小型气候箱绝缘套管电场分析与结构优化设计

王胜辉，柏 瑞，冯宏恩

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

小型气候箱绝缘套管电场分析与结构优化设计

王胜辉，柏 瑞，冯宏恩

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

通过绝缘套管向小型气候箱内引入高电压进行考虑气候因素的高压放电试验时，若绝缘套管结构设计不合理，容易发生局部放电进而加速套管绝缘老化。为避免这一现象发生，在自制小型气候箱前，首先利用ANSYS软件对小型气候箱绝缘套管电场分布进行仿真分析。从分析结果发现，在安装板处套管电场强度较高，且分布极不均匀。对绝缘套管的结构及安装方式提出优化设计方案，明显改善了电场的分布状况，这一优化方案对于绝缘套管的生产及加工具有现实的指导意义。

绝缘套管;电场分析;结构优化

0 引言

在实验室进行放电实验研究时，通常需要考虑气候因素对实验结果的影响，但在短时间内气候变化并不明显，若是凭借自然变化以及在多个地域开展实验，则拖延研究周期。另外自然界中气候因素之间的变化相互影响着，在研究过程中人们无法实现在其他条件不变只有一个气候条件变化的情况下，观察该气候条件对实验结果的影响。因此研究人员致力于寻找一种不受时间和空间限制，随时随地可以控制气候变化的密闭环境来进行实验，人工气候室便是在这样的需求中应运而生且不断发展［1～5］。

人工气候室在实验室中的应用也存在一些问题，例如某些人工气候室室内的空间较庞大，调节一个气候因素的变化往往需要消耗十几甚至二十几个小时的时间，比较适用于一些大型设备需要占用大量空间的实验。对于较小设备如针板、棒板间隙等进行考虑气候因素的放电实验时，则可在小型气候箱内进行。小型气候箱箱内空间较小，需要调节气体量相应减少，缩短了调节时间，该仪器在很大程度上加快了实验的发展进程，不仅减少占地面积，而且在生产仪器时可使用小型号的制冷器、加湿器、真空泵等调节装置，节省设备投资［3］。

为了能够承受调节气压时产生的负压，箱体需要采用钢板制作，由于钢板是金属导体材料，向箱体内引入高电压时必须使用绝缘套管。但绝缘套管在安装处仍比较容易出现绝缘故障，其表现为该处绝缘材料容易发生局部老化，降低绝缘能力，严重时会导致导电杆与金属箱体发生放电现象，危及人员安全［6，7］。因此，在生产研制该套设备前，首先利用ANSYS软件对小型气候箱绝缘套管进行电场仿真分析，对绝缘套管的结构设计以及安装方式进一步完善优化。

1 小型气候箱绝缘套管模型及计算

1.1 气候箱及套管几何模型

初步设计小型气候箱箱体高H=1.5 m，宽L=1.0 m，绝缘套管安装在箱体顶部。箱体采用双层钢板制作，每层钢板的厚度为5 mm，在两层钢板之间填充有聚苯乙烯泡沫材料，泡沫一方面起到一定的机械支撑作用，另一方面可以缓冲调节气压时外界对箱体产生的压力。

绝缘套管形状参数参照FCWB型干式复合绝缘套管，主要组成部分如图1所示:1.铜导电杆;2.环氧树脂纤维;3.硅橡胶;4.铝安装板(法兰)共11个伞裙 (箱体外有6个伞群，箱体内有5个伞群，其中大伞裙外径185 mm，小伞裙外径155 mm)，导电杆直径为25 mm，环氧树脂纤维外径为70 mm，硅橡胶外径为78 mm。

图1 小型气候箱及绝缘套管模型

1.2 ANSYS电场仿真计算

小型气候箱与绝缘套管均是轴对称模型，沿轴向进行剖分，取截面的1/2区域进行二维轴对称电场仿真，各绝缘材料采用的相对介电常数见表 1［8，9］。由于 50 Hz 工频电压频率不高，可采用静电场h方法进行分析，有限元计算选用Plane121单元和远场INFIN110单元，外围远场区域使用INFIN110单元，近场区域使用Plane121单元［10～13］。因箱体接地，施加在钢板及安装板上的电压为0 V，施加在导电杆上电压为50 kV。

表1 各材料相对介电常数

2 绝缘套管电场分析

图2为计算所得高压绝缘套管安装板附近电场强度分布云图，由图中可知最大场强出现在环氧树脂纤维内径与导电杆接触位置从图中右侧数据显示中看出，其最大值为3.37 kV/mm，并沿着环氧树脂纤维、硅橡胶向外逐渐减弱，到达硅橡胶与安装板连接处暴露在空气中的两个接触角时场强又逐渐增大，甚至超过了3.0 kV/mm。空气的击穿场强为 2.5 ～ 3.0 kV/mm［15，16］，随着电压的升高，安装板附近极易发生电晕和局部放电。

