高速氣流下動車組車頂絕緣子積污特性研究

宋 瑋，賈 男，楊升杰

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003）

0 引言

我國地域遼闊，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及對能源消耗量的不斷增加，而普通電力機(jī)車由于運(yùn)行速度慢、能源消耗大等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能有效滿足我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及區(qū)域經(jīng)濟(jì)之間加深合作的要求[1-2]。高速鐵路具有運(yùn)行速度快、運(yùn)輸能力強(qiáng)、能源消耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，逐步發(fā)展成我國重要的運(yùn)載工具。為了促進(jìn)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(biāo)：到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到10萬公里，主要技術(shù)裝備達(dá)到或接近國際先進(jìn)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(yùn)行時(shí)，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(jìn)行了大量研究，研究重點(diǎn)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(xiàn)[12]在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(xiàn)[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(xiàn)[14-15]通過對深圳地區(qū)多處有代表性輸電桿塔上進(jìn)行帶電與不帶電復(fù)合絕緣子自然積污試驗(yàn)，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(yīng)用，但是瓷絕緣子易于碎裂。對于高速運(yùn)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(jī)械性能。目前在網(wǎng)運(yùn)行動車組車頂絕緣子主要是硅橡膠復(fù)合絕緣子，因此筆者以硅橡膠絕緣子為對象進(jìn)行表面污穢分布規(guī)律研究。

1 試驗(yàn)裝置、試品及方法

1.1 積污試驗(yàn)裝置

風(fēng)洞系統(tǒng)使得在實(shí)驗(yàn)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(fēng)洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由高速試驗(yàn)段、低速試驗(yàn)段和風(fēng)機(jī)組成。其中，低速段的長寬高分別為1050cm、150cm、100cm，試驗(yàn)風(fēng)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(yàn)風(fēng)速在0～60 m/s內(nèi)連續(xù)可調(diào)。根據(jù)試驗(yàn)要求選擇高速段為試驗(yàn)段，風(fēng)速選擇60 m/s，最為接近動車運(yùn)行時(shí)速度。

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

1.2 試驗(yàn)試品和方法

試驗(yàn)所用試品絕緣子為動車組車頂高壓隔離開關(guān)硅橡膠復(fù)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(yàn)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(fēng)洞中容易和高速氣流混合均勻，并且在試驗(yàn)過程中，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)高速段濃度約為500 μg/m3，為嚴(yán)重霧霾天氣條件下空氣中的污穢含量。

試驗(yàn)中由于絕緣子在單一方向風(fēng)作用下，會出現(xiàn)迎風(fēng)面和背風(fēng)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(fēng)面和背風(fēng)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(shí)，為保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性，同一試驗(yàn)條件下積污試驗(yàn)進(jìn)行3次，取其平均值。

1.3 試驗(yàn)?zāi)M仿真

為了驗(yàn)證所選風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與對應(yīng)自然條件的有效性，筆者利用fluent仿真軟件進(jìn)行自然條件和風(fēng)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(fēng)條件下，雖然有少量風(fēng)速不是嚴(yán)格的水平方向，但是絕緣子周圍的自然風(fēng)速流場和風(fēng)洞中的絕緣子周圍的風(fēng)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(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M高速氣流條件下的絕緣子積污，具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

2 積污試驗(yàn)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(yàn)方法分別對絕緣子進(jìn)行人工污穢試驗(yàn)。試驗(yàn)測量表明，人工風(fēng)洞中絕緣子在恒定風(fēng)速為60 m/s持續(xù)作用下，絕緣子表面灰密隨時(shí)間增加會達(dá)到飽和狀態(tài)，以絕緣子大傘裙背風(fēng)面平均灰密為例，飽和特性如圖4所示。

圖3 絕緣子風(fēng)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(dá)到飽和，達(dá)到飽和所需時(shí)間大約為8 h，而相關(guān)文獻(xiàn)表面在風(fēng)洞積污試驗(yàn)中瓷絕緣子表面積污達(dá)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(fēng)面污穢分布分析

絕緣子在風(fēng)洞中模擬高速氣流條件作用下，積污達(dá)到飽和時(shí)絕緣子迎風(fēng)面和背風(fēng)面積污情況如圖5所示。

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

由圖5及試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高速氣流作用下，絕緣子背風(fēng)面積污量大于迎風(fēng)面。由于絕緣子芯棒半徑較大，不管是迎風(fēng)面還是背風(fēng)面?zhèn)闳垢慷汲霈F(xiàn)了較嚴(yán)重的積污。有研究表面，高速氣流作用下，絕緣子傘裙背風(fēng)面及芯棒處的壓強(qiáng)相對于迎風(fēng)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(fēng)面和背風(fēng)面積污分布規(guī)律，下面具體分析不同時(shí)長持續(xù)作用下絕緣子各傘裙背風(fēng)面所占面積比例（即背風(fēng)面面積與整個(gè)傘裙面積的比值）及迎背風(fēng)面污穢分布不均勻程度。

1）高速氣流持續(xù)時(shí)間對絕緣子背風(fēng)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(shí)長下背風(fēng)面所占面積比例。

圖6 不同時(shí)長背風(fēng)面所占面積比例百分?jǐn)?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(shí)間的增加，絕緣子背風(fēng)面所占面積比例百分?jǐn)?shù)逐漸減小。時(shí)長為2 h時(shí)，絕緣子背風(fēng)面所占面積比例平均為31.6%；時(shí)長為8 h時(shí)，絕緣子積污飽和，背風(fēng)面所占面積比例平均為20.6%。試驗(yàn)表明，作用時(shí)長超過8 h后，傘裙背風(fēng)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(fēng)面污穢帶走。而且整體來看，相同持續(xù)時(shí)長下，小傘裙背風(fēng)面所占面積比例略高于大傘裙。

2）高速氣流持續(xù)時(shí)間對絕緣子迎/背風(fēng)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(shí)長下背風(fēng)面與迎風(fēng)面灰密的比值。

圖7 不同時(shí)長下背風(fēng)面與迎風(fēng)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(fēng)面污穢分布不均勻度測量結(jié)果可知，隨絕緣子在風(fēng)洞中持續(xù)時(shí)間的增加，絕緣子傘裙迎/背風(fēng)面污穢分布不均勻度整體上逐漸增大，背風(fēng)面與迎風(fēng)面的灰密比值最大達(dá)7.2。這是由于高速氣流很容易將絕緣子迎風(fēng)面污穢帶走，不利于污穢的積累；而背風(fēng)面由于芯棒的屏障作用會在背風(fēng)面形成低壓區(qū)利于污穢的沉積。圖中各條背風(fēng)面與迎風(fēng)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(fēng)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(shí)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(fēng)洞試驗(yàn)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(shí)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(fēng)洞中持續(xù)時(shí)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(shí)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(shí)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(fēng)洞試驗(yàn)裝置條件下，所研究絕緣子表面積污具有飽和特性，達(dá)到飽和所需時(shí)間約為8 h。

2）高速氣流持續(xù)時(shí)長對絕緣子背風(fēng)面所占比例有較大影響，在2h時(shí)背風(fēng)面所占比例為31.6%，當(dāng)達(dá)到飽和時(shí)為20.6%。

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

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

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