25 kV柔性悬挂分段绝缘器电场分析及优化研究

韩宝峰，李智凯，闫 涛，田汇冬，彭宗仁

0 引言

电气化铁路不同区段的接触网一般采用不同的回路进行供电，彼此独立运行并通过分段绝缘器进行连接。分段绝缘器是对接触网进行电分段时采用的一种绝缘设备。正常情况下受电弓带电滑行通过，当某一接触网分段发生故障或因施工需要停电时，断开分段绝缘器处的隔离开关将该部分接触网断电，其他部分可保持正常供电。分段绝缘器的作用主要是电气绝缘以及机械连接，方便各区域停电检修，减小出现故障和事故时的停电范围；同时，其可以使受电弓在通过不同区段接触网交界处时实现平滑过渡，保障铁路和地铁车辆通过时获得持续电能供应[1～8]。

分段绝缘器在户外长期运行过程中面临的问题主要包括消弧角局部放电、主绝缘积污导致表面闪络以及受电弓快速滑过时产生电弧等。其中，由于分段绝缘器两端消弧角长期承受高电压、消弧角尖端曲率半径小，电场在此畸变严重。如果消弧角尖端表面电场强度超过一定限值，会导致分段绝缘器发生局部放电，影响分段绝缘器安全稳定运行，尤其是雷电波侵入时消弧角尖端放电可能导致空气击穿，甚至使两段接触网之间的绝缘失效，严重时将危害轨道交通电网，造成巨大经济损失[9～15]。因此，有必要对分段绝缘器在不同外界条件、运行工况下的电气性能进行仿真分析以及结构优化。

本文通过建立25 kV柔性悬挂分段绝缘器三维模型，利用有限元仿真软件对不同供电臂间分段绝缘器进行电场计算，校核各关键部位的表面电场强度，并对场强集中的区域提出结构优化配置方案。

1 仿真模型及参数设置

1.1 分段绝缘器仿真模型及网格划分

交流25 kV柔性悬挂分段绝缘器适用于时速200 km柔性悬挂电分段处，分段长度为2 900 mm。整体模型如图1所示。

图1 交流25 kV柔性悬挂分段绝缘器的整体模型

利用COMSOL Multiphysics对三维模型进行仿真。仿真计算前，建立足够大的空气域将分段绝缘器包裹其中，含有空气域的模型如图2所示，空气域的尺寸为10 m×3.6 m×3.8 m。

图2 含空气域的分段绝缘器仿真模型

进行网格剖分时，对绝缘子、长短滑板以及螺栓、螺母、螺钉等细节部位的网格进行细化。图3为分段绝缘器的网格剖分图，总共包含四面体网格单元4 195万个，平均单元质量为0.671 1。

图3 交流25 kV柔性悬挂分段绝缘器的网格剖分

1.2 材料参数及边界条件设置

分段绝缘器的连接底座、吊架、长短滑板由金属构成，绝缘主体由硅橡胶绝缘子和玻璃纤维芯棒构成，绝缘滑道采用的材料为聚四氟乙烯。各材料的参数如表1所示[16～18]。

表1 分段绝缘器的各部分材料参数

进行分段绝缘器电场计算时，对模型进行边界条件设置：空气域的表面接地；稳态运行工况下，分段绝缘器的两侧施加相位相同、幅值为25 kV的电压；雷电冲击工况下，分段绝缘器的两侧施加幅值为160 kV的雷电冲击波。

2 不同工况下的仿真计算结果

考虑稳态运行和雷电冲击两种不同工况，分别计算分段绝缘器的电场分布，并对电场强度较高、易产生电晕放电的区域进行分析。

2.1 稳态运行工况下的计算结果

稳态运行工况下，分段绝缘器的两侧施加相位相同、幅值为25 kV的电压，空气域外侧接地，得到分段绝缘器的整体及各关键部位的电势、电场分布如图4～图7所示。

图4 稳态运行时分段绝缘器的整体电势、电场分布

图7 稳态运行时两侧吊索表面电场分布

图5 稳态运行时滑板表面电场分布

图6 稳态运行时消弧角表面电场分布

由仿真结果可知，稳态运行时分段绝缘器的最大场强出现在消弧角顶端，大小约为2.19 kV/mm，滑板和吊索的最大场强均在1.5 kV/mm左右。

2.2 稳态运行工况下计算结果海拔校正

在均匀电场下，空气的击穿场强为3 kV/mm，且与气压、温度和湿度等环境因素有关。分段绝缘器长期在户外运行，受空气湿度的影响较大，因此需考虑湿度对空气击穿场强的影响。当气压为标准大气压，环境温度为25 ℃时，空气的击穿场强随湿度变化的曲线如图8所示。

图8 空气的击穿场强随湿度变化曲线

由图8可知，当空气相对湿度小于45%时，随着空气湿度的增加，击穿场强显著降低，由3.35 kV/mm降低至2.8 kV/mm，而当空气相对湿度大于45%时，空气的击穿场强随湿度的增加而基本维持在2.8 kV/mm左右。因此，考虑分段绝缘器运行时环境因素的影响，仿真计算时稳态工况下分段绝缘器金属表面的场强控制值取3 kV/mm。

