車頂絕緣子RTV涂層磨蝕規(guī)律及其對(duì)污閃電壓的影響研究

魏 隆,景所立,范 超,馮鈺欽,郭裕鈞

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島 266031； 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756)

引言

高速列車車頂絕緣子的污閃事故仍時(shí)有發(fā)生，影響列車的安全運(yùn)行。為提高其表面憎水性，提升污閃電壓，部分采用在絕緣子表面涂覆室溫硫化硅橡膠(RTV)涂料[1]。但由于空氣中的污穢顆粒和列車高速運(yùn)行時(shí)揚(yáng)起的塵土，列車在高速運(yùn)行時(shí)與彌漫在空中的顆粒相對(duì)速度可達(dá)110m/s[2]，同時(shí)，隨著蘭新線等鐵路的開(kāi)通，風(fēng)沙地區(qū)空氣中砂石不斷沖擊造成的應(yīng)力疲勞使絕緣子表面易發(fā)生形變和破損[3-4]。且沙塵天氣后常伴隨降水天氣，此時(shí)車頂高壓設(shè)備往往沒(méi)有時(shí)間采取防污閃措施[5]。大氣中的污穢顆粒高速撞擊絕緣子表面，會(huì)造成絕緣子表面涂料的磨蝕[6-8]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使得表面涂層的脫落，絕緣性能下降，甚至?xí)l(fā)閃絡(luò)事故[9-11]，影響高速列車正常運(yùn)行。因此，研究車頂絕緣子涂層磨蝕規(guī)律及其對(duì)污閃電壓的影響具有重要意義。

造成高速列車絕緣子閃絡(luò)的原因主要有3種：過(guò)電壓、高速氣流及污穢積累[12]。其中，高速氣流及污穢積累與絕緣子有關(guān)[13-14]，高速氣流對(duì)絕緣子表面放電形態(tài)的影響受低氣壓、吹弧和邊界層效應(yīng)的影響[15]，應(yīng)對(duì)此情況的有效措施是使用復(fù)合絕緣子以此提升高速鐵路污閃電壓。而當(dāng)污穢在絕緣子表面積累過(guò)多時(shí)，弱降雨天氣下絕緣子表面的泄漏電流過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成閃絡(luò)事故，此時(shí)為提高絕緣子表面憎水性及憎水遷移性，會(huì)在絕緣子表面噴涂RTV涂料[16]。

目前，對(duì)絕緣子表面涂料的分析還較為匱乏，主要集中在電力系統(tǒng)絕緣子領(lǐng)域，尚美潔等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，RTV涂料的附著力、憎水性不斷下降；袁明仁等[18]研究了污穢鹽灰密對(duì)防污閃涂料憎水遷移性的影響，發(fā)現(xiàn)灰密是影響憎水遷移性的主要因素；賈志東等[19]針對(duì)高溫氣候下RTV防污閃涂料的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)高溫潮濕環(huán)境下RTV涂層的黏性不佳，無(wú)法長(zhǎng)期有效運(yùn)行。這些研究主要涉及涂料的物理性能研究，缺乏對(duì)涂料電氣性能研究。

針對(duì)車頂絕緣子國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了大量研究，劉學(xué)忠等[20]針對(duì)高速氣流環(huán)境下絕緣子表面放電特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高速氣流環(huán)境下的絕緣子放電主要受吹弧、低氣壓及邊界層效應(yīng)共同作用影響；韓勇[21]通過(guò)仿真與試驗(yàn)的方法研究了風(fēng)沙環(huán)境下絕緣子表面沖蝕磨損特性及其對(duì)絕緣性能的影響，發(fā)現(xiàn)磨損對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響主要為對(duì)閃絡(luò)路徑的影響；宋瑋等[22]研究了霧霾環(huán)境下的車頂絕緣子的積污特性，發(fā)現(xiàn)絕緣子傘裙表面NSDD和ESDD與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI成正比；文獻(xiàn)[23]指出霧霾中污穢顆粒會(huì)在絕緣子表面滑移進(jìn)而影響積污。這些研究所涉及的車頂絕緣子均為未噴涂RTV涂料的普通絕緣子，而隨著RTV涂料在鐵路系統(tǒng)的普及，車頂絕緣子涂層磨蝕規(guī)律及其對(duì)污閃電壓的影響成為急需研究的問(wèn)題。

