高速气流下动车组车顶绝缘子积污特性研究

宋 玮，贾 男，杨升杰

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003）

0 引言

我国地域辽阔，随着我国经济的快速发展及对能源消耗量的不断增加，而普通电力机车由于运行速度慢、能源消耗大等缺点，已经不能有效满足我国经济的发展及区域经济之间加深合作的要求[1-2]。高速铁路具有运行速度快、运输能力强、能源消耗低等一系列优点，逐步发展成我国重要的运载工具。为了促进了社会的和谐发展，国家在《中长期铁路网规划》中明确提出发展目标：到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要技术装备达到或接近国际先进水平。车顶绝缘系统作为动车组的核心部分，在动车组高速运行时，车顶周围气流速度将提高，这将会改变车顶绝缘子表面积污特性，影响车顶高压外绝缘系统的绝缘性能[3-7]。分析高速气流作用下车顶绝缘子表面积污分布规律，对绝缘子结构优化及防污闪工作具有重要意义。

目前国内外对绝缘子表面积污特性进行了大量研究，研究重点集中在输电线路绝缘子表面污秽分布规律、污秽成分及积污对闪络放电特性的影响等，但是对高速气流作用下绝缘子伞裙表面积污特性研究较少[8-11]。文献[12]在风洞实验室中模拟了低速气流条件下电压极性对绝缘子表面积污特性的影响。文献[13]分析了污秽来源与污秽成分之间的关系和污闪电压与污秽成分之间的关系。文献[14-15]通过对深圳地区多处有代表性输电杆塔上进行带电与不带电复合绝缘子自然积污试验，研究了带电与否对绝缘子上下表面灰密及盐密的影响。

高速气流作用下污秽颗粒在绝缘子表面的碰撞和粘附过程使得动车组车顶绝缘子的积污特性不同于静止的输电线路绝缘子，不能简单的将目前研究较多的输电线路绝缘子积污规律直接加以引用。瓷绝缘子因其对污秽具有良好的自洁性而在电网中得到广泛应用，但是瓷绝缘子易于碎裂。对于高速运行的动车组车顶绝缘子的选择不仅要考虑其电气性能，也要考虑其在高速气流作用下的机械性能。目前在网运行动车组车顶绝缘子主要是硅橡胶复合绝缘子，因此笔者以硅橡胶绝缘子为对象进行表面污秽分布规律研究。

1 试验装置、试品及方法

1.1 积污试验装置

风洞系统使得在实验室内模拟高速气流环境下动车组车顶绝缘子积污特性成为可能，笔者所用风洞系统结构如图1所示，主要由高速试验段、低速试验段和风机组成。其中，低速段的长宽高分别为1050cm、150cm、100cm，试验风速在0～20m/s内连续可调；高速段的长宽高分别为280 cm、75 cm、75 cm，试验风速在0～60 m/s内连续可调。根据试验要求选择高速段为试验段，风速选择60 m/s，最为接近动车运行时速度。

图1 风洞系统结构Fig1 Wind tunnel system structure

1.2 试验试品和方法

试验所用试品绝缘子为动车组车顶高压隔离开关硅橡胶复合绝缘子，其相关外形参数如图2和表1所示。其中，H、D、L分别为试品绝缘子的结构高度、伞裙直径、爬电距离。

图2 试品绝缘子结构Fig.2 Test insulator structure

表1 绝缘子基本结构参数Table 1 Basic structural parameters of insulator（mm）

为研究绝缘子表面污秽分布规律，试验中污秽样品选择颗粒粒径约为50微米，密度为0.47 g/cm3的硅藻土，由于其密度和粒径较小，在人工风洞中容易和高速气流混合均匀，并且在试验过程中，经测量发现风洞内高速段浓度约为500 μg/m3，为严重雾霾天气条件下空气中的污秽含量。

试验中由于绝缘子在单一方向风作用下，会出现迎风面和背风面积污量不同的现象，因此分别以绝缘子各伞裙上下表面的迎风面和背风面为测量对象，为叙述方便文中规定最上端为1号伞裙，从上向下依次增加。测量各伞裙区域的灰密时，为保证试验结果的精确性，同一试验条件下积污试验进行3次，取其平均值。

1.3 试验模拟仿真

为了验证所选风洞实验系统与对应自然条件的有效性，笔者利用fluent仿真软件进行自然条件和风洞条件下的流体仿真。以高压隔离开关硅橡胶绝缘子为例，其仿真结果如图3所示。

由图3可以看出，在高速单向风条件下，虽然有少量风速不是严格的水平方向，但是绝缘子周围的自然风速流场和风洞中的绝缘子周围的风速流场基本一致。因此在不考虑空气湿度等天气条件下，利用人工风洞试验模拟高速气流条件下的绝缘子积污，具有一定的参考价值和指导意义。

2 积污试验结果及数据分析

2.1 积污饱和现象

为了得到高压隔离开关硅橡胶绝缘子的积污特性，按照上所述试验方法分别对绝缘子进行人工污秽试验。试验测量表明，人工风洞中绝缘子在恒定风速为60 m/s持续作用下，绝缘子表面灰密随时间增加会达到饱和状态，以绝缘子大伞裙背风面平均灰密为例，饱和特性如图4所示。

