趙多青，曾杰，許中平，郭翔，金維剛，周良松

（1.國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000；2.北京國(guó)網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，北京 100031；3.國(guó)家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077；4.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

接觸網(wǎng)為鐵路運(yùn)輸業(yè)電力機(jī)車的牽引提供著源源不斷的動(dòng)力，是電力運(yùn)輸中不可或缺的一部分。而絕緣子在保證電力正常供給、減小輸電事故方面起著重要的作用。青藏線全長(zhǎng)1 956 km，平均海拔在4 000 m以上[1]，所經(jīng)之地氣候惡劣，冬季干冷，易形成絕緣子覆冰，造成絕緣子絕緣性能下降，導(dǎo)致閃絡(luò)事故頻發(fā)[2]。何昱燊等[3]通過(guò)絕緣子自然覆冰試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕緣子長(zhǎng)串的交流閃絡(luò)電壓隨鹽密、冰重的增加而逐漸下降，且覆冰程度改變了絕緣子串的電場(chǎng)分布。在絕緣子長(zhǎng)串自然覆冰的放電過(guò)程中，電弧熄滅重燃現(xiàn)象明顯，飄弧現(xiàn)象嚴(yán)重。趙佳堯[4]通過(guò)覆冰試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的環(huán)境參數(shù)對(duì)覆冰的形狀、厚度及冰棱長(zhǎng)度有較大的影響。張志勁等[5]以XP-160懸式絕緣子為研究對(duì)象，分別通過(guò)人工覆冰和自然覆冰試驗(yàn)得到了覆冰絕緣子閃絡(luò)電壓的影響因素，比較發(fā)現(xiàn)兩種覆冰方式對(duì)閃絡(luò)電壓的影響不大。胡琴等[6]對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行人工覆冰試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕緣子傘形結(jié)構(gòu)在一定程度上會(huì)影響絕緣子覆冰增長(zhǎng)特性，且自然覆冰和人工覆冰時(shí)得到的結(jié)果一致。

為了減小試驗(yàn)帶來(lái)的誤差，盡可能地節(jié)省成本，蔣興良等[7]利用仿真軟件Fluent研究了復(fù)合絕緣子桿徑、傘間距、傘傾角等參數(shù)對(duì)絕緣子等效直徑的影響，為覆冰地區(qū)絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了合理建議；黎衛(wèi)國(guó)[8]利用ANSYS仿真軟件對(duì)不同覆冰狀態(tài)下220 kV/500 kV復(fù)合絕緣子的電位電場(chǎng)分布進(jìn)行研究，得到了電位電場(chǎng)的分布規(guī)律，并提出了均壓環(huán)的推薦使用參數(shù)；陸佳政等[9]建立了220 kV絕緣子覆冰有限元仿真，通過(guò)計(jì)算得到了優(yōu)化后的絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)，有效緩解了重覆冰狀態(tài)下絕緣子的電場(chǎng)畸變。

本研究以青藏鐵路格爾木站接觸網(wǎng)運(yùn)行絕緣子為對(duì)象，分別建立瓷絕緣子X(jué)P-160、復(fù)合絕緣子FXBW-110/100及腕臂絕緣子FQB-25/12覆冰模型，通過(guò)有限元仿真分析不同冰層厚度、冰棱長(zhǎng)度以及腕臂絕緣子冰棱生長(zhǎng)角度對(duì)絕緣子空間電場(chǎng)分布及表面溫度分布的影響，并根據(jù)絕緣子熱電特性對(duì)腕臂絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為接觸網(wǎng)腕臂布置方式提供理論依據(jù)，對(duì)重覆冰地區(qū)接觸網(wǎng)絕緣子選型提供方案。

1 建立模型

1.1 絕緣子模型

表1 絕緣子基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Basic structural parameters of insulators

瓷質(zhì)絕緣子X(jué)P-160和復(fù)合絕緣子FXBW-110/100作為對(duì)照組，復(fù)合腕臂絕緣子FQB-25/12作為研究的主要對(duì)象。圖1給出了3種絕緣子的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。

圖1 絕緣子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of insulators

1.2 參數(shù)設(shè)置

瓷質(zhì)絕緣子與復(fù)合絕緣子主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和材料的不同，為了研究不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)及布置方式下絕緣子的覆冰特性，建立靜電場(chǎng)、電流場(chǎng)與固體傳熱場(chǎng)相耦合的多物理場(chǎng)，對(duì)覆冰絕緣子進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算使用到的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示[9-10]，表中ρ為密度，εr為相對(duì)介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，Cp為恒壓熱容，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。空氣的動(dòng)力黏度為1.67 N·s/m2。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