1 磨蝕過(guò)程分析

1.1 沖蝕磨損過(guò)程分析

污穢顆粒對(duì)車頂絕緣子表面的磨蝕不是簡(jiǎn)單的機(jī)械撞擊和摩擦，其機(jī)理十分復(fù)雜。通常將流體力學(xué)磨蝕分為摩擦型和和沖擊型，當(dāng)固體顆粒以較大角度沖擊材料表面時(shí)，對(duì)材料壁面造成反復(fù)掃掠和壓力波的推擠作用，使材料發(fā)生塑性形變。當(dāng)壁面材料達(dá)到疲勞極限時(shí)，表面材料開(kāi)始脫落并產(chǎn)生局部破壞造成壁面磨蝕；當(dāng)固體顆粒沖擊角度較小時(shí)，材料表面磨蝕主要由創(chuàng)和挫聯(lián)合作用造成。高速列車運(yùn)行于沙塵環(huán)境中時(shí)，空間沙塵顆粒和列車車頂絕緣子發(fā)生碰撞會(huì)對(duì)絕緣子表面產(chǎn)生磨損。同時(shí)，沖擊速度的不同及顆粒物的大小也會(huì)對(duì)絕緣子磨蝕情況產(chǎn)生不同的影響。在污穢材料與絕緣子材料確定的情況下，污穢對(duì)絕緣子的沖蝕磨損主要由風(fēng)速及污穢粒徑?jīng)Q定。

1.2 控制方程

針對(duì)高速列車絕緣子的流體環(huán)境，存在以下流體運(yùn)輸方程

(1)

(2)

式中，μeff為有效黏性系數(shù)，μeff=μ+μt；αk、αε分別為湍動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特常數(shù)倒數(shù)；Gk為平均速度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

關(guān)于對(duì)污穢顆?？刂品匠蹋紫葘?duì)電場(chǎng)的中污穢顆粒做受力分析，如圖1所示。

圖1 顆粒受力分析

圖1中，F(xiàn)S為相間曳力，即氣流對(duì)污穢顆粒的作用力；FE為電場(chǎng)對(duì)污穢顆粒的作用力；G為污穢顆粒自身重力，F(xiàn)B為浮力，各種力共同作用決定污穢顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，而污穢顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)影響顆粒與絕緣子的碰撞率。

根據(jù)上述受力分析，得到沙塵顆粒的作用力平衡方程為

(3)

式中，ρg為顆粒處空氣密度；U為氣流速度矢量；mp，dp，V，CD分別為顆粒的質(zhì)量、直徑、速度矢量和阻力系數(shù)；g為重力加速度。

2 顆粒對(duì)車頂絕緣子表面涂層磨蝕規(guī)律研究

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，降低仿真計(jì)算量，在保證結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工況環(huán)境，作出如下假設(shè)。

(1)顆粒的形狀為球形，成分為CaSO4，密度為0.5 g/cm3，由于此密度遠(yuǎn)大于空氣密度，因此忽略空氣對(duì)污穢顆粒的浮力。

(2)與空氣相比，顆粒的體積分?jǐn)?shù)很小，可以忽略污穢顆粒對(duì)氣流分布的影響。

(3)顆粒在電場(chǎng)環(huán)境下的感應(yīng)電荷量即為其所能感應(yīng)到的最大電荷量。

在遵循上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，改變顆粒粒徑大小及氣流速度，對(duì)絕緣子表面涂層在不同環(huán)境下的磨蝕情況進(jìn)行仿真分析。