图3 整体电场分布云图

图3为整个绝缘套管电场分布云图，观察发现高场强主要集中在套管安装处，且电场分布极不均匀。导电杆与环氧树脂纤维接触的圆周面始终存在场强，套管的上下两部分场强比安装处低很多，但若是存在空气间隙，长期使用后空气容易发生击穿，导致套管发生局部老化，绝缘层的绝缘能力下降。

3 结构优化设计

3.1 套管结构优化

经过以上电场分析，可以看出影响绝缘套管电场分布的主要因素是套管本身的结构设计，同时套管的安装方式对电场分布也产生一定的影响，据此本文对套管的结构设计做出3点改进。

(1)套管安装处电场强度较高主要是因为绝缘层内侧与高电位的导电杆接触，绝缘层外侧与0电位的安装板接触，相较其他位置而言导电杆与安装板之间电气绝缘距离d较小，由电场强度E=U/d(其中U为给两板所施加的电压)知［17，18］，在d较小的情况下电场强度E偏大，且E值在高压端最高，从高压端向低压端逐渐降低，故可适当增加绝缘层厚度，降低安装板处场强大小。由于只是套管安装处场强较高，只需在安装板处加大硅橡胶厚度 (从箱体外最后一个伞群到箱体内第一个伞群)，外径由原来的78 mm增加至84 mm。

(2)针对硅橡胶与安装板连接处暴露在空气中的两个接触角场强较高的状况，设计时可在安装板的上下两个端面加上一层硅橡胶 (或喷涂一层半导电硅胶)，硅橡胶能覆盖整个端面，并逐渐变薄直至到达硅橡胶护套处，避免了硅橡胶与安装板接触的位置直接暴露在空气中。若在安装时安装板夹在两层钢板之间，则是钢板与硅橡胶直接接触，同样可在钢板与硅橡胶接触位置喷涂一定厚度的半导电硅胶。

(3)由图3知，导电杆与环氧树脂纤维接触的圆周面始终存在场强，为避免长期使用后空气发生击穿，在制作绝缘套管时应将环氧树脂纤维直接浇注在导电杆上，消除导电杆与环氧树脂纤维之间的空隙。为保险起见可在套管端部导电杆与环氧树脂接触位置涂敷一层可塑橡胶，防止外界空气进入空隙内。

3.2 优化前后电场分布变化

根据3.1中套管结构优化方案，再次建立ANSYS仿真模型进行电场分析，计算的绝缘套管安装板处电场分布如图4所示。对比图2及图4发现，经过上述3种优化处理后，绝缘套管安装板处的电场分布在很大程度上得到了改善，特别是在安装板与硅橡胶连接的上下两个端点处，其场强最大值为1.5 kV/mm(明显低于优化前的3.0 kV/mm)。图5为优化前后整个绝缘套管从最高场强点到安装板与硅橡胶连接的上端点之间的场强变化曲线，可见优化后电场强度明显低于优化前，最大场强由3.5 kV/mm降低到2.2 kV/mm，且分布较为均匀。

图4 优化后安装板处电场分布云图

图5 优化前后场强变化曲线图

3.3 现场试验

经过上述优化设计后联系制造厂家对小型气候箱及绝缘套管进行加工，制作完好的整套设备如图6所示。对该设备施加50 kV的工频电压进行现场测试，没有发生任何放电现象。为检验该装置的耐受能力，逐渐升高电压直至60 kV依然没有发生任何放电现象，说明在正常状况下施加50 kV的电压安全可行，上述设计方案合理，降低发生电晕放电、局部放电的可能。

图6 小型气候箱实物图

4 结论

(1)从仿真结果中发现，场强主要集中在套管安装板处且分布极不均匀，最大场强出现在环氧树脂纤维内径与导电杆接触位置，硅橡胶与安装板连接处暴露在空气中的两个接触角场强也较大，已高于空气击穿场强，容易发生电晕放电。沿着导电杆与环氧树脂纤维接触的圆周面始终存在场强，应保持导电杆与环氧树脂纤维的紧密连接。

(2)对于绝缘套管安装板处这一薄弱环节，提出增大安装板处硅橡胶厚度的方法增大绝缘能力，同时在安装板的上下两个断面各自增加一圈硅橡胶，防止硅橡胶与安装板连接处直接暴露在空气中。

(3)将绝缘套管安装在箱体上时，尽量避免钢板与硅橡胶直接接触，在无法避免的情况下，建议在钢板与硅橡胶接触位置喷涂一层半导电硅胶。

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

Wang Shenghui，Bai Rui，Feng 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。

国家自然科学基金资助项目 (51077054);河北省自然科学基金资助项目 (E2012502055);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (12QN36)。

王胜辉 (1977-)，男，讲师，从事电气设备在线监测与故障诊断方面的研究，E-mail:gaoyawsh@163．com。