2 仿真計(jì)算

本文以青藏鐵路格拉線為研究背景，通過(guò)文獻(xiàn)[11]及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，格爾木市冬季平均氣溫在-3℃左右，冬季風(fēng)速為3 m/s。根據(jù)文獻(xiàn)[11]設(shè)置風(fēng)速為3 m/s、溫度為-3℃時(shí)不同結(jié)冰時(shí)間下絕緣子表面冰厚及冰棱長(zhǎng)度，如表3所示。表3中，懸式瓷絕緣子X(jué)P-160為三片串連接，當(dāng)其表面冰層厚度為20 mm，冰棱長(zhǎng)度為85.5 mm時(shí)，冰棱橋接整個(gè)絕緣子；當(dāng)復(fù)合絕緣子FXBW-110/100絕緣子冰層厚度達(dá)到9 mm，冰棱長(zhǎng)度為72 mm時(shí)，冰棱橋接整個(gè)傘裙。而腕臂復(fù)合絕緣子的布置圖如圖2所示，可以看出腕臂絕緣子分為平腕臂及斜腕臂絕緣子，平腕臂與地面平行布置，斜腕臂與地面存在一定的夾角∠α，其大小可調(diào)，在建立覆冰模型時(shí)不考慮其橋接狀態(tài)。

圖2 腕臂絕緣子布置圖Fig.2 Layout of cantilever insulator

表3 不同類型的絕緣子覆冰Tab.3 Different types of insulator icing

2.1 靜電場(chǎng)模型

建立不同絕緣子靜電場(chǎng)二維簡(jiǎn)化模型，采用有限元法利用COMSOL Multiphysics仿真軟件進(jìn)行計(jì)算。為了方便采集相同的特征量，在二維模型的空氣域中設(shè)置截線，通過(guò)對(duì)截線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析得到絕緣子的覆冰特性。

三片串瓷質(zhì)絕緣子X(jué)P-160的二維簡(jiǎn)化模型如圖3所示。圖3中，冰層覆蓋在絕緣子表面，冰棱向下生長(zhǎng)，圖3(a)是根據(jù)文獻(xiàn)[12]對(duì)冰棱尖端作錐化處理，即上粗下細(xì)；圖3(b)冰棱橋接三片絕緣子，冰層覆蓋整個(gè)絕緣子串。根據(jù)絕緣子額定運(yùn)行線電壓為35 kV，則相電壓為20 kV，峰值電壓為29 kV。設(shè)置鋼腳處電壓為29 kV，鋼帽處電壓為0。對(duì)不同覆冰狀態(tài)下的絕緣子表面電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖3 XP-160覆冰絕緣子二維模型Fig.3 Two-dimensional model of XP-160 iced insulators

從圖4可以看出，隨著冰棱長(zhǎng)度的增加，絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度隨之增加，說(shuō)明冰棱生長(zhǎng)改變了電場(chǎng)分布，使絕緣子的電場(chǎng)發(fā)生了畸變。冰長(zhǎng)為52.7 mm的絕緣子場(chǎng)強(qiáng)最大點(diǎn)比潔凈絕緣子高2.256×104V/m。但當(dāng)冰棱完全橋接絕緣子時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度反而下降，低于潔凈絕緣子場(chǎng)強(qiáng)。這說(shuō)明冰棱在冰尖處的電場(chǎng)較大，容易產(chǎn)生尖端放電，導(dǎo)致冰閃，降低了絕緣子的絕緣性能；而橋接之后的覆冰絕緣子發(fā)生局部放電的可能性較小，在一定程度上增強(qiáng)了絕緣子的絕緣性能。

（2）草海濕地沉積物重金屬元素除Cu、As平均含量未超過(guò)貴州省土壤元素背景值，其他5種重金屬均超出貴州省土壤背景值含量，尤其是Cd，高達(dá)背景值21倍，可見(jiàn)草海存在嚴(yán)重的Cd污染。根據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)的綜合分析可知：Cr、As、Pb和Zn污染較嚴(yán)重，其中Cd和Hg污染最嚴(yán)重，已達(dá)到極強(qiáng)的潛在生態(tài)危害程度。

