动车组车顶高压电器箱的电场计算及优化设计

集成化的动车组车顶高压电器箱,其箱内电气设备布局非常紧凑,可能造成某些设备的金具表面电场集中,导致电晕放电。建立动车组高压电器箱的三维有限元计算模型:在正常工况(额定工作电压)下,基于静电场分析箱内整体电场的分布规律;在异常工况(标准雷电冲击电压)下,基于瞬态电场分析箱内整体电场分布及其随时间的变化规律。针对高压电器箱内表面场强较集中的金属部件,分别进行电场调整:采用改变电极形状的方法,调整高压隔离开关的表面电场;采用包裹绝缘护套的方法,调整电压互感器汇流排的表面电场;采用增设开口均压环的方法,优化真空断路器上/下刀片的表面电场,并借助正交化实验设计方法,确定开口均压环的最佳设计参数。最后,通过悬浮金属的电位测量试验,验证有限元计算的正确性。文中的分析计算和结构优化方法可为高压电器箱的工程设计提供参考。     

动车组车顶高压电器箱三维有限元仿真及试验验证北大核心CSCD

动车组高压电器箱放置于车顶,内部集成了多种电气设备。但集成化的高压电器箱,使得箱内设备布局非常紧凑,可能造成某些设备金具表面电场集中,导致电晕放电。为分析动车组高压电器箱内部的电场分布情况,文中建立了高压电器箱的三维有限元模型。采用静电场和瞬态电场有限元方法,分别在额定工作电压和标准操作冲击电压下,计算了高压箱内的整体电场分布及其随时间的变化规律。为验证有限元仿真的准确性,进行了高压电器箱的电位测量试验。在额定工作电压下,测量了箱内高压隔离开关金具的悬浮电位;在操作过电压下,测量了箱外5个试验点处的电位。试验结果表明,在不同工况下,仿真计算和试验测量数据的相对误差不超过12.4%,建立的三维有限元仿真模型是合理有效的。文中的分析方法可为高压电器箱的研发及设计提供参考,并为后续的高压电器箱内部绝缘结构优化的仿真分析提供基础。     

分离水珠对车顶绝缘子沿面电场影响及相应优化改进措施

针对动车组车顶绝缘子低温、凝露、大雾天气下易引发闪络事故,以受电弓绝缘子为研究对象,建立绝缘子表面水珠简化的平行电极3维计算模型。采用电场旋转角定义水珠的外加电场方向,研究了外加电场下最大电场增强因子与电场旋转角的关系,得到了2者之间的函数关系,以此分析了车顶绝缘子均压环的优化设置参数。研究结果表明:含分离水珠的车顶绝缘子表面电场畸变与外加场强方向有关,最大场强点位于等电位面与水珠的切点处,端切点处电场的畸变比顶切点处更明显;考虑体积为1μL的半球形水珠分布于车顶绝缘子不同位置的电场增强因子变化,优化高压端伞裙表面最大场强的原则,确定了均压环半径R=90 mm、距离高压端高度H=49 mm、截面半径r=20 mm的最佳均压环配置方案。     

车顶绝缘子湿润条件下表面电场分布研究

针对冬季雨露、大雾天气下动车组车顶绝缘子闪络问题,利用电准静态场和有限元理论构建了动车组受电弓支撑绝缘子高压部件以及含水分车顶绝缘子的三维模型,研究了有分离水珠的绝缘子沿面电场分布特性,分析了洁净水膜及染污水膜对绝缘子沿面电场分布影响。研究结果表明:含水珠绝缘子对整体空间上的电场分布影响甚微,局部电场畸变强烈,最大场强达原场强6.31倍;绝缘子圆周方向上不对称,近支架端(0°)的最大电场最弱,远离支架端(180°)最大电场最强,最大场强随圆周角度增大而增大,且圆周上最大场强均超过空气电晕起始场强;憎水性丧失染污水膜出现后更易引起车顶绝缘子电晕放电,比洁净水膜的情况影响更剧烈。     

高速列车车顶高压设备电场仿真计算及金具结构优化

高速列车车顶高压设备易出现电晕放电甚至沿面闪络,而电场分布特性是影响放电的重要因素之一。笔者结合实际运行中的某高速列车车顶高压设备的设计方案,利用有限元方法仿真计算了其电场分布,得到并分析了车顶高压设备电场分布的规律及特点,并优化了部分场强过高的金具结构。结果表明,车顶高压设备电场分布无轴对称性且极不均匀,设备伞裙的最高场强位于伞裙与高压端金具连接的部位;部分金具表面场强超过起晕控制场强,可能引发电晕放电,经优化后的金具表面场强满足起晕控制场强的要求。     

