王勝輝，柏 瑞，馮宏恩

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

小型氣候箱絕緣套管電場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王勝輝，柏 瑞，馮宏恩

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

通過(guò)絕緣套管向小型氣候箱內(nèi)引入高電壓進(jìn)行考慮氣候因素的高壓放電試驗(yàn)時(shí)，若絕緣套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易發(fā)生局部放電進(jìn)而加速套管絕緣老化。為避免這一現(xiàn)象發(fā)生，在自制小型氣候箱前，首先利用ANSYS軟件對(duì)小型氣候箱絕緣套管電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析。從分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在安裝板處套管電場(chǎng)強(qiáng)度較高，且分布極不均勻。對(duì)絕緣套管的結(jié)構(gòu)及安裝方式提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，明顯改善了電場(chǎng)的分布狀況，這一優(yōu)化方案對(duì)于絕緣套管的生產(chǎn)及加工具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

絕緣套管;電場(chǎng)分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，通常需要考慮氣候因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，但在短時(shí)間內(nèi)氣候變化并不明顯，若是憑借自然變化以及在多個(gè)地域開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，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(guò)程中人們無(wú)法實(shí)現(xiàn)在其他條件不變只有一個(gè)氣候條件變化的情況下，觀察該氣候條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。因此研究人員致力于尋找一種不受時(shí)間和空間限制，隨時(shí)隨地可以控制氣候變化的密閉環(huán)境來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，人工氣候室便是在這樣的需求中應(yīng)運(yùn)而生且不斷發(fā)展［1～5］。

人工氣候室在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用也存在一些問(wèn)題，例如某些人工氣候室室內(nèi)的空間較龐大，調(diào)節(jié)一個(gè)氣候因素的變化往往需要消耗十幾甚至二十幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，比較適用于一些大型設(shè)備需要占用大量空間的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于較小設(shè)備如針板、棒板間隙等進(jìn)行考慮氣候因素的放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，則可在小型氣候箱內(nèi)進(jìn)行。小型氣候箱箱內(nèi)空間較小，需要調(diào)節(jié)氣體量相應(yīng)減少，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，該儀器在很大程度上加快了實(shí)驗(yàn)的發(fā)展進(jìn)程，不僅減少占地面積，而且在生產(chǎn)儀器時(shí)可使用小型號(hào)的制冷器、加濕器、真空泵等調(diào)節(jié)裝置，節(jié)省設(shè)備投資［3］。

為了能夠承受調(diào)節(jié)氣壓時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓，箱體需要采用鋼板制作，由于鋼板是金屬導(dǎo)體材料，向箱體內(nèi)引入高電壓時(shí)必須使用絕緣套管。但絕緣套管在安裝處仍比較容易出現(xiàn)絕緣故障，其表現(xiàn)為該處絕緣材料容易發(fā)生局部老化，降低絕緣能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電桿與金屬箱體發(fā)生放電現(xiàn)象，危及人員安全［6，7］。因此，在生產(chǎn)研制該套設(shè)備前，首先利用ANSYS軟件對(duì)小型氣候箱絕緣套管進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，對(duì)絕緣套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及安裝方式進(jìn)一步完善優(yōu)化。

1 小型氣候箱絕緣套管模型及計(jì)算

1.1 氣候箱及套管幾何模型

初步設(shè)計(jì)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(jī)械支撐作用，另一方面可以緩沖調(diào)節(jié)氣壓時(shí)外界對(duì)箱體產(chǎn)生的壓力。

絕緣套管形狀參數(shù)參照FCWB型干式復(fù)合絕緣套管，主要組成部分如圖1所示:1.銅導(dǎo)電桿;2.環(huán)氧樹(shù)脂纖維;3.硅橡膠;4.鋁安裝板(法蘭)共11個(gè)傘裙 (箱體外有6個(gè)傘群，箱體內(nèi)有5個(gè)傘群，其中大傘裙外徑185 mm，小傘裙外徑155 mm)，導(dǎo)電桿直徑為25 mm，環(huán)氧樹(shù)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(chǎng)仿真計(jì)算

小型氣候箱與絕緣套管均是軸對(duì)稱模型，沿軸向進(jìn)行剖分，取截面的1/2區(qū)域進(jìn)行二維軸對(duì)稱電場(chǎng)仿真，各絕緣材料采用的相對(duì)介電常數(shù)見(jiàn)表 1［8，9］。由于 50 Hz 工頻電壓頻率不高，可采用靜電場(chǎng)h方法進(jìn)行分析，有限元計(jì)算選用Plane121單元和遠(yuǎn)場(chǎng)INFIN110單元，外圍遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域使用INFIN110單元，近場(chǎng)區(qū)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(dǎo)電桿上電壓為50 kV。

表1 各材料相對(duì)介電常數(shù)

2 絕緣套管電場(chǎng)分析

圖2為計(jì)算所得高壓絕緣套管安裝板附近電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖，由圖中可知最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在環(huán)氧樹(shù)脂纖維內(nèi)徑與導(dǎo)電桿接觸位置從圖中右側(cè)數(shù)據(jù)顯示中看出，其最大值為3.37 kV/mm，并沿著環(huán)氧樹(shù)脂纖維、硅橡膠向外逐漸減弱，到達(dá)硅橡膠與安裝板連接處暴露在空氣中的兩個(gè)接觸角時(shí)場(chǎng)強(qiáng)又逐漸增大，甚至超過(guò)了3.0 kV/mm。空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為 2.5 ～ 3.0 kV/mm［15，16］，隨著電壓的升高，安裝板附近極易發(fā)生電暈和局部放電。

