雾霾环境动车组车顶绝缘子积污特性研究

胡学永,唐昕宇,张血琴,郭裕钧,刘 凯

(1.中车青岛四方机车车辆有限公司,山东青岛 266111； 2.西南交通大学电气工程学院,成都 611756)

随着我国高速铁路的不断发展，铁路运输业已然成为我国经济的重要支撑，高铁的发展使得中国铁路运输能力得到了巨大的提升。列车的安全、稳定运行是铁路运输系统的保障，而车顶绝缘子是动车组车顶的重要高压器件，一旦发生故障将会造成设备损坏、运输中断，还会带来恶劣的社会影响。近年来，我国国民经济的飞速发展，工业化进程加速，雾霾已成为一种环境污染，甚至是环境灾害。与普通的雾不同，雾霾发生时空气中不仅悬浮着自由水滴，还悬浮着大量细微的灰尘颗粒[1-2]。雾霾期间空气污染严重，以PM2.5为主的污染物浓度将会陡然升高。雾霾的产生不仅对人体健康、生产生活带来诸多危害，同时它对高速列车的稳定安全运行造成一定的威胁。空气中的霾会引起车顶绝缘子积污，雾霾中的霾颗粒沉积在绝缘子表面后，会导致绝缘子表面形成污秽层；而空气中的雾沉积在绝缘子表面会润湿绝缘子表面污秽层，污秽层中可溶于水的导电物质会溶于水中形成导电水膜，导致绝缘子表面泄漏电流增大；泄漏电流出现后，由于焦耳热的作用导致污秽层较快变干，形成干燥带，反复作用后出现更多的干燥带并产生局部电弧，大大增加了车顶绝缘子发生污闪的几率。

国内外专家认为雾霾对绝缘子的影响主要体现在两个方面：一方面是湿度的影响，即雾霾中的雾引起绝缘子表面污秽受潮，导致绝缘子的绝缘特性直线下降，从而引发污闪；另一方面是污秽度的影响，即雾霾中的灰霾颗粒引起绝缘子表面积污量的增加，当绝缘子处于高湿环境时，也容易引发沿面闪络。谢从珍研究了国内外关于雾霾对输变电设备外绝缘特性的相关研究，涉及雾霾的形成与沉降、雾霾的模拟、其对输变电外绝缘特性的影响几个方面[3]。王黎明通过模拟不同污秽成分、不同湿度的雾霾环境，提出模拟雾霾环境的方法与雾霾环境下开展相关实验的方法[4]。蒋兴良在自制小型雾霾室内利用超声波雾发生器产生水雾同时利用气溶胶发生器，将处于不同成分(硅藻土CaSO4和(NH4)2SO4)的颗粒物通入试验罐内模拟雾霾环境，并对不同成分、粒径的气溶胶雾霾环境下的绝缘子进行多次交流闪络试验，分析了雾霾成分、颗粒粒径、盐密对绝缘子交流闪络电压影响[5]。任昂通过建立基于流体力学原理的高压直流绝缘子积污仿真模型，研究了不同环境下高压直流线路复合绝缘子的积污特性[6]。刘长义用硅橡胶试片与XP-70绝缘子进行模拟积污试验，试验结果表明：试片在雾霾环境中的积污速率快且难以达到饱和，悬浮颗粒物的沉降对积污起主要作用；XP-70绝缘子在雾霾环境中的积污速率较快且迅速达到饱和，悬浮颗粒物的扩散与黏附对积污起主要作用[4]。徐森针对雾霾，期间绝缘子的积污特性，开展了不同类型绝缘子及试片在雾霾天气下的自然积污试验，测量了绝缘子在雾霾期间等值盐密的变化，并获得了绝缘子表面污秽微观形貌、粒径分布、无机元素组分及热重曲线等理化特性[7]。隆晨海进行自然雾霾积污试验的结果表明：雾霾环境促进了绝缘子积污，其对绝缘子积污的影响主要体现在重力引起的雾霾颗粒湿沉降作用；而通过人工模拟雾霾积污试验结果表明：雾霾颗粒粒径越小，积污程度越大。相较于瓷绝缘子上表面，大颗粒雾霾更易附着在复合绝缘子上表面。环境相对湿度RH越大，绝缘子积污效果越明显[8]。屠幼萍为了研究雾霾环境下自然积污绝缘子的污秽颗粒粒径分布特性，在交流、直流电压作用下和不施加电压情况下对4类绝缘子进行雾霾环境下的自然积污，利用电子显微镜和图像二值化处理软件对绝缘子污秽颗粒的粒径大小进行统计。统计结果表明，雾霾环境下自然积污绝缘子污秽颗粒的粒径服从对数正态分布，90%的污秽颗粒粒径<20 μm；交流、直流、不带电3种情况下的污秽粒径分布存在差异[9]。杜伯学采用超声波盐雾发生器模拟沿海地区环境，在直流电场条件下测试了盐雾电导率对环氧树脂绝缘子间隙绝缘特性的影响。实验结果表明:盐雾液滴在环氧树脂表面的接触角随盐雾电导率的增大而减小;放电起始电压随盐雾电导率的增大而降低，随绝缘间隙的增大而升高;绝缘破坏电压随盐雾电导率的增大而降低，随绝缘间隙的增大而升高[10]。贺博及陈邦发等在低风速下建立了硅橡胶绝缘材料沙粒沉积模型，并进行了沙粒在绝缘子表面沉积试验，研究结果表明：沙粒流速和持续时间是影响沉积量的主要因素，在特定的流速和时长下，绝缘子表面沙粒沉积量存在最大值[11-13]。

