基于有限元方法的典型過(guò)電壓下機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)柜關(guān)鍵部件動(dòng)態(tài)電場(chǎng)仿真

，，，，

(1.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001；2.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001；3.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)電氣化鐵路增長(zhǎng)迅速，電力機(jī)車(chē)的高速化和重載化已經(jīng)成為鐵路現(xiàn)代化的雙重標(biāo)志[1]。我國(guó)幅員遼闊，中西部地區(qū)電氣化鐵路線路的迅速發(fā)展，導(dǎo)致電力機(jī)車(chē)將越來(lái)越多的穿越高原高寒區(qū)域[2]。為了適應(yīng)日趨嚴(yán)重的霧霾天氣和復(fù)雜多變的高原環(huán)境，將含括真空斷路器、高壓隔離開(kāi)關(guān)、避雷器、高壓電壓互感器、接地開(kāi)關(guān)、柔性電纜終端、剛性電纜終端等網(wǎng)側(cè)電路間的電氣設(shè)備，集成在牽引機(jī)車(chē)機(jī)械間內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)柜體內(nèi)，整體稱(chēng)之為機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)柜[3]。

本文從實(shí)際運(yùn)營(yíng)的某一和諧型電力機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)柜結(jié)構(gòu)中，抽離出關(guān)鍵的內(nèi)部電氣設(shè)備部件并作出合理的簡(jiǎn)化[4]。隨后利用參數(shù)化的Pro/Engineer軟件繪制出各電氣設(shè)備的三維零件模型，再依據(jù)原網(wǎng)側(cè)柜模型，組裝出進(jìn)行仿真的網(wǎng)側(cè)柜仿真模型。利用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件中的AC/DC模塊對(duì)柜體模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及操作過(guò)電壓情況下的有限元仿真分析。由仿真得到的研究結(jié)果，總結(jié)出網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)部電場(chǎng)分布的特性，進(jìn)一步推衍到各高壓設(shè)備及其相關(guān)部件承受的電場(chǎng)分析。找出可靠的電氣間隙與爬電距離，總結(jié)絕緣易擊穿點(diǎn)的分布規(guī)律并提出相關(guān)優(yōu)化意見(jiàn)。

2 網(wǎng)側(cè)柜結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化

1.高壓隔離開(kāi)關(guān)；2.高壓接地開(kāi)關(guān)；3.真空斷路器;4.避雷器;、5.高壓隔離開(kāi)關(guān)

電力機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)部設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。為進(jìn)行電場(chǎng)仿真，對(duì)該網(wǎng)側(cè)柜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。真空斷路器保留了包括傘裙、瓷套、瓷連接、金屬、導(dǎo)桿、中間連接、斷路器底座等部分。高壓隔離開(kāi)關(guān)保留了包括隔離開(kāi)關(guān)底座、支持絕緣子、拉桿絕緣子、刀閘、動(dòng)靜觸頭等基本結(jié)構(gòu)。僅考慮典型過(guò)電壓作用后的柜體仿真避雷器動(dòng)作以后的情況，因此避雷器包括閥片在內(nèi)的動(dòng)作機(jī)構(gòu)均省略，簡(jiǎn)化后只包括傘裙、避雷器鐵芯、避雷器底座。在系統(tǒng)運(yùn)行中電纜終端是比較薄弱的環(huán)節(jié)[5-6]，因此，模型的構(gòu)建基本按照實(shí)際電纜終端設(shè)備還原。結(jié)構(gòu)包括：銅芯、內(nèi)屏蔽層、外屏蔽層、絕緣層、外半導(dǎo)體層、應(yīng)力管、護(hù)套、熱縮管、傘裙。網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)部的高壓電壓互感器對(duì)于整個(gè)柜體內(nèi)的電場(chǎng)分布影響可以忽略，故仿真模型時(shí)可以去掉。基于以上假設(shè)，以穩(wěn)態(tài)下的電力機(jī)車(chē)運(yùn)行中的高壓網(wǎng)側(cè)柜為例，按照原模型尺寸建立高壓網(wǎng)側(cè)柜模型示意圖如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后網(wǎng)側(cè)柜模型

3 電場(chǎng)仿真原理

3.1 仿真模型建立

目前有研究表明：對(duì)電力機(jī)車(chē)高壓網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)導(dǎo)體施加電壓，將在柜體周?chē)c內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)，但由于工頻電壓下電場(chǎng)隨時(shí)間變化較緩慢，計(jì)算時(shí)可以按照恒定電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行分析[7]。

該仿真重點(diǎn)旨在研究機(jī)車(chē)高壓網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)部關(guān)鍵部件的電場(chǎng)仿真情況，所以柜體與網(wǎng)側(cè)其他機(jī)械結(jié)構(gòu)間的影響可以不作考慮。即模型中柜體內(nèi)的剛性電纜終端和柔性電纜終端均在鋼柜體表面截?cái)啵⑹┘与娊^緣邊界條件。

3.2 邊界條件

電流守恒定律是構(gòu)建出整個(gè)電磁理論的重要支撐之一。電荷守恒對(duì)應(yīng)于時(shí)間維度上的對(duì)稱(chēng)性，而電流守恒則對(duì)應(yīng)于空間維度上的對(duì)稱(chēng)性：

(1)

線性電阻率是用來(lái)表征各類(lèi)材料電阻性質(zhì)的物理屬性。不受導(dǎo)體長(zhǎng)度、橫截面積等因素的影響，是導(dǎo)體物質(zhì)自身的電學(xué)特性，由導(dǎo)體的材料決定，受溫度影響較大：

(2)

電磁媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系，具體可以包括各向同性、各向異性、雙各向同性、雙各向異性等等。電場(chǎng)本構(gòu)關(guān)系：

