25 kV柔性懸掛分段絕緣器電場分析及優化研究

韓寶峰，李智凱，閆 濤，田匯冬，彭宗仁

0 引言

電氣化鐵路不同區段的接觸網一般采用不同的回路進行供電，彼此獨立運行并通過分段絕緣器進行連接。分段絕緣器是對接觸網進行電分段時采用的一種絕緣設備。正常情況下受電弓帶電滑行通過，當某一接觸網分段發生故障或因施工需要停電時，斷開分段絕緣器處的隔離開關將該部分接觸網斷電，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械連接，方便各區域停電檢修，減小出現故障和事故時的停電范圍；同時，其可以使受電弓在通過不同區段接觸網交界處時實現平滑過渡，保障鐵路和地鐵車輛通過時獲得持續電能供應[1～8]。

分段絕緣器在戶外長期運行過程中面臨的問題主要包括消弧角局部放電、主絕緣積污導致表面閃絡以及受電弓快速滑過時產生電弧等。其中，由于分段絕緣器兩端消弧角長期承受高電壓、消弧角尖端曲率半徑小，電場在此畸變嚴重。如果消弧角尖端表面電場強度超過一定限值，會導致分段絕緣器發生局部放電，影響分段絕緣器安全穩定運行，尤其是雷電波侵入時消弧角尖端放電可能導致空氣擊穿，甚至使兩段接觸網之間的絕緣失效，嚴重時將危害軌道交通電網，造成巨大經濟損失[9～15]。因此，有必要對分段絕緣器在不同外界條件、運行工況下的電氣性能進行仿真分析以及結構優化。

本文通過建立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不同供電臂間分段絕緣器進行電場計算，校核各關鍵部位的表面電場強度，并對場強集中的區域提出結構優化配置方案。

1 仿真模型及參數設置

1.1 分段絕緣器仿真模型及網格劃分

交流25 kV柔性懸掛分段絕緣器適用于時速200 km柔性懸掛電分段處，分段長度為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對三維模型進行仿真。仿真計算前，建立足夠大的空氣域將分段絕緣器包裹其中，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

進行網格剖分時，對絕緣子、長短滑板以及螺栓、螺母、螺釘等細節部位的網格進行細化。圖3為分段絕緣器的網格剖分圖，總共包含四面體網格單元4 195萬個，平均單元質量為0.671 1。

圖3 交流25 kV柔性懸掛分段絕緣器的網格剖分

1.2 材料參數及邊界條件設置

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

表1 分段絕緣器的各部分材料參數

進行分段絕緣器電場計算時，對模型進行邊界條件設置：空氣域的表面接地；穩態運行工況下，分段絕緣器的兩側施加相位相同、幅值為25 kV的電壓；雷電沖擊工況下，分段絕緣器的兩側施加幅值為160 kV的雷電沖擊波。

2 不同工況下的仿真計算結果

考慮穩態運行和雷電沖擊兩種不同工況，分別計算分段絕緣器的電場分布，并對電場強度較高、易產生電暈放電的區域進行分析。

2.1 穩態運行工況下的計算結果

穩態運行工況下，分段絕緣器的兩側施加相位相同、幅值為25 kV的電壓，空氣域外側接地，得到分段絕緣器的整體及各關鍵部位的電勢、電場分布如圖4～圖7所示。

圖4 穩態運行時分段絕緣器的整體電勢、電場分布

圖7 穩態運行時兩側吊索表面電場分布

圖5 穩態運行時滑板表面電場分布

圖6 穩態運行時消弧角表面電場分布

由仿真結果可知，穩態運行時分段絕緣器的最大場強出現在消弧角頂端，大小約為2.19 kV/mm，滑板和吊索的最大場強均在1.5 kV/mm左右。

2.2 穩態運行工況下計算結果海拔校正

在均勻電場下，空氣的擊穿場強為3 kV/mm，且與氣壓、溫度和濕度等環境因素有關。分段絕緣器長期在戶外運行，受空氣濕度的影響較大，因此需考慮濕度對空氣擊穿場強的影響。當氣壓為標準大氣壓，環境溫度為25 ℃時，空氣的擊穿場強隨濕度變化的曲線如圖8所示。

圖8 空氣的擊穿場強隨濕度變化曲線

由圖8可知，當空氣相對濕度小于45%時，隨著空氣濕度的增加，擊穿場強顯著降低，由3.35 kV/mm降低至2.8 kV/mm，而當空氣相對濕度大于45%時，空氣的擊穿場強隨濕度的增加而基本維持在2.8 kV/mm左右。因此，考慮分段絕緣器運行時環境因素的影響，仿真計算時穩態工況下分段絕緣器金屬表面的場強控制值取3 kV/mm。

