小型氣候箱絕緣套管電場分析與結構優化設計

王勝輝，柏 瑞，馮宏恩

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

小型氣候箱絕緣套管電場分析與結構優化設計

王勝輝，柏 瑞，馮宏恩

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

通過絕緣套管向小型氣候箱內引入高電壓進行考慮氣候因素的高壓放電試驗時，若絕緣套管結構設計不合理，容易發生局部放電進而加速套管絕緣老化。為避免這一現象發生，在自制小型氣候箱前，首先利用ANSYS軟件對小型氣候箱絕緣套管電場分布進行仿真分析。從分析結果發現，在安裝板處套管電場強度較高，且分布極不均勻。對絕緣套管的結構及安裝方式提出優化設計方案，明顯改善了電場的分布狀況，這一優化方案對于絕緣套管的生產及加工具有現實的指導意義。

絕緣套管;電場分析;結構優化

0 引言

在實驗室進行放電實驗研究時，通常需要考慮氣候因素對實驗結果的影響，但在短時間內氣候變化并不明顯，若是憑借自然變化以及在多個地域開展實驗，則拖延研究周期。另外自然界中氣候因素之間的變化相互影響著，在研究過程中人們無法實現在其他條件不變只有一個氣候條件變化的情況下，觀察該氣候條件對實驗結果的影響。因此研究人員致力于尋找一種不受時間和空間限制，隨時隨地可以控制氣候變化的密閉環境來進行實驗，人工氣候室便是在這樣的需求中應運而生且不斷發展［1～5］。

人工氣候室在實驗室中的應用也存在一些問題，例如某些人工氣候室室內的空間較龐大，調節一個氣候因素的變化往往需要消耗十幾甚至二十幾個小時的時間，比較適用于一些大型設備需要占用大量空間的實驗。對于較小設備如針板、棒板間隙等進行考慮氣候因素的放電實驗時，則可在小型氣候箱內進行。小型氣候箱箱內空間較小，需要調節氣體量相應減少，縮短了調節時間，該儀器在很大程度上加快了實驗的發展進程，不僅減少占地面積，而且在生產儀器時可使用小型號的制冷器、加濕器、真空泵等調節裝置，節省設備投資［3］。

為了能夠承受調節氣壓時產生的負壓，箱體需要采用鋼板制作，由于鋼板是金屬導體材料，向箱體內引入高電壓時必須使用絕緣套管。但絕緣套管在安裝處仍比較容易出現絕緣故障，其表現為該處絕緣材料容易發生局部老化，降低絕緣能力，嚴重時會導致導電桿與金屬箱體發生放電現象，危及人員安全［6，7］。因此，在生產研制該套設備前，首先利用ANSYS軟件對小型氣候箱絕緣套管進行電場仿真分析，對絕緣套管的結構設計以及安裝方式進一步完善優化。

1 小型氣候箱絕緣套管模型及計算

1.1 氣候箱及套管幾何模型

初步設計小型氣候箱箱體高H=1.5 m，寬L=1.0 m，絕緣套管安裝在箱體頂部。箱體采用雙層鋼板制作，每層鋼板的厚度為5 mm，在兩層鋼板之間填充有聚苯乙烯泡沫材料，泡沫一方面起到一定的機械支撐作用，另一方面可以緩沖調節氣壓時外界對箱體產生的壓力。

絕緣套管形狀參數參照FCWB型干式復合絕緣套管，主要組成部分如圖1所示:1.銅導電桿;2.環氧樹脂纖維;3.硅橡膠;4.鋁安裝板(法蘭)共11個傘裙 (箱體外有6個傘群，箱體內有5個傘群，其中大傘裙外徑185 mm，小傘裙外徑155 mm)，導電桿直徑為25 mm，環氧樹脂纖維外徑為70 mm，硅橡膠外徑為78 mm。

圖1 小型氣候箱及絕緣套管模型

1.2 ANSYS電場仿真計算

小型氣候箱與絕緣套管均是軸對稱模型，沿軸向進行剖分，取截面的1/2區域進行二維軸對稱電場仿真，各絕緣材料采用的相對介電常數見表 1［8，9］。由于 50 Hz 工頻電壓頻率不高，可采用靜電場h方法進行分析，有限元計算選用Plane121單元和遠場INFIN110單元，外圍遠場區域使用INFIN110單元，近場區域使用Plane121單元［10～13］。因箱體接地，施加在鋼板及安裝板上的電壓為0 V，施加在導電桿上電壓為50 kV。