国标GB/T 2317.2—2008[19]提出，当金具用于高海拔地区时，应对试验电压进行海拔修正，修正因数Ka为

式中：H为海拔高度，km。

该方法以海拔1 km作为校正起点，对海拔1 km及以下的地区不进行海拔校正。该方法的校正误差小于10%[20]。正常干燥环境条件下，海拔1 km及以下地区的金具起晕场强为3 kV/mm，根据式（1）得到的分段绝缘器关键金具部分的场强、在干燥环境条件下不同海拔地区的起晕场强分别如表2、表3所示。

表2 分段绝缘器稳态运行时最大场强 kV/mm

表3 干燥环境条件下的起晕场强 kV/mm

由表中结果看，消弧角满足海拔3 km及以下地区的运行条件要求，长、短滑板及吊索满足海拔5 km的运行要求，但由于潮湿天气下起晕场强会有一定程度的降低，如图8所示，因此，该结构地区分段绝缘器在户外条件下适用于海拔2 km及以下地区运行，若需要在更高海拔地区运行，则需要对其消弧角进行优化。

2.3 雷电冲击工况下的计算结果

雷电冲击工况下，分段绝缘器的两侧施加相位相同、幅值为160 kV的电压，空气域外侧接地，得到分段绝缘器的整体及各关键部位的电势、电场分布如图9～图12所示。

图9 雷电冲击工况下分段绝缘器整体电势、电场分布

图10 雷电冲击工况下滑板表面电场分布

图11 雷电冲击工况下消弧角表面电场分布

图12 雷电冲击工况下两侧吊索表面电场分布

由仿真结果分析可知，发生雷电冲击时，分段绝缘器表面的最大场强为14.0 kV/mm，最大值出现在长滑板上的消弧角表面。雷电冲击工况下吊索、滑板及其消弧角尖端上均有较高的场强，即使在平原地区运行，各关键部位的场强仍超过最小起晕场强（3 kV/mm）的3倍及以上，因此分段绝缘器运行时应避免遭遇雷电冲击，以免引起设备故障。

3 分段绝缘器结构优化

3.1 优化方案

为了进一步降低消弧角顶端的场强，使分段绝缘器能够在更高海拔下运行并在潮湿气候下留有一定裕度，对消弧角顶端进行结构优化。优化方式为增加消弧角顶端的曲率半径，以降低其场强，因此将消弧角顶端设计为球面结构。分别将消弧角顶端结构优化为半径为5 mm及7 mm的球面结构1及结构2，如图13所示。

图13 优化后的消弧角结构

3.2 结构1仿真计算结果

结构1消弧角电场分布仿真结果如图14所示。

如图14所示，将消弧角顶端优化为半径5 mm的球面结构后，长、短滑板上的消弧角表面最大场强分别为1.794、1.631 kV/mm，各消弧角表面的最大场强相较于优化前均有0.4～0.5 kV/mm的降低。

3.3 结构2仿真计算结果

结构2消弧角电场分布仿真结果如图15所示。

如图15所示，将消弧角顶端优化为半径7 mm的球面结构后，长、短滑板上的消弧角表面最大场强分别为1.380、1.313 kV/mm，相较于优化前均有0.8～0.9 kV/mm的降低。

图15 结构2消弧角电场分布

对比参照2.2节的分析，根据优化后的仿真计算结果，分段绝缘器若要在高海拔环境下运行，建议将消弧角顶端结构设计为半径5 mm及以上的球面结构，以确保场强处于较低值并为潮湿天气预留一定裕度。

4 结论

本文开展了交流25 kV轨道交通牵引供电系统中分段绝缘器电磁场机理研究。对分段绝缘器建立三维仿真计算模型，采用有限元法进行网格剖分，进行了稳态和雷电冲击工况下的电场仿真计算，校核各关键部位的表面电场强度，并对稳态运行时的仿真计算结果进行海拔修正，最后对消弧角顶端场强集中的区域提出结构优化配置方案。结论如下：

（1）仿真计算中发现容易产生电场畸变的关键部位为滑板、消弧角尖端以及吊索上未进行倒角的部位。稳态运行工况下，三者的最大场强分别为1.57、2.19、1.68 kV/mm。参照海拔修正公式的修正结果以及潮湿天气下起晕场强下降的程度分析，该结构的分段绝缘器适用于海拔高度2 km及以下地区。

（2）160 kV雷电冲击工况下上述3个关键部位的场强分别为10.1、14、10.7 kV/mm，均超过平原地区最小起晕场强的3倍以上，因此建议分段绝缘器附近安装避雷装置使其免受雷电冲击的影响。

（3）将分段绝缘器消弧角顶端分别优化为半径为5 mm以及7 mm的球面结构后，消弧角顶端稳态运行工况下的最大场强分别下降至1.79、1.38 kV/mm。因此，若需要在更高海拔地区运行，建议将分段绝缘器消弧角顶端结构优化为半径5 mm以上的球面结构。