國標GB/T 2317.2—2008[19]提出，當金具用于高海拔地區時，應對試驗電壓進行海拔修正，修正因數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，對海拔1 km及以下的地區不進行海拔校正。該方法的校正誤差小于10%[20]。正常干燥環境條件下，海拔1 km及以下地區的金具起暈場強為3 kV/mm，根據式（1）得到的分段絕緣器關鍵金具部分的場強、在干燥環境條件下不同海拔地區的起暈場強分別如表2、表3所示。

表2 分段絕緣器穩態運行時最大場強 kV/mm

表3 干燥環境條件下的起暈場強 kV/mm

由表中結果看，消弧角滿足海拔3 km及以下地區的運行條件要求，長、短滑板及吊索滿足海拔5 km的運行要求，但由于潮濕天氣下起暈場強會有一定程度的降低，如圖8所示，因此，該結構地區分段絕緣器在戶外條件下適用于海拔2 km及以下地區運行，若需要在更高海拔地區運行，則需要對其消弧角進行優化。

2.3 雷電沖擊工況下的計算結果

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

圖9 雷電沖擊工況下分段絕緣器整體電勢、電場分布

圖10 雷電沖擊工況下滑板表面電場分布

圖11 雷電沖擊工況下消弧角表面電場分布

圖12 雷電沖擊工況下兩側吊索表面電場分布

由仿真結果分析可知，發生雷電沖擊時，分段絕緣器表面的最大場強為14.0 kV/mm，最大值出現在長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強，即使在平原地區運行，各關鍵部位的場強仍超過最小起暈場強（3 kV/mm）的3倍及以上，因此分段絕緣器運行時應避免遭遇雷電沖擊，以免引起設備故障。

3 分段絕緣器結構優化

3.1 優化方案

為了進一步降低消弧角頂端的場強，使分段絕緣器能夠在更高海拔下運行并在潮濕氣候下留有一定裕度，對消弧角頂端進行結構優化。優化方式為增加消弧角頂端的曲率半徑，以降低其場強，因此將消弧角頂端設計為球面結構。分別將消弧角頂端結構優化為半徑為5 mm及7 mm的球面結構1及結構2，如圖13所示。

圖13 優化后的消弧角結構

3.2 結構1仿真計算結果

結構1消弧角電場分布仿真結果如圖14所示。

如圖14所示，將消弧角頂端優化為半徑5 mm的球面結構后，長、短滑板上的消弧角表面最大場強分別為1.794、1.631 kV/mm，各消弧角表面的最大場強相較于優化前均有0.4～0.5 kV/mm的降低。

3.3 結構2仿真計算結果

結構2消弧角電場分布仿真結果如圖15所示。

如圖15所示，將消弧角頂端優化為半徑7 mm的球面結構后，長、短滑板上的消弧角表面最大場強分別為1.380、1.313 kV/mm，相較于優化前均有0.8～0.9 kV/mm的降低。

圖15 結構2消弧角電場分布

對比參照2.2節的分析，根據優化后的仿真計算結果，分段絕緣器若要在高海拔環境下運行，建議將消弧角頂端結構設計為半徑5 mm及以上的球面結構，以確保場強處于較低值并為潮濕天氣預留一定裕度。

4 結論

本文開展了交流25 kV軌道交通牽引供電系統中分段絕緣器電磁場機理研究。對分段絕緣器建立三維仿真計算模型，采用有限元法進行網格剖分，進行了穩態和雷電沖擊工況下的電場仿真計算，校核各關鍵部位的表面電場強度，并對穩態運行時的仿真計算結果進行海拔修正，最后對消弧角頂端場強集中的區域提出結構優化配置方案。結論如下：

（1）仿真計算中發現容易產生電場畸變的關鍵部位為滑板、消弧角尖端以及吊索上未進行倒角的部位。穩態運行工況下，三者的最大場強分別為1.57、2.19、1.68 kV/mm。參照海拔修正公式的修正結果以及潮濕天氣下起暈場強下降的程度分析，該結構的分段絕緣器適用于海拔高度2 km及以下地區。

（2）160 kV雷電沖擊工況下上述3個關鍵部位的場強分別為10.1、14、10.7 kV/mm，均超過平原地區最小起暈場強的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化為半徑為5 mm以及7 mm的球面結構后，消弧角頂端穩態運行工況下的最大場強分別下降至1.79、1.38 kV/mm。因此，若需要在更高海拔地區運行，建議將分段絕緣器消弧角頂端結構優化為半徑5 mm以上的球面結構。