张士宇，马昭钰，周 博，郭英强

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春130062）

动车组高压套管电场分布特性研究

张士宇，马昭钰，周 博，郭英强

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春130062）

动车组高压套管作为连接车载变压器和车顶高压电缆的主要绝缘设备，其可靠性直接影响动车组的运行可靠性。基于ANSYS有限元软件分析了高压套管的电场分布特性，通过分析高压套管的电位和电场分布情况，掌握工作状态下高压套管的工作特性。结果表明，高压套管内置的金属屏蔽网可以改善接地法兰附近的电场分布，但内置的金属屏蔽网边缘附件的电场强度分布较大，一旦出现网压过高时，金属屏蔽网上下边缘处可能是最先发生局部放电，甚至绝缘击穿，因此可以通过合理选择高压套管的耐压等级或合理优化套管结构降低高压套管的故障率，提高动车组运行的安全可靠性。

高压套管；电场；局部放电

0 引言

随着高速铁路的快速发展，动车组安全可靠运行是车辆运营维护的重点。针对动车组车顶高压系统的研究也得到了人们的关注[1-2]。动车组高压套管，作为连接车载变压器和高压电缆的高压器件，是动车组的重要绝缘设备之一，其可靠性直接影响着动车组的正常运行。动车组高压套管已经成为影响电气化铁路安全稳定运行的重要因素之一。

高压套管连接车载变压器与车顶高压电缆，动车组高压套管与电力系统用高压套管在应用环境上略有差别，动车组高压套管工作环境更为复杂，动车组过分相区时，主断路器由闭合到断开，以及由断开到闭合过程中，因线路与车辆自身参数的作用会产生谐振过电压，过高的谐振过电压可能会导致车载高压电气设备出现闪络甚至放电现象，甚至出现绝缘设备损坏等问题，影响车辆的安全可靠运行。结合现有研究成果[3-7]，笔者重点分析了车用高压套管的电场分布特性，通过对比分析不同内部结构下高压套管的电场分布情况，研究高压套管的电位和场强分布特性，掌握高压套管的电场分布特性，为车用高压套管的设计、选型、维护提供一定参考。

1 车用高压套管电场分析模型

高压套管的2D模型忽略牵引变压器箱体和T型头的影响，只针对高压套管本身，计算高压套管及周围相对较小范围内电场分布，可考虑高压套管的细节，如高压套管内部结构对其电场分布的影响[3-4]。

电磁场的基本理论基础是麦克斯韦方程组，为了便于分析，笔者利用有限元软件ANSYS内置相关算法进行电场分析，高压套管的电场分布特点：电场分布轴对称，其求解可归结为二维轴对称静电场边值问题[4]，其电位的拉普拉斯方程为

边界条件一般为第一和第二类条件[4]：

车用高压套管的2D模型见图1。笔者对比高压套管内屏蔽层的作用，分析不同内屏蔽设置情况下，高压套管的电场分布特性。高压套管的主要结构参数见表1。

图1 高压套管的模型图Fig.1 Model of two kinds of high voltage insulation bushing

表1 高压套管的主要技术参数Table 1 The technical parameters of high voltage insulation bushing mm

建模时，高压套管的尺寸都参照实际的车用高压套管，对于高压套管芯棒和外部绝缘材料的介电常数，不同高压套管的计算所取的数值随具体产品不同而略有差异，但总体上都是芯棒的介电常数大于外部绝缘材料[3]。高压套管各组成介电常数和导电率取值见表2。

表2 高压套管各组成部分的材料属性Table 2 The material properties of the high voltage insulation bushing

车顶绝缘子工作电压为25 kV工频电压，选取高压套管额定电压等级为36 kV。工频电场的电压频率为50 Hz，相对较低，故电场计算中没有采用静电场，而是用谐波准静态场进行计算。

2 高压套管的电位分布

如图2所示为高压套管的电位分布图。

图2 高压套管的电位分布图Fig.2 The potential distribution of high voltage insulation bushing

图3 高压套管沿面电位分布Fig.3 The surface potential distribution of high voltage insulation bushing

由高压套管电位分析结果可知，高压套管的电位沿两端向中间接地法兰逐渐变化，接近接地法兰处，颜色变化非常快。因此，由图2可知高压套管高压端电位下降比较快，高压端承受的电压较高，而接地法兰处，颜色变化相对较慢，电位下降比较缓慢。通过对比内置接地屏蔽网可知，增加内置屏蔽网后，接地法兰附件的内部电位分布得到了改善。

为进一步对比分析高压套管的电位分布差异，两种高压套管的沿面电位分布曲线见图3。

通过对比图3（a）和 3（b）可知，两种情况下的沿面电位分布趋势不同，无接地屏蔽网时，电位沿表面至接地法兰处逐渐降低，均是中间部分电位变化较快。增加接地屏蔽网后，沿面电位分布发生了变化，接地法兰处电位基本降到很低，接地法兰附件电位变化较小。