水滴降落对列车车顶电场的影响及应对策略

雾、雨环境中高速列车车顶容易发生击穿烧蚀从而引发事故。针对该问题研究了车顶高压端水滴降落对车顶电场分布的影响,提出了高速列车车顶绝缘优化策略。通过对影响车顶电场的有效水滴分析,建立了车顶分层电场模型,讨论了有效水滴及其周围电场分布状况;利用有限元分析方法建立了仿真模型并讨论了列车速度、水滴速度、车顶设计状况对电场的影响。结果表明:接触网上水滴分布一定时,列车速度升高过程中由有效水滴造成的车顶电场畸变存在最大值,当列车速度为10~15 m/s时,车顶电场畸变程度最大;同时电场畸变程度随接触网上水滴分布密度增大而增大;车顶不平时会升高低压侧电场强度,采用平整车顶会降低低压侧电场强度,但会使高压侧电场强度升高;而采用绝缘材料设计较平整的车顶会降低两侧电场强度,从而减少车顶击穿烧蚀,达到优化目的。     

动车组车顶硅橡胶复合绝缘子干湿闪特性分析北大核心CSCD

动车组车顶高压系统是动车组运行过程中从接触网可靠获取动力的主要部件,长期暴露在大气中的车顶绝缘子一旦发生闪络故障,将会造成动车组供电中断或趴窝故障。文中以一种新型动车组车顶硅橡胶复合绝缘子为对象,采用持续升压法对8只绝缘子开展干湿闪络试验。试验结果表明,绝缘子干闪电压均大于140 kV,标准差小于3%;湿闪电压值大于120 kV,标准差小于3%;干湿闪电压值均满足动车组车顶绝缘子入网考核值100 kV、85 kV;湿润绝缘子表面用水电导率越高,放电电弧出现的时间越早,用相机拍摄到的电弧越明显;当低压侧金具被完全包覆时,多次闪络可造成包覆低压金具的护层边缘出现明显的烧蚀,烧蚀后的护层可能会在高速气流作用下被撕裂,建议后续的绝缘子结构优化设计中不完全用绝缘护层包覆低压金具。为解释干湿闪电压及放电过程差异,构建包含水滴或积水的三维模型,分析伞裙表面离散水滴或积水对伞裙表面附近空气域电场分布的影响。仿真结果表明:水滴或积水的存在畸变了其附近的电场强度,畸变后的电场值可达表面干燥时电场值的百倍。研究结果可为后续动车组车顶硅橡胶复合绝缘子结构优化设计提供参考。     

动车组高压隔离开关用绝缘子电场分布特性及其影响因素仿真分析

车顶绝缘子是动车组的重要绝缘设备,其表面电位分布不均或场强过高可能会导致局部放电,因此有必要对其电场分布特性及其影响因素进行研究。笔者选择Ansys有限元分析软件,建立三维电场仿真模型,对动车组高压隔离开关绝缘子实际结构进行了计算分析。仿真结果表明:绝缘子高压端场强高,随着爬电距离的增大,其下降速度有减小趋势;绝缘子沿周向电位及电场分布存在差异性,随着爬电距离的增大,差异性逐渐减小;车顶导流罩对绝缘子沿面电位及电场分布影响甚微;高压隔离闸刀对绝缘子沿面电位及电场的影响主要体现在1号绝缘子0°方向,其次是2号绝缘子180°方向;高压隔离导杆对1号绝缘子沿面电位及电场分布影响较小,但对2号绝缘子影响较大。文中结果可为仿真模型简化及降低绝缘子端部场强提供依据。     

潮湿环境下车顶绝缘子电场分布研究及优化策略

潮湿天气环境中,凝集在车顶绝缘子表面的水珠会畸变电场,引发电晕放电,影响列车运行安全。文中针对车顶受电弓支撑绝缘子建立有限元仿真模型,分析了水滴位置、大小、数量等参数对绝缘子沿面电场的影响,并将常用于高电压等级输电线路中的均压环配置原理运用到电压等级较低的车顶绝缘子中,以抑制水珠诱发的电晕放电。结论表明:护套与伞裙连接处水珠对电场畸变最严重;伞裙上半径r=2 mm的水珠对电场畸变影响最严重;水珠间距越大,沿面平均场强越小。确定了均压环环径R=85 mm,管径d=24 mm,屏蔽深度H=50 mm的均压环最佳配置方案。     