圖4 XP-160絕緣子覆冰時(shí)電場(chǎng)分布Fig.4 Electric field distribution of XP-160 insulators during icing

復(fù)合懸式絕緣子FXBW-110/100的二維簡(jiǎn)化模型如圖5所示，絕緣子額定線電壓為110 kV，則相電壓為64 kV。設(shè)置底部高壓端電壓為峰值電壓90 kV，頂部低壓端為0 kV。

圖5 覆冰絕緣子及冰棱橋接Fig.5 Iced insulators and ice crystal bridge

圖5中，F(xiàn)XBW-110/100絕緣子為一大一小傘裙結(jié)構(gòu)，表面被冰層覆蓋，冰棱向下豎直生長(zhǎng)，冰層厚度及冰棱長(zhǎng)度如表3中所示。冰棱尖端已作錐化處理，當(dāng)冰棱橋接絕緣子時(shí)連接所有大傘裙。對(duì)不同覆冰狀態(tài)下絕緣子表面電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著冰棱長(zhǎng)度增加，絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增加，電場(chǎng)畸變率上升；當(dāng)絕緣子整體被冰棱橋接時(shí)，表面電場(chǎng)強(qiáng)度下降，與潔凈絕緣子電場(chǎng)相比略小，這一點(diǎn)和瓷絕緣子X(jué)P-160覆冰時(shí)的電場(chǎng)特性基本一致。

圖6 FXBW-110/100絕緣子覆冰時(shí)電場(chǎng)分布圖Fig.6 Electric field distribution of FXBW-110/100 insulator during icing

腕臂絕緣子FQB-25/12的覆冰模型如圖7所示，圖中絕緣子表面冰層厚度分別為3、6、9 mm，表面冰層為均勻覆蓋，未出現(xiàn)冰棱生長(zhǎng)情況。根據(jù)格拉線牽引供電系統(tǒng)選擇帶回流線的直接供電方式，則接觸網(wǎng)腕臂絕緣子額定運(yùn)行電壓為25 kV，最大運(yùn)行電壓為29 kV，峰值電壓為41 kV。即頂部高壓端電勢(shì)為41 kV，底部接地。對(duì)不同冰層厚度覆蓋的腕臂絕緣子空間電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

圖7 覆冰腕臂絕緣子Fig.7 Iced cantilever insulators

圖8 冰層厚度對(duì)空間電場(chǎng)的影響Fig.8 Effect of ice layer thickness on the space electric field

從圖8可以看出，當(dāng)絕緣子表面冰層厚度增加時(shí)，截線處的空間電場(chǎng)強(qiáng)度隨之降低，且下降幅度先減小后增大，說(shuō)明隨著冰層厚度增加，絕緣子的空間電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)降低，但與潔凈絕緣子電場(chǎng)相比，冰層厚度為3 mm和6 mm時(shí)的空間場(chǎng)強(qiáng)均大于潔凈絕緣子。當(dāng)冰層厚度為9 mm時(shí)，絕緣子的空間場(chǎng)強(qiáng)最小，冰層的存在改變了絕緣子空間場(chǎng)強(qiáng)，在冰層較薄時(shí)增加了空間場(chǎng)強(qiáng)，使場(chǎng)強(qiáng)畸變率上升，降低了絕緣子的絕緣性能，而在冰層較厚時(shí)空間場(chǎng)強(qiáng)下降，此時(shí)絕緣子的絕緣性能較好，出現(xiàn)局部放電的可能性較小。故在重覆冰情況下腕臂絕緣子的絕緣性較好，而在輕覆冰時(shí)需要及時(shí)除冰，保證線路的正常供電。

在冰棱生長(zhǎng)的情況下，腕臂絕緣子覆冰狀態(tài)如圖9所示。圖9(a)為平腕臂絕緣子，腕臂平行布置，冰棱生長(zhǎng)方向與絕緣子徑向相垂直，而圖9(b)的斜腕臂冰棱方向與徑向呈一定的夾角∠α，與腕臂傾角相同，在腕臂安裝過(guò)程中∠α大小根據(jù)實(shí)際安裝情況而定。

