 mm及以上的球面結(jié)構(gòu)，以確保場(chǎng)強(qiáng)處于較低值并為潮濕天氣預(yù)留一定裕度。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了交流25 kV軌道交通牽引供電系統(tǒng)中分段絕緣器電磁場(chǎng)機(jī)理研究。對(duì)分段絕緣器建立三維仿真計(jì)算模型，采用有限元法進(jìn)行網(wǎng)格剖分，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和雷電沖擊工況下的電場(chǎng)仿真計(jì)算，校核各關(guān)鍵部位的表面電場(chǎng)強(qiáng)度，并對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行海拔修正，最后對(duì)消弧角頂端場(chǎng)強(qiáng)集中的區(qū)域提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置方案。結(jié)論如下：

（1）仿真計(jì)算中發(fā)現(xiàn)容易產(chǎn)生電場(chǎng)畸變的關(guān)鍵部位為滑板、消弧角尖端以及吊索上未進(jìn)行倒角的部位。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，三者的最大場(chǎng)強(qiáng)分別為1.57、2.19、1.68 kV/mm。參照海拔修正公式的修正結(jié)果以及潮濕天氣下起暈場(chǎng)強(qiáng)下降的程度分析，該結(jié)構(gòu)的分段絕緣器適用于海拔高度2 km及以下地區(qū)。

（2）160 kV雷電沖擊工況下上述3個(gè)關(guān)鍵部位的場(chǎng)強(qiáng)分別為10.1、14、10.7 kV/mm，均超過(guò)平原地區(qū)最小起暈場(chǎng)強(qiáng)的3倍以上，因此建議分段絕緣器附近安裝避雷裝置使其免受雷電沖擊的影響。

（3）將分段絕緣器消弧角頂端分別優(yōu)化為半徑為5 mm以及7 mm的球面結(jié)構(gòu)后，消弧角頂端穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的最大場(chǎng)強(qiáng)分別下降至1.79、1.38 kV/mm。因此，若需要在更高海拔地區(qū)運(yùn)行，建議將分段絕緣器消弧角頂端結(jié)構(gòu)優(yōu)化為半徑5 mm以上的球面結(jié)構(gòu)。