宋 瑋，賈 男，楊升杰

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003）

0 引言

我國地域遼闊，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及對能源消耗量的不斷增加，而普通電力機車由于運行速度慢、能源消耗大等缺點，已經(jīng)不能有效滿足我國經(jīng)濟的發(fā)展及區(qū)域經(jīng)濟之間加深合作的要求[1-2]。高速鐵路具有運行速度快、運輸能力強、能源消耗低等一系列優(yōu)點，逐步發(fā)展成我國重要的運載工具。為了促進了社會的和諧發(fā)展，國家在《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中明確提出發(fā)展目標：到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達到10萬公里，主要技術(shù)裝備達到或接近國際先進水平。車頂絕緣系統(tǒng)作為動車組的核心部分，在動車組高速運行時，車頂周圍氣流速度將提高，這將會改變車頂絕緣子表面積污特性，影響車頂高壓外絕緣系統(tǒng)的絕緣性能[3-7]。分析高速氣流作用下車頂絕緣子表面積污分布規(guī)律，對絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化及防污閃工作具有重要意義。

目前國內(nèi)外對絕緣子表面積污特性進行了大量研究，研究重點集中在輸電線路絕緣子表面污穢分布規(guī)律、污穢成分及積污對閃絡(luò)放電特性的影響等，但是對高速氣流作用下絕緣子傘裙表面積污特性研究較少[8-11]。文獻[12]在風洞實驗室中模擬了低速氣流條件下電壓極性對絕緣子表面積污特性的影響。文獻[13]分析了污穢來源與污穢成分之間的關(guān)系和污閃電壓與污穢成分之間的關(guān)系。文獻[14-15]通過對深圳地區(qū)多處有代表性輸電桿塔上進行帶電與不帶電復合絕緣子自然積污試驗，研究了帶電與否對絕緣子上下表面灰密及鹽密的影響。

高速氣流作用下污穢顆粒在絕緣子表面的碰撞和粘附過程使得動車組車頂絕緣子的積污特性不同于靜止的輸電線路絕緣子，不能簡單的將目前研究較多的輸電線路絕緣子積污規(guī)律直接加以引用。瓷絕緣子因其對污穢具有良好的自潔性而在電網(wǎng)中得到廣泛應用，但是瓷絕緣子易于碎裂。對于高速運行的動車組車頂絕緣子的選擇不僅要考慮其電氣性能，也要考慮其在高速氣流作用下的機械性能。目前在網(wǎng)運行動車組車頂絕緣子主要是硅橡膠復合絕緣子，因此筆者以硅橡膠絕緣子為對象進行表面污穢分布規(guī)律研究。

1 試驗裝置、試品及方法

1.1 積污試驗裝置

風洞系統(tǒng)使得在實驗室內(nèi)模擬高速氣流環(huán)境下動車組車頂絕緣子積污特性成為可能，筆者所用風洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由高速試驗段、低速試驗段和風機組成。其中，低速段的長寬高分別為1050cm、150cm、100cm，試驗風速在0～20m/s內(nèi)連續(xù)可調(diào)；高速段的長寬高分別為280 cm、75 cm、75 cm，試驗風速在0～60 m/s內(nèi)連續(xù)可調(diào)。根據(jù)試驗要求選擇高速段為試驗段，風速選擇60 m/s，最為接近動車運行時速度。

圖1 風洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig1 Wind tunnel system structure

1.2 試驗試品和方法

試驗所用試品絕緣子為動車組車頂高壓隔離開關(guān)硅橡膠復合絕緣子，其相關(guān)外形參數(shù)如圖2和表1所示。其中，H、D、L分別為試品絕緣子的結(jié)構(gòu)高度、傘裙直徑、爬電距離。

圖2 試品絕緣子結(jié)構(gòu)Fig.2 Test insulator structure

表1 絕緣子基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Basic structural parameters of insulator（mm）

為研究絕緣子表面污穢分布規(guī)律，試驗中污穢樣品選擇顆粒粒徑約為50微米，密度為0.47 g/cm3的硅藻土，由于其密度和粒徑較小，在人工風洞中容易和高速氣流混合均勻，并且在試驗過程中，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)風洞內(nèi)高速段濃度約為500 μg/m3，為嚴重霧霾天氣條件下空氣中的污穢含量。

試驗中由于絕緣子在單一方向風作用下，會出現(xiàn)迎風面和背風面積污量不同的現(xiàn)象，因此分別以絕緣子各傘裙上下表面的迎風面和背風面為測量對象，為敘述方便文中規(guī)定最上端為1號傘裙，從上向下依次增加。測量各傘裙區(qū)域的灰密時，為保證試驗結(jié)果的精確性，同一試驗條件下積污試驗進行3次，取其平均值。

1.3 試驗模擬仿真

為了驗證所選風洞實驗系統(tǒng)與對應自然條件的有效性，筆者利用fluent仿真軟件進行自然條件和風洞條件下的流體仿真。以高壓隔離開關(guān)硅橡膠絕緣子為例，其仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在高速單向風條件下，雖然有少量風速不是嚴格的水平方向，但是絕緣子周圍的自然風速流場和風洞中的絕緣子周圍的風速流場基本一致。因此在不考慮空氣濕度等天氣條件下，利用人工風洞試驗模擬高速氣流條件下的絕緣子積污，具有一定的參考價值和指導意義。

2 積污試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 積污飽和現(xiàn)象

為了得到高壓隔離開關(guān)硅橡膠絕緣子的積污特性，按照上所述試驗方法分別對絕緣子進行人工污穢試驗。試驗測量表明，人工風洞中絕緣子在恒定風速為60 m/s持續(xù)作用下，絕緣子表面灰密隨時間增加會達到飽和狀態(tài)，以絕緣子大傘裙背風面平均灰密為例，飽和特性如圖4所示。