动车组车顶隔离开关用支柱绝缘子污秽状态下的电场分布特性研究

摘 要：研究污秽状态下支柱绝缘子的电场分布特性对于动车组的安全稳定运行具有重要的意义。本文以FQJG2-30-16-400-M型车顶复合支柱绝缘子为研究对象,进行如下研究：对绝缘子表面进行淋雨试验,同时施加40kV工频电压,靠近金具部分的伞裙首先发生闪络,且出现了干燥带,伞裙边缘形成大粒径的水珠时,容易引发局部放电。利用comsol有限元分析软件在绝缘子靠近金具的伞裙表面设置干燥带和水珠,护套表面存在干燥带时,电场畸变明显,杆径处的干燥带场强最大,上表面干燥带场强大于下表面干燥带场强,干燥带场强最大值随着干燥带数量增加反而减小。绝缘子表面出现水珠时,水珠附近的场强明显增大,越靠近中轴线水珠表面电场强度越大。靠近高压端的水珠的最大电场强度受半径的影响较大,低压端则不明显。     

GIS盆式绝缘子气隙缺陷下电场变化规律仿真研究

为了研究气体绝缘组合电器(GIS)盆式绝缘子存在气隙缺陷时的电场变化规律,以800 kV GIS盆式绝缘子为研究对象,建立了三维仿真模型,基于有限元原理仿真计算了GIS盆式绝缘子内部分别含有气泡及缝隙等典型气隙缺陷时的电场分布,并分析了气泡位置及大小、缝隙分布方向及宽度对盆式绝缘子电场的影响规律。仿真结果表明:电场畸变主要出现在缺陷处,气泡表面最大场强比无气泡时增大50%左右,较高场强区气泡表面的场强能够引起气体电离;气泡半径对场强变化的影响不到6%;横向裂缝场强最大增大约1.78倍,远大于径向裂缝场强的变化;径向裂缝越宽,裂缝最大场强越大;横向裂缝越宽,场强畸变越小。     

特高压直流输电线路档距内电场三维仿真模拟

传统的二维模型不能正确反映特高压直流输电线路档距内考虑弧垂和跨越建筑物等因素时的电场分布.因此,本文采用镜像法计算标称场强.结合悬链线方程,给出特高压直流输电线路电场三维仿真计算解析法的详细步骤,并采用该算法研究了考虑弧垂以及存在建筑物时输电线路档距内的三维电场分布.无建筑物时,线路正负极导线下方场强最大值出现在弧垂最大处,随着远离弧垂最大点,场强沿着纵向和横向逐渐衰减.存在建筑物时,建筑物房项尖角处的场强将发生畸变.因而,在评价跨越建筑物的特高压直流输电线路对环境的影响时,必须考虑建筑物对场强的畸变影响.     

接触不良对CBB电容耐久性实验的影响

金属化聚丙烯电容器因其介质损耗低、绝缘电阻高、性能稳定,广泛应用于空调、冰箱等,在电器行业中处于特殊地位。由于长时间承受电场和热场联合作用,聚丙烯薄膜介质内部易产生空间电荷积累,引起局部场强畸变,导致电容器性能衰退直至失效,为此耐久性实验即作为检测金属化聚丙烯电容器电气安全性能的重要实验项目,成为判断金属化聚丙烯电容器使用寿命的基准。本文通过模拟耐久性实验中常见的接触不良情况,研究接触不良对电场和热场的影响,以提高金属化聚丙烯电容耐器耐久性实验的准确性及可靠性,为行业提供有益参考。     

考虑合成电场影响的换流站直流场巡检机器人路径优化

换流站直流场内智能巡检机器人在场强较大区域中运行时出现过通讯中断、失控偏移等问题。为分析考虑离子流的合成电场对智能巡检机器人的影响，文中首先建立直流场三维模型，对不同运行工况下直流场区域的空间标称电场进行仿真分析；然后对直流场不同区域选取多个测量点进行合成电场实测，结合多点实测数据对仿真结果进行差分修正。最后根据修正后的空间电场数值，优化机器人的巡检路径，避开高场强区域。结果表明，巡检机器人在优化后的巡检路径上巡检，可以避开场强超过阈值的地方，降低了受干扰风险，提高了巡检的可靠性。     

金具结构对动车组受电弓支柱绝缘子附近区域电场分布的影响分析

动车组车顶受电弓支柱绝缘子高压侧金具结构会影响绝缘子表面电场强度的分布均匀度,电场不均匀会造成绝缘子闪络频次增加。为此,基于静电场理论,联合Solidworks软件和有限元软件静电场模块仿真分析了金具结构对绝缘子附近空气域及绝缘子表面电位、电场分布变化的影响,优化设计金具结构并试验验证其效果。研究结果表明,现有连接方式下高压侧金具连接处附近场强分布不均匀,优化后的连接金具可有效降低局部区域电位梯度,电位梯度的降低有助于减小闪络故障的发生频次。文中研究结果可为后续动车组受电弓绝缘子结构优化设计及试验验证提供参考。     