D=ε0εrE

(3)

電絕緣：n·J=0

(4)

初始值：V=0

(5)

避雷器絕緣：n·J=0

(6)

(7)

柜體與屏蔽接地：V=0

(8)

4 仿真分析

4.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

分別按X、Y、Z三個(gè)方向繪制場(chǎng)強(qiáng)的分布圖。X方向?qū)?yīng)垂直于紙面方向往外，Y方向?qū)?yīng)水平方向，Z方向?qū)?yīng)豎直方向。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)的電勢(shì)分布情況與各個(gè)方向上的場(chǎng)強(qiáng)大小如下圖所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下電勢(shì)圖

圖4 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下真空斷路器、避雷器電場(chǎng)分布圖

由圖4可以看出，網(wǎng)側(cè)柜模型中的真空主斷路器外圍絕緣子在穩(wěn)態(tài)27.5kV運(yùn)行狀況下絕緣性能較為良好，整體斷路器周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度較為理想。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下，復(fù)合氧化鋅避雷器也處于開(kāi)斷狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)畸變情況。

由圖5可以看出，左右兩路高壓隔離開(kāi)關(guān)及其四周的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于網(wǎng)側(cè)柜柜體內(nèi)部其他區(qū)域，尤其是水平方向上的場(chǎng)強(qiáng)幅值更大。大電場(chǎng)強(qiáng)度主要出現(xiàn)在輸入端連接板四角、輸出端連接板四角、閘刀朝內(nèi)一側(cè)邊緣以及連接尖角等處。原因在于各塊狀結(jié)構(gòu)零件尺寸較小，在受屏蔽作用小的棱邊與尖角處聚集了大量電荷，尖端放電效應(yīng)明顯，電場(chǎng)強(qiáng)度劇增[9]。應(yīng)對(duì)于其絕緣性能應(yīng)做進(jìn)一步的研究分析。

圖5 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下隔離開(kāi)關(guān)、電纜終端電場(chǎng)分布圖

4.2 操作過(guò)電壓

操作過(guò)電壓幅值一般是系統(tǒng)額定電壓一定倍數(shù)，通常情況下基于系統(tǒng)的最高運(yùn)行相電壓幅值Um來(lái)決定過(guò)電壓幅值的倍數(shù)K。我國(guó)牽引供電系統(tǒng)額定電壓為27.5kV，屬于35～60kV及以下系統(tǒng)(非直接接地)，其操作過(guò)電壓倍數(shù)K取4.0[10]。操作過(guò)電壓作用下機(jī)車(chē)高壓網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)部電氣設(shè)備的電勢(shì)分布情況如圖6所示。

圖6 操作過(guò)電壓作用下電勢(shì)圖

由圖6可以看出，網(wǎng)側(cè)柜受到操作過(guò)電壓作用后，避雷器導(dǎo)通，柜體內(nèi)部的電勢(shì)幅值明顯提高。并且避雷器閥片導(dǎo)通以后，真空斷路器與氧化鋅避雷器之間絕緣空氣的電勢(shì)等級(jí)也明顯升高。

由圖7可知，當(dāng)電壓等級(jí)提高后，避雷器與真空斷路器底座間的電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的畸變，尤其是在水平方向上更為明顯。考慮在該和諧型機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)柜中，避雷器與斷路器絕緣間隙較小，尤其是在過(guò)電壓情況下，容易造成絕緣擊穿進(jìn)而形成嚴(yán)重事故。

可以看出，電壓等級(jí)提高以后高壓隔離開(kāi)關(guān)周?chē)碾妶?chǎng)分布畸變的更加嚴(yán)重，尤其是剛性電纜終端接頭與隔離開(kāi)關(guān)相連接的部位。在正常電壓下，隔離開(kāi)關(guān)連接處已有電場(chǎng)畸變情況，當(dāng)處于操作過(guò)電壓下時(shí)，其連接處尖角部分畸變程度增加。

圖7 操作過(guò)電壓下真空斷路器、避雷器電場(chǎng)分布圖

圖8 操作過(guò)電壓下隔離開(kāi)關(guān)、剛性電纜終端電場(chǎng)分布圖

4.3 對(duì)比分析

結(jié)合穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果，可以看出在操作過(guò)電壓下，網(wǎng)側(cè)柜真空斷路器與避雷器之間電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，剛性終端與隔離開(kāi)關(guān)連接處電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，屬于絕緣薄弱環(huán)節(jié)。網(wǎng)側(cè)柜集成了網(wǎng)側(cè)電路的部分高壓電氣設(shè)備，其特點(diǎn)是電壓等級(jí)高，空間小[11]，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮高寒及高海拔地區(qū)環(huán)境嚴(yán)峻的特點(diǎn)，增大電氣設(shè)備電氣間隙與爬電距離，提高電氣設(shè)備的絕緣安全。

5 結(jié)論

本文采用有限元仿真分析方法，對(duì)車(chē)載網(wǎng)側(cè)柜關(guān)鍵部件進(jìn)行了正常狀態(tài)及典型過(guò)電壓下電場(chǎng)仿真分析，得到如下結(jié)論：

(1)網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)部電場(chǎng)畸變程度較大的區(qū)域，主要集中在有大電流直接流過(guò)的一次設(shè)備周?chē)?/p>

(2)操作過(guò)電壓下，電場(chǎng)畸變劇烈位置主要集中于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸較小的連接部位。

(3)本文研究的某一和諧型機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)部電器部件的布局導(dǎo)致真空斷路器底座與氧化鋅避雷器間的水平方向、剛性電纜終端接頭與高壓隔離開(kāi)關(guān)輸入端連接板之間的電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。