以上研究大都是在自然风速的环境下开展，而高速列车实际运行速度较高，速度最高时可以达到100 m/s(350 km/h)，远远超过自然风速。在沙尘暴、动车组运行等绝缘子周围气流速度较高场合，气流对绝缘子积污的影响起主导作用[14-15]。孙继星等研究了高速气流下绝缘子表面积污分布规律发现：绝缘子迎、背风面较侧风面积污更严重，且主要分布在伞裙根部[16]；律方成仿真分析了不同粒径下的绝缘子积污，表明粒径对绝缘子积污有较为明显的影响。当粒径较小时，漩涡碰撞为污秽颗粒与绝缘子碰撞的主要方式，此时碰撞和沉积可能发生在迎风面和背风面；当粒径较大时，惯性碰撞为污秽颗粒与绝缘子碰撞的主要方式，此时碰撞和沉积只发生在迎风面[17-18]。王耀振分析了高速气流下沙粒在绝缘子表面上的受力和运动，认为高速气流环境下需考虑已沉积沙粒在绝缘子表面的滑移运动并提出了相应的判据[19]。

图1为运行在雾霾环境中的动车组高速列车和动车组列车车顶绝缘设备。

图1 雾霾环境中运行的动车组列车

目前针对雾霾环境下绝缘子表面污秽沉积的研究，对象多为线路绝缘子、瓷绝缘子等。绝缘子表面污秽沉积的仿真模型只考虑了颗粒重力、气流曳力以及颗粒和绝缘子表面的碰撞力，未考虑雾霾环境下雾水的黏附力对已沉积在绝缘子表面颗粒的作用，因此仿真结果仅适用于非雾霾或湿度较小和气流速度较低的环境，而高速气流雾霾环境中绝缘子表面积污情况与现有仿真模型所设置的条件不符，因此无法使用现有模型对高速列车运行过程中绝缘子积污情况进行研究。而在移动设备积污特性研究过程中，多为沙尘环境等干燥环境，未考虑水滴黏附力对车顶绝缘子积污特性的影响。采用仿真与试验相结合的方法研究不同气流速度下雾霾颗粒车顶绝缘子表面的沉积特性，为高速列车外绝缘积污、闪络研究和设计提供参考依据。

1 积污理论分析

1.1 流体分析

根据流体力学相关理论，雾霾颗粒运动满足流体运输方程[20-22]。

(1)气相连续性方程

(1)

式中,wF为流体密度；λg为空气在两相中所占的体积分数；vg为空气速度矢量。

(2)固相连续性方程

(2)

式中，λs为固体颗粒在两相中所占的体积数；vs为固体颗粒的速度矢量。

式(1)和式(2)是质量守恒定律的具体表达形式，即单位时间内流出和流入流体域的固相或气相质量差与流体域内因该相密度变化而减少的质量相等。

1.2 受力分析

雾霾颗粒是否能沉积在绝缘子的表面与雾霾颗粒自身受力是否平衡有关。雾霾颗粒受到的力主要包括重力，气流曳力，颗粒间的碰撞力以及颗粒与绝缘子表面间的摩擦力，同时雾霾环境下，绝缘子表面容易形成水膜，因此雾霾颗粒还会受到绝缘子表面水膜的黏附力，且任何材质的切向黏附力都与水膜直径成正比[23]，其受力分析如图2所示。其中，雾霾颗粒受到的气流曳力fd，其方向与气流的方向平行；FC为雾霾颗粒之间的毛细力，其大小与颗粒自身的尺寸有关；fad为雾霾环境下，绝缘子表面水膜形成的黏附力，h为绝缘介质表面水膜厚度。本文分析了雾霾颗粒在绝缘子表面的受力情况，并提出了高速气流下雾霾颗粒在绝缘子表面沉积模型。