2.1 仿真參量設(shè)置

計(jì)算模型參照CR400AF型動(dòng)車組車頂絕緣子構(gòu)建，絕緣子整體呈塔狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示，

圖2 CR400AF型動(dòng)車組車頂絕緣子示意

在絕緣子周圍構(gòu)建底面半徑0.5 m，高1 m的圓柱形流場(chǎng)區(qū)域，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置入口風(fēng)速在20～100 m/s變化，在入口處設(shè)置粒子發(fā)生器，污穢粒子粒徑在50～200 μm內(nèi)隨機(jī)生成，設(shè)置污穢顆粒與絕緣子表面碰撞后發(fā)生反彈，同時(shí)，在絕緣子表面設(shè)置5 mm厚涂層，進(jìn)行仿真運(yùn)算。

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)仿真試驗(yàn)，得到計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。為分析簡(jiǎn)單，將絕緣子分為4個(gè)區(qū)域，如圖4所示，仿真結(jié)果以沖蝕率代表傘裙磨蝕情況，沖蝕率越大，磨蝕越嚴(yán)重。

圖3 絕緣子表面磨蝕情況示意

圖4 表面渦流速度分布及傘裙區(qū)域劃分示意

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析可以看出，當(dāng)風(fēng)速為20 m/s時(shí)，側(cè)風(fēng)面區(qū)域磨蝕最嚴(yán)重，背風(fēng)面磨蝕情況最輕，迎風(fēng)面磨蝕情況介于兩者之間；隨著風(fēng)速的增加，迎風(fēng)面磨蝕情況加劇，磨蝕最嚴(yán)重的區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，同時(shí)向背風(fēng)面移動(dòng)。造成這種情況的主要原因?yàn)闇u流影響，當(dāng)高速氣流經(jīng)過(guò)絕緣子區(qū)域時(shí)，由于傘裙及桿徑的影響，氣流在絕緣子表面會(huì)形成渦流區(qū)域，氣流中裹挾的CaSO4顆粒受到渦流的影響與絕緣子表面接觸，造成絕緣子表面磨蝕，風(fēng)速越大，磨蝕程度越大。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，磨蝕情況與渦流速度分布不完全重合，磨蝕最嚴(yán)重的區(qū)域稍滯后于渦流速度最大的區(qū)域，最主要的原因是風(fēng)速較快使得污穢顆粒與絕緣子表面接觸概率降低，當(dāng)污穢顆粒通過(guò)渦流速度最快區(qū)域后，由于風(fēng)速降低，使得顆粒與絕緣子表面接觸概率增加，沖蝕磨損更為嚴(yán)重。

3 涂料磨蝕分布對(duì)車頂絕緣子閃絡(luò)的影響

車頂絕緣子在高速氣流環(huán)境中遭受污穢顆粒物碰撞后，表面涂層會(huì)發(fā)生多種情況的磨蝕破損，其磨蝕破損面積、程度與位置隨著不同風(fēng)速變化。為研究涂層破損對(duì)絕緣子污閃電壓的影響，現(xiàn)根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)置不同情況的人工破壞樣本，包括以下內(nèi)容。

(1)1 mm×20 mm損傷破壞：模擬低風(fēng)速下傘裙邊緣磨蝕。

(2)10 mm×40 mm損傷破壞：模擬高風(fēng)速下傘裙邊緣磨蝕。

(3)大面積扇形損傷破壞：模擬高風(fēng)速下磨蝕區(qū)域面積擴(kuò)大。

(4)小面積扇形破壞：模擬低風(fēng)速下蝕損。

(5)大范圍隨機(jī)損傷破壞：模擬復(fù)雜外部環(huán)境蝕損，如沙塵暴等。

為控制變量，保證(3)～(5)中總破壞面積均占絕緣子傘裙面積的40%。對(duì)不同涂層破損狀態(tài)的絕緣子進(jìn)行閃絡(luò)試驗(yàn)，探究涂層磨損對(duì)閃絡(luò)的影響。人工破壞樣本如圖5所示。