圖3 整體電場(chǎng)分布云圖

圖3為整個(gè)絕緣套管電場(chǎng)分布云圖，觀察發(fā)現(xiàn)高場(chǎng)強(qiáng)主要集中在套管安裝處，且電場(chǎng)分布極不均勻。導(dǎo)電桿與環(huán)氧樹(shù)脂纖維接觸的圓周面始終存在場(chǎng)強(qiáng)，套管的上下兩部分場(chǎng)強(qiáng)比安裝處低很多，但若是存在空氣間隙，長(zhǎng)期使用后空氣容易發(fā)生擊穿，導(dǎo)致套管發(fā)生局部老化，絕緣層的絕緣能力下降。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 套管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過(guò)以上電場(chǎng)分析，可以看出影響絕緣套管電場(chǎng)分布的主要因素是套管本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)套管的安裝方式對(duì)電場(chǎng)分布也產(chǎn)生一定的影響，據(jù)此本文對(duì)套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出3點(diǎn)改進(jìn)。

(1)套管安裝處電場(chǎng)強(qiáng)度較高主要是因?yàn)榻^緣層內(nèi)側(cè)與高電位的導(dǎo)電桿接觸，絕緣層外側(cè)與0電位的安裝板接觸，相較其他位置而言導(dǎo)電桿與安裝板之間電氣絕緣距離d較小，由電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(dāng)增加絕緣層厚度，降低安裝板處場(chǎng)強(qiáng)大小。由于只是套管安裝處場(chǎng)強(qiáng)較高，只需在安裝板處加大硅橡膠厚度 (從箱體外最后一個(gè)傘群到箱體內(nèi)第一個(gè)傘群)，外徑由原來(lái)的78 mm增加至84 mm。

(2)針對(duì)硅橡膠與安裝板連接處暴露在空氣中的兩個(gè)接觸角場(chǎng)強(qiáng)較高的狀況，設(shè)計(jì)時(shí)可在安裝板的上下兩個(gè)端面加上一層硅橡膠 (或噴涂一層半導(dǎo)電硅膠)，硅橡膠能覆蓋整個(gè)端面，并逐漸變薄直至到達(dá)硅橡膠護(hù)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(shí)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(dǎo)電硅膠。

(3)由圖3知，導(dǎo)電桿與環(huán)氧樹(shù)脂纖維接觸的圓周面始終存在場(chǎng)強(qiáng)，為避免長(zhǎng)期使用后空氣發(fā)生擊穿，在制作絕緣套管時(shí)應(yīng)將環(huán)氧樹(shù)脂纖維直接澆注在導(dǎo)電桿上，消除導(dǎo)電桿與環(huán)氧樹(shù)脂纖維之間的空隙。為保險(xiǎn)起見(jiàn)可在套管端部導(dǎo)電桿與環(huán)氧樹(shù)脂接觸位置涂敷一層可塑橡膠，防止外界空氣進(jìn)入空隙內(nèi)。

3.2 優(yōu)化前后電場(chǎng)分布變化

根據(jù)3.1中套管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，再次建立ANSYS仿真模型進(jìn)行電場(chǎng)分析，計(jì)算的絕緣套管安裝板處電場(chǎng)分布如圖4所示。對(duì)比圖2及圖4發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)上述3種優(yōu)化處理后，絕緣套管安裝板處的電場(chǎng)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(gè)端點(diǎn)處，其場(chǎng)強(qiáng)最大值為1.5 kV/mm(明顯低于優(yōu)化前的3.0 kV/mm)。圖5為優(yōu)化前后整個(gè)絕緣套管從最高場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)到安裝板與硅橡膠連接的上端點(diǎn)之間的場(chǎng)強(qiáng)變化曲線，可見(jiàn)優(yōu)化后電場(chǎng)強(qiáng)度明顯低于優(yōu)化前，最大場(chǎng)強(qiáng)由3.5 kV/mm降低到2.2 kV/mm，且分布較為均勻。

圖4 優(yōu)化后安裝板處電場(chǎng)分布云圖

圖5 優(yōu)化前后場(chǎng)強(qiáng)變化曲線圖

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)后聯(lián)系制造廠家對(duì)小型氣候箱及絕緣套管進(jìn)行加工，制作完好的整套設(shè)備如圖6所示。對(duì)該設(shè)備施加50 kV的工頻電壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，沒(méi)有發(fā)生任何放電現(xiàn)象。為檢驗(yàn)該裝置的耐受能力，逐漸升高電壓直至60 kV依然沒(méi)有發(fā)生任何放電現(xiàn)象，說(shuō)明在正常狀況下施加50 kV的電壓安全可行，上述設(shè)計(jì)方案合理，降低發(fā)生電暈放電、局部放電的可能。

圖6 小型氣候箱實(shí)物圖

4 結(jié)論

(1)從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)強(qiáng)主要集中在套管安裝板處且分布極不均勻，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在環(huán)氧樹(shù)脂纖維內(nèi)徑與導(dǎo)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(gè)接觸角場(chǎng)強(qiáng)也較大，已高于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，容易發(fā)生電暈放電。沿著導(dǎo)電桿與環(huán)氧樹(shù)脂纖維接觸的圓周面始終存在場(chǎng)強(qiáng)，應(yīng)保持導(dǎo)電桿與環(huán)氧樹(shù)脂纖維的緊密連接。

(2)對(duì)于絕緣套管安裝板處這一薄弱環(huán)節(jié)，提出增大安裝板處硅橡膠厚度的方法增大絕緣能力，同時(shí)在安裝板的上下兩個(gè)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(shí)，盡量避免鋼板與硅橡膠直接接觸，在無(wú)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(dǎo)電硅膠。

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

Wang Shenghui，Bai Rui，F(xiàn)eng 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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51077054);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (E2012502055);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目 (12QN36)。

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