由文献[24]可知，黏附力随着相对湿度的升高而增大，水膜厚度h的计算公式为

(3)

式中，em为单分子层饱和吸附时的等效厚度；RH为相对湿度；CB为BET系数。

图2 绝缘子表面雾霾颗粒受力分析

2 积污分布仿真

2.1 仿真样品及模型设置

高速列车车顶绝缘子高度约为400 mm[25]，其外观与尺寸如图3所示。为模拟高速列车实际运行时，雾霾环境对车顶绝缘子积污情况的影响，并利用人工气候室进行验证，采用FQJG2—30/16型车顶绝缘子为试验对象，对其进行雾霾颗粒沉积的仿真和试验。为使仿真与试验结果相互比较，仿真中绝缘子模型与人工气候室中模拟雾霾环境试验采用的绝缘子结构参数一致。其结构高度为400 mm，杆径为80 mm，大伞和小伞伞径分别为140 mm和120 mm。

图3 车顶绝缘子模型尺寸参数(单位：mm)

霾粒子的分布比较均匀，而且灰霾粒子的尺度比较小，从0.001 μm到10 μm，平均直径在1～2 μm，雾霾颗粒质量密度为1.397 g/cm3。针对高速气流和雾霾环境下绝缘子雾霾颗粒沉积分布特性展开研究，在人工气候室环境中模拟雾霾环境的情况下，仍需保证雾霾颗粒的受力与车顶绝缘子实际运行工况下相同。雾霾颗粒受到的重力和气流曳力均与粒径有关，雾霾颗粒与绝缘子表面的摩擦力与绝缘子材料相关，在仿真中采用的雾霾颗粒参数与人工气候室中试验参数相同。对于人工模拟雾霾环境和车顶绝缘子在实际雾霾环境中的运行工况而言，绝缘子表面雾霾颗粒沉积量会有一定差异，其分布具有相似性。

2.2 低速气流下绝缘子污秽沉积分布仿真

本文用体积分数表征雾霾颗粒在绝缘子表面的分布和沉积程度。体积分数即绝缘子表面某处雾霾颗粒体积占该处空气与雾霾颗粒总体积的百分比，计算方法为

(4)

式中，Vs为同温同压下雾霾颗粒体积；Vg为同温同压下空气体积。

体积分数可以体现绝缘子表面雾霾颗粒沉积分布的情况。雾霾颗粒所占体积分数与积污量具有正相关性，因此，绝缘子表面雾霾颗粒体积分数的大小可以反映车顶绝缘子表面的雾霾颗粒沉积量[26]。

由于气流曳力与颗粒间碰撞力的影响不能忽略，同时在雾霾环境下，水滴黏附力的作用也会对颗粒的沉积造成影响。因此在不同气流速度下，会导致雾霾颗粒在绝缘子表面的沉积分布有差异。选择在10，15，20，25 m/s的风速下，分别对绝缘子表面沙粒沉积的分布进行仿真。不同气流速度下车顶绝缘子表面雾霾颗粒沉积分布仿真试验如图4所示。

图4 低速气流下绝缘子表面雾霾颗粒沉积分布

从图4可以看出，气流速度为10 m/s时，绝缘子表面沙粒体积分数最大；随着气流速度的增加，绝缘子表面体积分数呈下降趋势。雾霾环境下，水滴黏附力的作用对车顶绝缘子表面沙粒体积分数影响较大。

3 人工雾霾环境下绝缘子积污试验

3.1 试验平台与方法

为验证仿真结果的准确性，基于实验室人工气候室开展试验，试验平台如图5所示。

通过对雾霾颗粒化学组成分析，结果表面PM2.5的主要成分是SO42-、NO3-、NH4+、有机物、矿物质和碳元素[27-29]。选取(NH4)2SO4模拟雾霾中的可溶性盐，以硅藻土模拟不可溶物，按(NH4)2SO4∶硅藻土=1∶6配置雾霾中的霾，0.5 g盐，3 g不可溶物。以超声波水雾发生器产生的水雾模拟雾霾环境中的雾。

图5 人工气候室

3.2 试验结果与分析

图6分别为试验段风速为10，15，20，25 m/s时人工模拟雾霾环境下绝缘子迎风面雾霾颗粒沉积分布的试验结果。由于低气流环境下，水滴的黏附力导致雾霾颗粒几乎不会滑移到背风面，因此只考虑迎风面的雾霾颗粒沉积情况。

图6 不同风速下车顶绝缘子表面雾霾颗粒沉积试验结果

从试验结果可以看出，在低风速的情况下，随着风速的增加，绝缘子表面雾霾颗粒沉积量呈减少的趋势，同时由于雾霾环境下，环境湿度较大导致车顶绝缘子表面积污比非雾霾环境下更严重。