圖5 絕緣子表面涂層不同損傷情況試樣

3.1 涂層磨損對(duì)閃絡(luò)的影響

試驗(yàn)電路如圖6所示，加壓設(shè)備由調(diào)壓器和變壓器組成，其中，變壓器的變比為1∶450，輸出電壓100 kV，額定功率150 kVA。試驗(yàn)電壓通過(guò)GF-100 kV交流高壓阻容分壓器測(cè)量獲得，分壓比為1∶1 000。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境濕度60%，溫度25 ℃，所用加壓方式為均勻升壓法，每組試驗(yàn)進(jìn)行5次，試驗(yàn)結(jié)果為5組試驗(yàn)的平均值。

圖6 閃絡(luò)試驗(yàn)電路示意

首先，對(duì)未發(fā)生破損的全新絕緣子以及表面無(wú)涂層的普通絕緣子進(jìn)行了污穢閃絡(luò)試驗(yàn)，絕緣子涂污采用TB/T 3077—2017《機(jī)車車輛車頂絕緣子》和DL/T 859—2015《高壓交流系統(tǒng)用復(fù)合絕緣子人工污穢試驗(yàn)》所述定量涂刷法。污穢為氯化鈉與硅藻土的混合污穢，等值鹽密為0.4 mg/cm2，灰密為2.0 mg/cm2，試驗(yàn)測(cè)得未破損絕緣子的污閃電壓為47.3 kV。而表面無(wú)涂層的絕緣子污閃電壓為37.6 kV?？梢钥闯?，涂覆絕緣涂層可以有效提高絕緣子的污閃電壓。

對(duì)涂層不同破損面積的絕緣子進(jìn)行閃絡(luò)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同破損面積下絕緣子污閃電壓

由圖7可以看出，隨著破損面積的增加，絕緣子的污閃電壓略有降低，損傷面積分別為1 mm×20 mm、10 mm×40 mm及40%扇形區(qū)域時(shí)，污閃電壓分別為47.1，46.9，45.6 kV，涂層無(wú)破損，污閃電壓下降幅度不大。

為研究涂層相同破損面積、不同破損區(qū)域?qū)ξ坶W電壓的影響，對(duì)絕緣子表面涂層進(jìn)行單片大面積扇形破壞、多面扇形小范圍破壞以及大范圍隨機(jī)破壞，對(duì)破壞后的絕緣子分別按上述試驗(yàn)步驟進(jìn)行閃絡(luò)試驗(yàn)，所得污閃電壓如圖8所示。

圖8 不同破損分布情況下絕緣子污閃電壓

由圖8中可以看出，在涂層破損區(qū)域面積相同的情況下，破損區(qū)域分布越分散，污閃電壓越低；當(dāng)僅有單片大面積扇形區(qū)域涂層被破壞時(shí)，絕緣子污閃電壓為45.6 kV；當(dāng)有多個(gè)小面積扇形區(qū)域涂層被破壞時(shí)，絕緣子污閃電壓為40.6 kV；當(dāng)大范圍隨機(jī)破壞涂層后，絕緣子污閃電壓降為29.7 kV。當(dāng)涂層破損區(qū)域分布無(wú)規(guī)律時(shí)，污閃電壓會(huì)出現(xiàn)大幅度下降，甚至?xí)刮坶W電壓低于未涂覆絕緣子的污閃電壓。

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)未涂覆涂層的絕緣子和有涂層的絕緣子開(kāi)展污穢閃絡(luò)試驗(yàn)可以看出，在涂層未損壞情況下，涂層可以提高絕緣子的污閃電壓。這主要是因?yàn)橥繉泳哂懈玫氖杷裕鄯x受潮后由于其憎水遷移性使得表面電阻率大于無(wú)涂層絕緣子表面的電阻率，因此，相同條件下涂層表面發(fā)生污閃電壓更高。