圖9 二維腕臂覆冰絕緣子Fig.9 Two-dimensional cantilever iced insulators

對(duì)有冰棱存在的腕臂絕緣子空間電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，當(dāng)絕緣子水平布置時(shí)，其空間電場(chǎng)隨冰棱長(zhǎng)度的增加而增加，但相差不多。當(dāng)絕緣子傾斜布置時(shí)，空間場(chǎng)強(qiáng)也隨冰棱長(zhǎng)度增加而增加，和水平布置時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)變化情況一致。但絕緣子傾斜布置時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)整體大于水平布置的絕緣子，即在重覆冰情況下斜腕臂絕緣子的絕緣性更差，容易產(chǎn)生局部放電，造成冰閃。

圖10 不同布置方式下絕緣子空間電場(chǎng)分布Fig.10 Electric field distribution of insulators in different layout

根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]，接觸網(wǎng)腕臂布置角度在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，改變斜腕臂的安裝角度得到不同角度下的絕緣子空間電場(chǎng)分布，如圖11所示。

圖11 斜腕臂不同布置角度下的絕緣子空間電場(chǎng)分布Fig.11 Spatial electric field distribution of insulators with different arrangement angles of inclined cantilever

圖11中，腕臂安裝角∠α分別為60°和65°，冰棱長(zhǎng)度分別為13 mm和26 mm。從圖11可以看出，當(dāng)腕臂安裝角度增大時(shí)，絕緣子空間電場(chǎng)強(qiáng)度也相應(yīng)增加；增加冰棱長(zhǎng)度，空間場(chǎng)強(qiáng)也會(huì)增加。絕緣子空間電場(chǎng)強(qiáng)度從大到小依次為∠α=65°、L冰棱=26 mm，∠α=60°、L冰棱=26 mm，∠α=65°、L冰棱=13 mm，∠α=60°、L冰棱=13 mm。由此可得在重覆冰地區(qū)腕臂安裝時(shí)傾斜角應(yīng)盡可能小，才能降低絕緣子冰閃的概率，保證絕緣子的可靠運(yùn)行。

2.2 熱電耦合場(chǎng)模型

當(dāng)絕緣子中流過(guò)泄漏電流時(shí)，電流的焦耳熱效應(yīng)使得絕緣子有熱量產(chǎn)生，通過(guò)固體傳熱導(dǎo)致熱量遍布整個(gè)絕緣子。對(duì)穩(wěn)恒電流場(chǎng)和固體傳熱場(chǎng)耦合可以得到覆冰絕緣子的溫度分布情況。廖嘉駿等[15]利用ANSYS軟件仿真分析絕緣子融冰水膜對(duì)電場(chǎng)分布的影響，發(fā)現(xiàn)水膜的存在會(huì)影響絕緣子的電場(chǎng)分布；蔣興良等[16]利用COMSOL軟件仿真分析冰凌尖端水滴及覆冰滴水過(guò)程對(duì)絕緣子的影響，揭示了電場(chǎng)、染污方式和染污程度對(duì)覆冰絕緣子離子分布的影響規(guī)律。因此研究熱電耦合狀態(tài)下覆冰絕緣子的溫度場(chǎng)分布，可以及早判斷絕緣子融冰位置，防止絕緣子冰閃。

對(duì)熱電耦合的XP-160、FXBW-110/100、FQB-25/12覆冰絕緣子溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖12～15所示。

根據(jù)圖12～15，3種類型的絕緣子溫度場(chǎng)分布結(jié)果如表4所示，表中ΔT1為最小溫差，即絕緣子表面最低溫度與環(huán)境溫度-3℃的差值；ΔT2為最大溫差，即表面最高溫度與環(huán)境溫度的差值。

圖12 XP-160絕緣子覆冰溫度分布Fig.12 Temperature distribution of ice-covered XP-160 insulators

從圖12和表4可以看出，XP-160絕緣子表面覆冰時(shí)溫度發(fā)生了明顯變化。絕緣子未覆冰時(shí)在鋼帽下方瓷質(zhì)部分溫度出現(xiàn)上升，高出環(huán)境溫度0.06℃。覆冰后隨著冰厚增加，冰棱增長(zhǎng)，最上片絕緣子鋼帽處溫度明顯上升，下面兩片絕緣子溫度也逐漸升高，而鋼帽處的溫度變化速率快于瓷質(zhì)傘裙和鋼腳。冰層橋接后絕緣子溫度變化增大，第一片絕緣子鋼帽處溫度達(dá)到-0.8℃，最低溫度也略有上升。這說(shuō)明隨著冰層厚度增加，覆冰越嚴(yán)重，絕緣子溫度上升越高。對(duì)于溫度達(dá)到0℃以上的部位將會(huì)出現(xiàn)融冰，而冰水的出現(xiàn)則會(huì)導(dǎo)致絕緣子性能降低、易冰閃等情況。