动车组车顶绝缘子电场分布特性研究

动车组车顶绝缘子作为车顶的主要绝缘设备,其可靠性直接影响动车组的正常运行。文中基于ANSYS有限元软件分析了车顶绝缘子结构对其电场分布的影响,通过分析洁净状态下和水滴附着状态下绝缘子的电位和电场,得到伞裙结构对绝缘子电场分布特性的影响。结果表明,绝缘子顶部大小伞裙结构的不同配合方式会影响绝缘子的电场分布,尤其水滴附着状态下,绝缘子顶部采用大伞裙结构的会增加绝缘子电场强度,随着电场强度的增加,增加了绝缘子顶部发生局部放电的可能性。     

分离水珠对支柱绝缘子电场分布的影响

憎水性时表面的分离水珠对电场有畸变作用,容易导致局部放电。为此,基于有限元法建立了110kV瓷支柱绝缘子的真实模型和模拟的复合支柱绝缘子模型,基于准静态拟谐性场分析了分离水珠存在时表面电场/电位的分布情况并与不存在水珠的情况进行了比较,获得了容易发生局部放电的区域和水珠畸变场强的影响范围。同时分析了接触角、水珠间距、电导率对电场的影响,结果表明:水珠的存在畸变了其附近的电场,但对电场的整体分布和电位影响很小;上下金具附近、伞裙上表面与柱体相交处是电场集中区域;电场仅在大伞裙外侧以内小范围内发生畸变;复合支柱绝缘子沿面电场略小于同样形状的瓷支柱绝缘子;随着水珠接触角的增加/间距的减少电场畸变更严重;实际情况中水的电导率对场强几乎没有影响。     

干湿分区对直流穿墙套管内外部场强影响研究分析

基于电场仿真软件开展特高压换流站直流穿墙套管在雨雪天气下形成干湿分区后,外部电场畸变对套管内部场强的影响分析。进一步搭建干湿分区畸变形成的空间电荷模型,定量开展其对直流电场的影响分析,得到了不同空间电荷量、不同绝缘介质下,套管外部场强畸变对内部电场强度变化的影响,确定套管内部放电的原因为外部存在干湿分区引起内部SF₆气体场强异常增大,导致穿墙套管内部放电。为特高压换流站直流穿墙套管外绝缘设计与安装优化设计提供了支撑,保障了特高压换流站穿墙套管设备的稳定运行。     

施工缺陷对超导电缆中间接头内电场分布的影响

中间接头在高温超导电缆中是最薄弱的环节,制造和施工环节中造成的任何缺陷都有可能在运行时产生电场畸变,缩短中间接头使用寿命,施工缺陷严重时可能引发电缆局部放电、击穿等事故。为此本文利用有限元仿真软件分析了绝缘层划伤、绝缘层杂质、超导带焊接毛刺三种典型施工缺陷对接头内电场分布的影响规律。研究结果表明,绝缘层划伤存在空气隙时,最大电场强度随着空气隙厚度增加而减小;而当空气隙厚度保持不变时,最大场强与空气隙长度呈正相关增大。绝缘层残留杂质时,半导电层切断处、超导带焊接部位附近的绝缘层杂质周围电场畸变最严重,且超导带焊接部位周围最大场强大于半导电层切断处。此外,杂质大小、位置及带电与否均会对电场造成很大影响。随着杂质半径增加,超导带焊接部位和半导电层切断附近杂质周围场强近似呈正比例增长;杂质不同电荷量和电性对电场畸变程度同样有重大影响,特别是当部分杂质为电负性时,周围最大场强均超过5MV/m。超导带焊接毛刺的位置及大小对场强有较大影响,其中在超导带焊接部位与绝缘层分界面处场强最大,且沿超导带焊接部位径向的毛刺周围场强高于沿轴向的场强。研究成果为分析超导电缆故障原因,制定接头施工工艺提供一定参考。     

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响

交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆终端内各绝缘材料的电导率受温度和电场强度的影响差异较大,这是导致其电场分布复杂、研发难度大的关键因素之一。为此,利用多物理场耦合软件仿真计算了以不同性质硅橡胶为增强绝缘的高压直流电缆终端模型内的电场分布,分析了绝缘材料的电导特性对电场分布的影响与机理。研究结果表明:以高压交流电缆终端中常用的硅橡胶作为直流电缆终端的增强绝缘时,应力锥根部的硅橡胶内电场严重畸变,最大电场强度(简称场强)值约达到电缆本体平均场强的6.7倍;以具有合适非线性电导特性的硅橡胶做增强绝缘时,直流电缆终端内电场分布均匀,且最大场强点位于电缆XLPE绝缘内。说明应用电导非线性硅橡胶是解决XLPE绝缘高压直流电缆终端制造瓶颈问题的有效方法之一。