基于有限元的动车组高压隔离开关均压环优化设计

律方成　张兆华　汪佛池，2

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)　北京　102206 2.中国电力科学研究院　北京　100192)



基于有限元的动车组高压隔离开关均压环优化设计

律方成1张兆华1汪佛池1，2

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)北京102206 2.中国电力科学研究院北京100192)

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。

有限元动车组隔离开关均压环电场

0　引言

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时会产生电晕放电，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]，为了经济有效地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。文献[6，7]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。文献[8,9]采用静态电场三维有限元模型计算了35 kV及1 000 kV复合绝缘子沿面电场，基于随机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，有效减小了护套和端部芯棒处的场强。文献[10]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，利用神经网络算法实现均压环的优化设计，有效避免了穷举算法的工作量大、耗时长的问题。文献[11]研究了覆冰复合绝缘子电位分布及合理的均压环参数的选择。

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400 mm，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35 kV，在低压端金属表面施加零电位。

图1　配置均压环的高压隔离开关电场仿真模型Fig.1　Simulation model of high voltage disconnector insulators with grading ring

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在工程允许的范围内[15，16]。工程中一般规定绝缘子表面场强超过0.45 kV/mm、均压环表面场强超过2.2 kV/mm就会产生电晕放电[17，18]。

图2　高压隔离开关绝缘子均压环参数Fig.2　Grading ring parameters of high voltage disconnector insulators

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3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h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105 mm、管径为18 mm，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80 mm。

表1　均压环高度变化时场强最大值Tab.1　The maximum electrical strength with variable height of grading ring

2.2环径对电场强度的影响

表2是均压环管径为10 mm、高度70 mm，绝缘子均压环环径变化时绝缘子、金具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115～125 mm。

2.3管径对电场强度的影响

表3是均压环高度为80 mm、环径为105 mm，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较大，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，均压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地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20 mm。

表2　均压环环径变化时场强最大值Tab.2　The maximum electrical strength with variable external diameter of grading ring

表3　均压环管径变化时场强最大值Tab.3　The maximum electrical strength with variable tube diameter of grading ring

3　均压环优化配置及试验验证

通过以上均压环参数对最大场强影响的分析，取环径为115 mm、管径为20 mm、高度为80 mm，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的刀开关连接螺栓处，数值为1.919 kV/mm，优化后最大场强位置不变，数值为1.580 kV/mm，降低17.7%。

表4是配置均压环前后绝缘子及金具表面最大场强。由表4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%。

表4　配置均压环前后场强最大值Tab.4　The maximum electrical strength of high voltage disconnector insulators with or without grading ring　(单位：kV/mm)

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65 kV工频电压时，高压隔离开关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80 kV的工频电压后，高压隔离开关顶部金具仍未发生明显的电晕放电现象。因此，高压隔离开关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Fig.4　Corona discharge of high voltage disconnector insulators with or without grading ring under different voltage

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0.666 kV/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压隔离开关电晕放电强度，均压环可使高压隔离开关在相同的试验电压下电晕放电强度减弱。

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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

国家自然科学基金(51207055)和中央高校基本科研业务费专项资金(13MS71)资助项目。

2015-06-10改稿日期2015-08-28

U266;TM564.1

律方成男，1963年生，博士，教授，研究方向为电气设备绝缘机理、电气设备在线监测与故障诊断。

E-mail：lfc0818@sohu.com(通信作者)

张兆华男，1991年生，硕士研究生，研究方向为电气设备绝缘机理。

E-mail：zzhyyy@126.com