3 高压套管的电场强度分布

高压套管的电场强度分布见图4。

由图4（a）可知，无接地屏蔽网的高压套管的最大场强出现在接地法兰与箱体接触处，高压套管的最大场强为8.14×106V/m。带接地屏蔽网高压套管的中间电场趋近于均匀变化，接地屏蔽网明显改善了高压套管中间电场的分布，最大场强出现在接地屏蔽网边缘处，带接地屏蔽网的最大场强为8.32×106V/m。接地屏蔽网可以改善高压套管的电场分布，但动车组运行环境复杂，受到外部雷电过电压及操作过电压等因素的影响，为了提高动车组运行的可靠性，会适当提高高压部件的额定电压等级，但因动车组车上安装空间限制，高压套管的尺寸不能有过大改动，因此需要从内部对高压套管进行优化，通过改变接地屏蔽网的位置、大小以及增加屏蔽环可以进一步改善高压套管的内部电场分布[3-6]，笔者通过仿真分析，进一步分析了接地屏蔽网材质对高压套管内部电场分布的影响，接地屏蔽网相对介电常数ε与高压套管内部最大场强的关系见图5。

图4 高压套管的电场强度分布图Fig.4 The electric field intensity distribution of high voltage insulation bushing

图5 高压套管最大场强与接地屏蔽网相对介电常数关系Fig.5 The relationship between high voltage insulation bushing electric field intensity and relative dielectric constant of inner-grounded electrode

由图5可知，接地屏蔽网的相对介电常数对高压套管的最大场强有一定的影响，当接地屏蔽网所选材料相对介电常数较高时，高压套管的最大场强变化较小，仅改变了电场的分布。而随着降低接地屏蔽网的相对介电常数的降低，高压套管的最大电场强度也会降低。因此，当高压套管尺寸受到限制时，如动车组高压套管安装空间有限，可以通过改变高压套管内部结构进行优化。通过合理设置接地屏蔽网的尺寸及位置，并且合理选择接地屏蔽网的材料，可以满足在不改变高压套管外形尺寸的前提下，提高高压套管的绝缘性能。

4 结论

高压套管结构的不同，不仅会影响其电场分布，不同结构对高压套管最大场强分布也有一定的影响。笔者采用ANSYS软件进行两种不同内部构造车用高压套管进行了仿真计算，得出以下结论：

1）在接地屏蔽网的作用下，车用高压套管的电位分布发生了变化，改善了高压套管中部与箱体接触处的电位分布。

2）在接地屏蔽网的作用下，车用高压套管的内部电场强度分布也得到了改善，通过对比分析两种结构下高压套管的最大电场强度可知，合理选择接地屏蔽网，可以进一步改善高压套管的最大电场强度。

综上所述，通过分别对比两种结构高压套管电位和电场分布可知，增加接地屏蔽网可以改善高压套管的电位和场强分布，但接地屏蔽网边缘处也会产生最大场强，当出现操作过电压或外部过电压时，接地屏蔽网边缘处容易发生局部放电，甚至是绝缘失效导致击穿，由分析可知，通过合理设置高压套管接地屏蔽网的材料、结构，可以提高高压套管的绝缘性。因此，高压套管设计、选型时，应全面考虑结构对其电气特性的影响，以保证系统的安全可靠性。

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Research on the Electric Field Distribution Characteristics of EMU High Voltage Insulation Bushing

ZHANG Shiyu， MA Zhaoyu， ZHOU Bo， GUO Yingqiang
（CRRC Changchun Railway Vehicle Co.， Ltd.， Jilin 130062， China）

EMU High Voltage Insulation Bushing as the main insulation equipment which connect train-mounted transformer and roof high voltage cable，its reliability direct influence the operational reliability of EMU.The electric field distribution Characteristics of high voltage insulation bushing were analyzed based on ANSYS Finite Element Software，through analysis on the electric field distribution and electric potential of high voltage bushing，the working characteristic of high voltage bushing in operation mode was obtained.The results indicate that the inner-metal shielding net of high voltage bushing changes the electric field distribution around the grounded flange，however，the electric field distribution around the edge of inner-metal shielding net is higher， when the voltage is increased， the top and bottom edges of inner-metal shielding net will partial discharge firstly，even insulation failure.So through selecting the appropriate voltage level and Reasonable optimizing the structure of high voltage bushing，the failure rate of high voltage bushing could be reduced to improve the safe reliability of EMU.

high voltage insulation bushing； electric field； partial discharge

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.030

2015-12-30

张士宇 （1988—），男，工程师，硕士，研究方向为轨道客车高压系统及牵引系统测试研究。