图3 绝缘子风速流场Fig.3 Wind velocity flow field of insulator

图4 绝缘子表面积污饱和特性Fig.4 Contamination saturation characteristics of insulator surface

由4可知，由于硅橡胶绝缘子表面粗糙度较大，积污容易达到饱和，达到饱和所需时间大约为8 h，而相关文献表面在风洞积污试验中瓷绝缘子表面积污达到饱和约需要15 h。这与绝缘子表面粗糙程度密切相关。

2.2 绝缘子迎背风面污秽分布分析

绝缘子在风洞中模拟高速气流条件作用下，积污达到饱和时绝缘子迎风面和背风面积污情况如图5所示。

图5 绝缘子迎背风面积污情况Fig.5 Contamination status on windward and leeward of insulator

由图5及试验结果发现，在高速气流作用下，绝缘子背风面积污量大于迎风面。由于绝缘子芯棒半径较大，不管是迎风面还是背风面伞裙根部都出现了较严重的积污。有研究表面，高速气流作用下，绝缘子伞裙背风面及芯棒处的压强相对于迎风面较小，污秽在此沉积下来以后，不容易被高速气流带走。

为深入分析在高速气流作用下绝缘子迎风面和背风面积污分布规律，下面具体分析不同时长持续作用下绝缘子各伞裙背风面所占面积比例（即背风面面积与整个伞裙面积的比值）及迎背风面污秽分布不均匀程度。

1）高速气流持续时间对绝缘子背风面所占面积比例的影响。图6所示为绝缘子分别在2 h、4 h和8 h持续时长下背风面所占面积比例。

图6 不同时长背风面所占面积比例百分数Fig.6 The leeward side of the insulator area proportion with different time length

由图6可知，随着高速气流持续时间的增加，绝缘子背风面所占面积比例百分数逐渐减小。时长为2 h时，绝缘子背风面所占面积比例平均为31.6%；时长为8 h时，绝缘子积污饱和，背风面所占面积比例平均为20.6%。试验表明，作用时长超过8 h后，伞裙背风面所占面积比例基本不变，这是由于绝缘子芯棒直径较大，可以阻碍气流将背风面污秽带走。而且整体来看，相同持续时长下，小伞裙背风面所占面积比例略高于大伞裙。

2）高速气流持续时间对绝缘子迎/背风面污秽不均匀度的影响，图7所示为绝缘子在2 h、4 h和8 h持续时长下背风面与迎风面灰密的比值。

图7 不同时长下背风面与迎风面灰密的比值Fig.7 The ratio of the windward and leeward side of the NEDD with different time length

由图7各伞裙迎/背风面污秽分布不均匀度测量结果可知，随绝缘子在风洞中持续时间的增加，绝缘子伞裙迎/背风面污秽分布不均匀度整体上逐渐增大，背风面与迎风面的灰密比值最大达7.2。这是由于高速气流很容易将绝缘子迎风面污秽带走，不利于污秽的积累；而背风面由于芯棒的屏障作用会在背风面形成低压区利于污秽的沉积。图中各条背风面与迎风面的灰密比值尽管在某一水平面上下浮动，但是浮动程度较大，这包含了高速气流和测量误差两方面的原因。绝缘子迎/背风面污秽分布不均匀度与伞裙编号之间存在着一定的关系，在相同持续时长下，最上面伞裙（即1号伞裙）污秽分布不均匀度较低，而最下面伞裙污秽分布不均匀度较高。

2.3 绝缘子上下表面污秽分布分析

通过风洞试验获得绝缘子各伞裙上下表面污秽分布不均匀程度，如图8所示为绝缘子分别在2 h、4 h和8 h持续时长下，伞裙上表面与下表面等值灰密不均匀程度。

由图8各伞裙上下表面污秽分布不均匀度测量结果可知，绝缘子各伞裙上表面与下表面灰密的比值在1.1～3之间，即各伞裙上表面灰密值均大于下表面灰密值，这一方面和伞裙结构密切相关，另一方面也是由于污秽颗粒受重力作用不容易在下表面积累。绝缘子在风洞中持续时间的长短，对绝缘子上下表面污秽分布不均匀度影响较小，这可能是由于随着持续时间的增加，各伞裙上下表面污秽量都会增加，并且增加速率相差不大。伞裙编号与上下表面等值灰密的比值大小存在一定的关系，最上面伞裙的比值较高，而最下面伞裙的比值较低。

图8 不同时长下上表面与下表面灰密的比值Fig.8 The ratio of the upper and lower surfaces of the NEDD with different time length

3 结论

1）在本风洞试验装置条件下，所研究绝缘子表面积污具有饱和特性，达到饱和所需时间约为8 h。

2）高速气流持续时长对绝缘子背风面所占比例有较大影响，在2h时背风面所占比例为31.6%，当达到饱和时为20.6%。

3）高速气流持续时间对绝缘子迎背风面污秽不均匀度有影响，随着作用时间的增加，背风面与迎风面等值灰密的比值越大，即迎背风面污秽分布不均匀度越大，比值最高可达7.2。

4）在高速气流的密闭风洞中，绝缘子伞裙上表面积污量大于下表面，而且持续时长对绝缘子上下表面污秽不均匀度影响较小。

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