为方便对比仿真结果，图7表示在低气流速度下绝缘子表面沙粒沉积质量及体积分数随风速的变化。

图7 不同气流速度下绝缘子表面雾霾颗粒沉积质量

从图7可以看出，车顶绝缘子表面雾霾颗粒沉积质量与体积分数都呈下降趋势，同时，在非雾霾环境下绝缘子表面雾霾颗粒沉积质量与体积分数均低于雾霾环境下绝缘子表面。这是由于雾霾环境下，环境湿度大，绝缘子表面更容易形成水膜，导致雾霾颗粒更容易粘附在车顶绝缘子表面。

3.3 高速气流下绝缘子污秽沉积分布仿真

从图8可以看出，当气流速度大于30 m/s时，车顶绝缘子表面雾霾颗粒沉积质量明显减少，当风速大于70 m/s时，此时车顶绝缘子表面几乎没有雾霾颗粒沉积。

图8 高速气流下绝缘子表面雾霾颗粒沉积分布

这是因为当气流速度大于30 m/s时，绝缘子表面大量水滴被带走，表面不容易形成水膜，此时气流曳力起主导作用，且随着气流速度的增大气流曳力远大于绝缘子表面水膜黏附力，使得雾霾颗粒不容易沉积在绝缘子表面。

从图9可以看出，黏附力对车顶绝缘子表面雾霾颗粒体积分数具有影响。在非雾霾环境下即不考虑黏附力作用时，污秽颗粒体积分数低于考虑黏附力作用时的污秽颗粒体积分数；随着风速的增加，车顶绝缘表面雾霾颗粒的平均体积分数不断减小。

图9 不同风速下车顶绝缘子雾霾颗粒平均体积分数

动车组列车在实际运行时既有停止运行、低速运行、高速运行等工况，又有正反向运行等工况，因此列车车顶绝缘子污秽积累是多种工况复合作用的一个过程。本文主要研究了列车单向运行且固定风速时的车顶绝缘子积污特性，所提出的模型适用零风速(停止运行)，低速运行(≤25 m/s)，高速运行(>25 m/s)等工况，但对于多种复合工况下(如停车、低速、高速复合工况)，绝缘子积污将受到前一工况的影响，例如，在停车时(风速为零)，绝缘子积污为均匀沉降，绝缘子积污分布较为均匀，当列车运行后，由于受气流影响，绝缘子迎风面、侧风面及背风面污秽(先前沉积污秽)将受气流影响而重新分布，呈现出侧风面积污少而迎风面及背风面积污较多的规律，但当列车进一步提速后，由于气流曳力增大，绝缘子整体积污量可能减少，迎风面与背风面的积污也将达到新的动态平衡。此外，当列车反向运行时，车顶绝缘子的迎风面与背风面互换，而侧风面受列车正反向运行影响较小；单向运行时，车顶绝缘子表面的积污特性主要考虑固定气流速度及方向下雾霾颗粒与绝缘子表面的相互作用，滑移、黏附等；当列车双向运行时，列车反向运行后，绝缘子积污特性不仅是雾霾颗粒与绝缘子表面的相互作用，这时绝缘子表面已存在污秽，此时的积污特性变得更为复杂，应同时考虑空间污秽与表面污秽的相互作用，正反向运行时间，列车速度变化等多参量因素的综合影响。因此，考虑多种复合工况下车顶绝缘子动态积污规律是进一步的重点研究工作。

4 结论

雾霾主要是由人类活动产生大量的污染物质在一定相对湿度的气象条件下形成的，发生雾霾天气时，雾沉降在绝缘子表面润湿绝缘子表面污秽，是污闪的催化剂，雾霾天气对高速列车车顶绝缘子的积污分布有显著影响。

(1)低气流速度时，雾霾颗粒在车顶绝缘子表面的沉积过程主要受到气流曳力，雾霾颗粒自身重力，雾霾颗粒与绝缘子表面之间摩擦力，同时气流速度较低时绝缘子表面更容易形成水膜，因此此时水滴黏附力会极大地影响雾霾颗粒在绝缘子表面的滑移，使雾霾颗粒更容易沉积在绝缘子表面。并且环境湿度越大，绝缘子表面积污越严重。

(2)高气流速度时，此时车顶绝缘子表面大量水滴被气流带走，绝缘子表面不容易形成水膜，此时水滴黏附力的作用对车顶绝缘子表面雾霾颗粒沉积的影响减弱，随着风速的不断增高，气流曳力不断增大且远大于水滴黏附力，车顶绝缘子表面雾霾颗粒沉积体积分数不断减少，并且当气流速度达到80 m/s时，车顶绝缘子表面几乎没有雾霾颗粒沉积。