表1 各材料相對介電常數

2 絕緣套管電場分析

圖2為計算所得高壓絕緣套管安裝板附近電場強度分布云圖，由圖中可知最大場強出現在環氧樹脂纖維內徑與導電桿接觸位置從圖中右側數據顯示中看出，其最大值為3.37 kV/mm，并沿著環氧樹脂纖維、硅橡膠向外逐漸減弱，到達硅橡膠與安裝板連接處暴露在空氣中的兩個接觸角時場強又逐漸增大，甚至超過了3.0 kV/mm。空氣的擊穿場強為 2.5 ～ 3.0 kV/mm［15，16］，隨著電壓的升高，安裝板附近極易發生電暈和局部放電。

圖3 整體電場分布云圖

圖3為整個絕緣套管電場分布云圖，觀察發現高場強主要集中在套管安裝處，且電場分布極不均勻。導電桿與環氧樹脂纖維接觸的圓周面始終存在場強，套管的上下兩部分場強比安裝處低很多，但若是存在空氣間隙，長期使用后空氣容易發生擊穿，導致套管發生局部老化，絕緣層的絕緣能力下降。

3 結構優化設計

3.1 套管結構優化

經過以上電場分析，可以看出影響絕緣套管電場分布的主要因素是套管本身的結構設計，同時套管的安裝方式對電場分布也產生一定的影響，據此本文對套管的結構設計做出3點改進。

(1)套管安裝處電場強度較高主要是因為絕緣層內側與高電位的導電桿接觸，絕緣層外側與0電位的安裝板接觸，相較其他位置而言導電桿與安裝板之間電氣絕緣距離d較小，由電場強度E=U/d(其中U為給兩板所施加的電壓)知［17，18］，在d較小的情況下電場強度E偏大，且E值在高壓端最高，從高壓端向低壓端逐漸降低，故可適當增加絕緣層厚度，降低安裝板處場強大小。由于只是套管安裝處場強較高，只需在安裝板處加大硅橡膠厚度 (從箱體外最后一個傘群到箱體內第一個傘群)，外徑由原來的78 mm增加至84 mm。

(2)針對硅橡膠與安裝板連接處暴露在空氣中的兩個接觸角場強較高的狀況，設計時可在安裝板的上下兩個端面加上一層硅橡膠 (或噴涂一層半導電硅膠)，硅橡膠能覆蓋整個端面，并逐漸變薄直至到達硅橡膠護套處，避免了硅橡膠與安裝板接觸的位置直接暴露在空氣中。若在安裝時安裝板夾在兩層鋼板之間，則是鋼板與硅橡膠直接接觸，同樣可在鋼板與硅橡膠接觸位置噴涂一定厚度的半導電硅膠。

(3)由圖3知，導電桿與環氧樹脂纖維接觸的圓周面始終存在場強，為避免長期使用后空氣發生擊穿，在制作絕緣套管時應將環氧樹脂纖維直接澆注在導電桿上，消除導電桿與環氧樹脂纖維之間的空隙。為保險起見可在套管端部導電桿與環氧樹脂接觸位置涂敷一層可塑橡膠，防止外界空氣進入空隙內。

3.2 優化前后電場分布變化

根據3.1中套管結構優化方案，再次建立ANSYS仿真模型進行電場分析，計算的絕緣套管安裝板處電場分布如圖4所示。對比圖2及圖4發現，經過上述3種優化處理后，絕緣套管安裝板處的電場分布在很大程度上得到了改善，特別是在安裝板與硅橡膠連接的上下兩個端點處，其場強最大值為1.5 kV/mm(明顯低于優化前的3.0 kV/mm)。圖5為優化前后整個絕緣套管從最高場強點到安裝板與硅橡膠連接的上端點之間的場強變化曲線，可見優化后電場強度明顯低于優化前，最大場強由3.5 kV/mm降低到2.2 kV/mm，且分布較為均勻。

圖4 優化后安裝板處電場分布云圖

圖5 優化前后場強變化曲線圖

3.3 現場試驗

經過上述優化設計后聯系制造廠家對小型氣候箱及絕緣套管進行加工，制作完好的整套設備如圖6所示。對該設備施加50 kV的工頻電壓進行現場測試，沒有發生任何放電現象。為檢驗該裝置的耐受能力，逐漸升高電壓直至60 kV依然沒有發生任何放電現象，說明在正常狀況下施加50 kV的電壓安全可行，上述設計方案合理，降低發生電暈放電、局部放電的可能。

圖6 小型氣候箱實物圖

4 結論

(1)從仿真結果中發現，場強主要集中在套管安裝板處且分布極不均勻，最大場強出現在環氧樹脂纖維內徑與導電桿接觸位置，硅橡膠與安裝板連接處暴露在空氣中的兩個接觸角場強也較大，已高于空氣擊穿場強，容易發生電暈放電。沿著導電桿與環氧樹脂纖維接觸的圓周面始終存在場強，應保持導電桿與環氧樹脂纖維的緊密連接。