從圖13和表4可知，對(duì)于FXBW-110/100復(fù)合絕緣子，在未覆冰時(shí)絕緣子溫度未發(fā)生變化，而覆冰之后隨著冰層厚度增加及冰棱增長(zhǎng)，絕緣子最低溫度和最高溫度都有所上升，其中第一片傘裙溫度變化最明顯，其次為第二、三片傘裙和最后一片傘裙，呈現(xiàn)“低壓端高，高壓端次之，中間最低”的溫度變化特點(diǎn)。當(dāng)冰凌橋接絕緣子傘裙后，發(fā)現(xiàn)絕緣子最高溫度繼續(xù)升高，而最低溫度反而下降，絕緣子頂端傘裙溫度最高，達(dá)到-1.21℃，而冰棱末端溫度也有上升，末端傘裙溫度未有變化。說(shuō)明覆冰越嚴(yán)重，溫度變化越明顯，在第一片傘裙處最易出現(xiàn)融冰情況，接下來(lái)是絕緣子末端傘裙，而一般情況下絕緣子中間的冰層融化最慢。

圖13 FXBW-110/100絕緣子覆冰溫度分布Fig.13 Temperature distribution of ice-covered FXBW-110/100 insulators

從表4可知，對(duì)于平腕臂絕緣子，未覆冰時(shí)絕緣子表面溫度未發(fā)生變化，而隨著冰層厚度增加，最低溫度和最高溫度皆有所上升，當(dāng)冰層厚度達(dá)到9 mm時(shí)，最高溫度達(dá)到-2.53℃。從圖14中平腕臂絕緣子表面溫度分布來(lái)看，平腕臂絕緣子的溫度分布呈現(xiàn)“兩端大、中間小”的特點(diǎn)，最高溫度都出現(xiàn)在第一片和最后一片傘裙上，意味著冰層將首先從這兩部分開(kāi)始融化，即這兩個(gè)位置的傘裙最易出現(xiàn)局部放電等情況。

圖14 平腕臂絕緣子覆冰溫度分布Fig.14 Temperature distribution of ice-covered contilever insulators

表4 覆冰絕緣子表面溫度Tab.4 Surface temperature of iced insulator

從圖15可知，平腕臂表面覆冰后溫度隨覆冰程度增加而增加，溫度分布也呈“兩端高、中間低”的特點(diǎn)；斜腕臂的溫度變化和分布特點(diǎn)也基本一致。隨著斜腕臂傾斜角的增加溫度變化不明顯，說(shuō)明增大腕臂傾角，不會(huì)使絕緣子表面冰層的融化速率加快。故在安裝腕臂時(shí)腕臂傾角的大小不會(huì)影響絕緣子覆冰時(shí)的絕緣性能。

圖15 不同布置角度腕臂絕緣子覆冰溫度分布Fig.15 Temperature distribution of ice-covered cantilever insulators with different arrangment angles

3 腕臂絕緣子傘裙優(yōu)化

為了減輕腕臂絕緣子覆冰后對(duì)接觸網(wǎng)供電造成的損害，需要對(duì)已有的傘裙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)階段腕臂絕緣子多以一大一小傘裙為主，在優(yōu)化時(shí)建立傘裙結(jié)構(gòu)為均勻傘裙、一大兩小傘裙的絕緣子模型，如圖16所示。

圖16 不同傘裙結(jié)構(gòu)Fig.16 Different shed structures

對(duì)不同傘裙結(jié)構(gòu)的覆冰絕緣子空間電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖17所示，冰層厚度為6 mm，冰棱長(zhǎng)度為26 mm。

從圖17可以看出，均勻傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子電場(chǎng)分布較對(duì)稱，場(chǎng)強(qiáng)畸變小于一大一小傘裙和一大兩小傘裙結(jié)構(gòu)絕緣子。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到106數(shù)量級(jí)時(shí)絕緣護(hù)套才有可能發(fā)生局部放電，和仿真結(jié)果相比，在重覆冰條件下3種傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子絕緣性能都能保證絕緣子正常運(yùn)行，不會(huì)影響接觸網(wǎng)正常供電。

圖17 不同傘裙結(jié)構(gòu)的覆冰絕緣子電場(chǎng)分布Fig.17 Electric field distribution of iced insulators with different shed structures