圖3 絕緣子風速流場Fig.3 Wind velocity flow field of insulator

圖4 絕緣子表面積污飽和特性Fig.4 Contamination saturation characteristics of insulator surface

由4可知，由于硅橡膠絕緣子表面粗糙度較大，積污容易達到飽和，達到飽和所需時間大約為8 h，而相關(guān)文獻表面在風洞積污試驗中瓷絕緣子表面積污達到飽和約需要15 h。這與絕緣子表面粗糙程度密切相關(guān)。

2.2 絕緣子迎背風面污穢分布分析

絕緣子在風洞中模擬高速氣流條件作用下，積污達到飽和時絕緣子迎風面和背風面積污情況如圖5所示。

圖5 絕緣子迎背風面積污情況Fig.5 Contamination status on windward and leeward of insulator

由圖5及試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高速氣流作用下，絕緣子背風面積污量大于迎風面。由于絕緣子芯棒半徑較大，不管是迎風面還是背風面?zhèn)闳垢慷汲霈F(xiàn)了較嚴重的積污。有研究表面，高速氣流作用下，絕緣子傘裙背風面及芯棒處的壓強相對于迎風面較小，污穢在此沉積下來以后，不容易被高速氣流帶走。

為深入分析在高速氣流作用下絕緣子迎風面和背風面積污分布規(guī)律，下面具體分析不同時長持續(xù)作用下絕緣子各傘裙背風面所占面積比例（即背風面面積與整個傘裙面積的比值）及迎背風面污穢分布不均勻程度。

1）高速氣流持續(xù)時間對絕緣子背風面所占面積比例的影響。圖6所示為絕緣子分別在2 h、4 h和8 h持續(xù)時長下背風面所占面積比例。

圖6 不同時長背風面所占面積比例百分數(shù)Fig.6 The leeward side of the insulator area proportion with different time length

由圖6可知，隨著高速氣流持續(xù)時間的增加，絕緣子背風面所占面積比例百分數(shù)逐漸減小。時長為2 h時，絕緣子背風面所占面積比例平均為31.6%；時長為8 h時，絕緣子積污飽和，背風面所占面積比例平均為20.6%。試驗表明，作用時長超過8 h后，傘裙背風面所占面積比例基本不變，這是由于絕緣子芯棒直徑較大，可以阻礙氣流將背風面污穢帶走。而且整體來看，相同持續(xù)時長下，小傘裙背風面所占面積比例略高于大傘裙。

2）高速氣流持續(xù)時間對絕緣子迎/背風面污穢不均勻度的影響，圖7所示為絕緣子在2 h、4 h和8 h持續(xù)時長下背風面與迎風面灰密的比值。

圖7 不同時長下背風面與迎風面灰密的比值Fig.7 The ratio of the windward and leeward side of the NEDD with different time length

由圖7各傘裙迎/背風面污穢分布不均勻度測量結(jié)果可知，隨絕緣子在風洞中持續(xù)時間的增加，絕緣子傘裙迎/背風面污穢分布不均勻度整體上逐漸增大，背風面與迎風面的灰密比值最大達7.2。這是由于高速氣流很容易將絕緣子迎風面污穢帶走，不利于污穢的積累；而背風面由于芯棒的屏障作用會在背風面形成低壓區(qū)利于污穢的沉積。圖中各條背風面與迎風面的灰密比值盡管在某一水平面上下浮動，但是浮動程度較大，這包含了高速氣流和測量誤差兩方面的原因。絕緣子迎/背風面污穢分布不均勻度與傘裙編號之間存在著一定的關(guān)系，在相同持續(xù)時長下，最上面?zhèn)闳梗?號傘裙）污穢分布不均勻度較低，而最下面?zhèn)闳刮鄯x分布不均勻度較高。

2.3 絕緣子上下表面污穢分布分析

通過風洞試驗獲得絕緣子各傘裙上下表面污穢分布不均勻程度，如圖8所示為絕緣子分別在2 h、4 h和8 h持續(xù)時長下，傘裙上表面與下表面等值灰密不均勻程度。

由圖8各傘裙上下表面污穢分布不均勻度測量結(jié)果可知，絕緣子各傘裙上表面與下表面灰密的比值在1.1～3之間，即各傘裙上表面灰密值均大于下表面灰密值，這一方面和傘裙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，另一方面也是由于污穢顆粒受重力作用不容易在下表面積累。絕緣子在風洞中持續(xù)時間的長短，對絕緣子上下表面污穢分布不均勻度影響較小，這可能是由于隨著持續(xù)時間的增加，各傘裙上下表面污穢量都會增加，并且增加速率相差不大。傘裙編號與上下表面等值灰密的比值大小存在一定的關(guān)系，最上面?zhèn)闳沟谋戎递^高，而最下面?zhèn)闳沟谋戎递^低。

圖8 不同時長下上表面與下表面灰密的比值Fig.8 The ratio of the upper and lower surfaces of the NEDD with different time length

3 結(jié)論

1）在本風洞試驗裝置條件下，所研究絕緣子表面積污具有飽和特性，達到飽和所需時間約為8 h。

2）高速氣流持續(xù)時長對絕緣子背風面所占比例有較大影響，在2h時背風面所占比例為31.6%，當達到飽和時為20.6%。

3）高速氣流持續(xù)時間對絕緣子迎背風面污穢不均勻度有影響，隨著作用時間的增加，背風面與迎風面等值灰密的比值越大，即迎背風面污穢分布不均勻度越大，比值最高可達7.2。

4）在高速氣流的密閉風洞中，絕緣子傘裙上表面積污量大于下表面，而且持續(xù)時長對絕緣子上下表面污穢不均勻度影響較小。

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