(2)對于絕緣套管安裝板處這一薄弱環節，提出增大安裝板處硅橡膠厚度的方法增大絕緣能力，同時在安裝板的上下兩個斷面各自增加一圈硅橡膠，防止硅橡膠與安裝板連接處直接暴露在空氣中。

(3)將絕緣套管安裝在箱體上時，盡量避免鋼板與硅橡膠直接接觸，在無法避免的情況下，建議在鋼板與硅橡膠接觸位置噴涂一層半導電硅膠。

［1］羅中嶺．人工氣候箱的結構原理及應用技術 ［J］．中國農業氣象，1981，2(2):35-40．

［2］ Andrewartha H G，BIRCH．The distribution and abundance ofanimals ［J］． Chicago:The Chicago University Press，1954．

［3］吳金華，陳仕國．人工氣候箱的研究現狀綜述［J］．機電技術，2012，(6):182-185．

［4］吳海昌，楊沛，張穗屏．人工氣候箱——環境技術的應用 ［J］．環境技術，2002，(2):2-5．

［5］ Keith Everett，Raleigh．N C．Led array for illuminating cell well plates and automated rack system for handling the same ［P］．US:7160717，Jan．9th，2007．

［6］王文峰，張清杰，蔣立齊．40.5 kV開關柜穿墻套管電場分析與優化設計 ［J］．華電技術，2011，23(2):20-21．

［7］江汛，王仲奕．復合高壓套管的電場計算和分析 ［J］．高電壓技術，2004，30(3):17-18．

［8］張瑞峰，劉云鵬，邵士雯．±800 kV特高壓直流復合絕緣子電場有限元分析 ［J］．華東電力，2011，39(7):1116-1119．

［9］江汛，王仲奕．330 kV帶均壓環的棒形懸式復合絕緣子電場有限元分析 ［J］．高壓電器，2004，40(3):15-217．

［10］徐志鈕，律方成，李和明，等．RTV和增爬裙對支柱絕緣子電場和電位分布影響的研究 ［J］．華北電力大學學報 (自然科學版)，2010，37(4):1-6．

［11］姚剛，文習山，藍磊．濕潤污穢絕緣表面電場及針板電極下的沿面放電 ［J］．高電壓技術，2010，36(6):1407-1414．

［12］江汛，王仲奕，金強．棒形懸式復合絕緣子電場計算和優化 ［J］．高壓電器，2005，41(5):23-25．

［13］萬連茂，劉建波．高壓電極電場的數值模擬 ［J］．兵工自動化，2004，23(6):31-32．

［14］全姍姍，曹晶，谷莉莉，等．500kV輸電線路跳線金具電暈放電特性 ［J］．水電能源科學，2012，30(12):146-148．

［15］黎衛國，郝艷捧，熊國錕，等．覆冰復合絕緣子電位分布有限元仿真 ［J］．電工技術學報，2012，27(12):29-35．

［16］高博，張亞婷，王清亮，等．污穢不均勻性對絕緣子電場的影響［J］．電瓷避雷器，2008，(3):13-16．

［17］尹創榮，李恒真．220 kV線路復合絕緣子鳥巢草危害有限元分析 ［J］．廣東電力，2009，22(5):40-44．

［18］高博，王清亮，周建博，等．干燥帶對污穢絕緣子電場分布的影響 ［J］．高電壓技術，2009，35(10):2421-2426．

Electric Field Analysis and Structural Optimization Design of Insulation Sleeve on Small Climate Box

Wang Shenghui，Bai Rui，Feng Hongen

(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

When high voltage discharge experiment was carried in small climate box through introduction of high voltage by insulation sleeve，the insulation sleeve may cause insulation aging and partial discharge phenomenon if its structure design is not reasonable．In order to avoid the occurrence of this phenomenon，electric field simulation and analysis of insulation sleeve are presented in the paper by means of ANSYS software．The analysis results show that high electric field is focused on the sleeve which is near the mounting plate，and electric field distribution is extremely uneven．Optimization design scheme of insulation sleeve and installation style is proposed，the distribution of electric field is significantly improved．This optimization scheme is of great realistic significance for the production and processing of insulation sleeve．

insulation sleeve;electric field analysis;structural optimization design

TM854

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.001

2013－12－09。

國家自然科學基金資助項目 (51077054);河北省自然科學基金資助項目 (E2012502055);中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目 (12QN36)。

王勝輝 (1977-)，男，講師，從事電氣設備在線監測與故障診斷方面的研究，E-mail:gaoyawsh@163．com。