當(dāng)涂層發(fā)生破損時(shí)，涂層破損處的毛刺會(huì)使得絕緣子表面電場(chǎng)發(fā)生畸變，有利于電弧的發(fā)展，使得絕緣子污閃電壓下降。當(dāng)涂層破損面積較小時(shí)，整體表面電阻率下降不多，此時(shí)破損對(duì)于污閃電壓的影響不大；隨著破損面積的增加，當(dāng)破損部位較為均勻，絕緣子表面無(wú)明顯電場(chǎng)畸變，污閃電壓下降不多；當(dāng)破損區(qū)域面積相同但分布不規(guī)則時(shí)，絕緣子表面電場(chǎng)畸變加劇，使得閃絡(luò)更易發(fā)生。為探明涂層破損對(duì)表面電場(chǎng)分布的影響，利用有限元軟件對(duì)絕緣子進(jìn)行電場(chǎng)分析，如圖9所示。

圖9 不同涂層狀態(tài)下絕緣子表面電場(chǎng)分布

由圖9可以看出，當(dāng)涂層完整時(shí)，絕緣子表面平均電場(chǎng)強(qiáng)度為2.8 kV/m，且分布均勻；當(dāng)涂層發(fā)生區(qū)域性完整脫落時(shí)，隨機(jī)破損區(qū)域面積的增加，表面平均電場(chǎng)強(qiáng)度上升，但此時(shí)表面電場(chǎng)分布依舊相對(duì)均勻；當(dāng)涂層脫落區(qū)域面積一定時(shí)，隨著破損區(qū)域的隨機(jī)分布，絕緣子表面平均電場(chǎng)強(qiáng)度增加至4.2 kV/m，同時(shí)電場(chǎng)分布整體相對(duì)均勻，但破損區(qū)域電場(chǎng)畸變?cè)鰪?qiáng)。

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)涂層發(fā)生大面積多區(qū)域隨機(jī)破損時(shí)，絕緣子表面破損導(dǎo)致電場(chǎng)畸變?cè)鰪?qiáng)，這種電場(chǎng)畸變會(huì)使得絕緣子絕緣性能大幅下降，使得絕緣子更加容易發(fā)生閃絡(luò)。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元仿真分析車頂絕緣子RTV涂層被氣流中污穢顆粒沖蝕損傷的規(guī)律，并根據(jù)磨蝕規(guī)律進(jìn)行對(duì)應(yīng)涂層人工破壞試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)比涂層蝕損后絕緣子的耐污閃性能，得出如下結(jié)論。

(1)由于渦流的影響，車頂絕緣子涂層磨蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)面，同時(shí)磨蝕最為嚴(yán)重區(qū)域稍微滯后于渦流速度最大的區(qū)域。

(2)涂層涂覆可以有效提高絕緣子表面污閃電壓，但隨著涂層的損壞，絕緣子表面污閃電壓下降，破損嚴(yán)重時(shí)，其污閃電壓甚至?xí)陀谖赐扛步^緣子的表面污閃電壓。

(3)隨著涂層損傷面積的增大，污閃電壓下降幅度不大；當(dāng)涂層發(fā)生破損時(shí)，破損區(qū)域分布越分散，污閃電壓越低，破損區(qū)域由大面積扇形區(qū)域變成大范圍隨機(jī)破損時(shí)，污閃電壓由45.6 kV下降至29.7 kV，此時(shí)涂層的使用反而會(huì)降低車頂絕緣子的絕緣性能。

(4)運(yùn)行于重污區(qū)或者沙塵地區(qū)的高速列車車頂絕緣子可考慮不涂覆防污涂料，或者應(yīng)當(dāng)定期檢查涂料磨蝕情況，對(duì)涂料進(jìn)行補(bǔ)齊或更換絕緣子。