對(duì)三種結(jié)構(gòu)的斜腕臂覆冰絕緣子空間電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖18所示，冰層厚度為6 mm，冰棱長(zhǎng)度為26 mm，腕臂傾角為60°。

從圖18可以明顯看出，均勻傘裙結(jié)構(gòu)的斜腕臂絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度高于其他兩種傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子場(chǎng)強(qiáng)，而一大兩小傘裙結(jié)構(gòu)絕緣子與一大一小傘裙結(jié)構(gòu)絕緣子相比場(chǎng)強(qiáng)畸變較小，在重覆冰地區(qū)不易發(fā)生冰閃，絕緣性能更好。

圖18 不同傘裙結(jié)構(gòu)的斜腕臂絕緣子電場(chǎng)分布Fig.18 Electric field distribution of cantilevered insulators with different shed structures

考慮到絕緣子覆冰后的溫度變化，對(duì)不同傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖19所示。從圖19可以看出，3種傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子中，一大兩小傘裙結(jié)構(gòu)絕緣子表面最高溫度低于其他兩種絕緣子，而均勻傘裙結(jié)構(gòu)絕緣子表面溫度最高，達(dá)到1.15℃，相差0.55℃。說(shuō)明均勻傘裙結(jié)構(gòu)絕緣子覆冰時(shí)溫度變化最明顯，容易產(chǎn)生融冰水，增加了絕緣子冰閃的可能性，相比之下一大兩小傘裙結(jié)構(gòu)絕緣子更加適合在平腕臂重覆冰條件下使用。

圖19 平腕臂絕緣子覆冰溫度分布Fig.19 Temperature distribution of flat cantilever insulator with icing

對(duì)斜腕臂不同傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子表面溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖20所示。從圖20可以看出，3種絕緣子最低溫度基本相同，而最高溫度有一定差距，一大兩小傘裙絕緣子最高溫度為-0.31℃，低于均勻傘裙與一大一小傘裙絕緣子，結(jié)果和平腕臂絕緣子覆冰相同。因此在斜腕臂覆冰條件下一大兩小傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子性能更佳，閃絡(luò)的可能性更小。

圖20 斜腕臂絕緣子覆冰溫度分布Fig.20 Temperature distribution of inclined cantilever insulator with icing

4 結(jié)論

針對(duì)青藏線格爾木站環(huán)境特點(diǎn)，建立了接觸網(wǎng)腕臂絕緣子靜電場(chǎng)及熱電耦合場(chǎng)覆冰模型，通過(guò)與其他兩種覆冰絕緣子相比，得到如下結(jié)論：

（1）覆冰瓷絕緣子與復(fù)合絕緣子隨冰層厚度和冰棱長(zhǎng)度增加，絕緣子空間場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大，出現(xiàn)冰棱橋接時(shí)絕緣子場(chǎng)強(qiáng)明顯減小。腕臂絕緣子場(chǎng)強(qiáng)隨覆冰程度增加而增大，但當(dāng)冰層達(dá)到一定厚度時(shí)，再增加覆冰厚度，場(chǎng)強(qiáng)可能低于未覆冰絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)。

（2）瓷絕緣子覆冰后溫度自上而下逐漸降低，鋼帽處溫度變化最明顯；復(fù)合絕緣子覆冰后呈現(xiàn)低壓端溫度最高、高壓端溫度次之、中部溫度最低的分布特點(diǎn)；腕臂絕緣子覆冰后溫度分布呈現(xiàn)“兩端高、中間低”的特點(diǎn)。3種絕緣子溫度都隨覆冰程度增加而上升。

（3）隨著絕緣子傾角增加，絕緣子場(chǎng)強(qiáng)增大，但溫度變化不明顯。因此在重覆冰地區(qū)建議在腕臂安裝時(shí)可以減小腕臂傾角，對(duì)保證線路正常供電有一定幫助。

（4）對(duì)重覆冰地區(qū)腕臂絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，仿真發(fā)現(xiàn)均勻傘裙結(jié)構(gòu)的平腕臂絕緣子場(chǎng)強(qiáng)最小，斜腕臂絕緣子中一大兩小傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子場(chǎng)強(qiáng)最?。辉跍囟葓?chǎng)中一大兩小傘裙絕緣子溫度變化最小。因此，對(duì)重覆冰地區(qū)腕臂絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇一大兩小傘裙，可有效降低覆冰絕緣子冰閃事故的發(fā)生概率。