接觸網(wǎng)絕緣腕臂電氣性能研究及優(yōu)化

何廷豹

0 引言

當(dāng)前我國電氣化鐵路采用鋼柱或鋼筋混凝土支柱懸掛接觸網(wǎng)腕臂及絕緣子的形式，該形式腕臂裝置及絕緣子檢修工作量大，運維成本高，且絕緣子在重污、鹽霧等環(huán)境中容易發(fā)生污閃，造成停電事故[1-3]。文獻[4-6]介紹了玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣性能強等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域，如將其應(yīng)用于接觸網(wǎng)腕臂中，可簡化結(jié)構(gòu)、降低施工安裝難度，同時可減少絕緣子等懸掛零件的數(shù)量，大大減輕接觸網(wǎng)檢修維護工作量。本文研究復(fù)合材料在接觸網(wǎng)腕臂中的應(yīng)用前景及優(yōu)勢。

1 腕臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)行電氣化鐵路接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)將金屬腕臂和絕緣子合二為一，均采用絕緣材料，具體如圖1所示，包括由絕緣材料制成的平腕臂、斜腕臂、腕臂支撐、定位管、定位管支撐、定位器、定位器底座。平腕臂和斜腕臂一端固定于金屬承力索座，另一端固定于支柱，并采用腕臂支撐管進行結(jié)構(gòu)加強；定位管與斜腕臂通過金屬構(gòu)件連接，另一端與定位管支撐通過金屬構(gòu)件連接，定位管支撐的另一端固定于承力索座，定位器安裝于定位管上。

圖1 腕臂結(jié)構(gòu)

2 主要性能試驗

由于接觸網(wǎng)設(shè)備位于線路上方且無備用，其發(fā)生故障將直接影響電力機車的運行，采用的復(fù)合材料需具備延伸能力強、機械強度高、絕緣性能好、經(jīng)濟等特點。絕緣材料一般由基體、增強纖維和輔助材料三部分組成。常見的基體有環(huán)氧樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂等，其中樹脂基體具有良好的絕緣性能，兼具較強的耐腐蝕性。增強纖維使絕緣材料具有良好的力學(xué)特性，國內(nèi)常用的增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等[7]。結(jié)合市場調(diào)研情況，玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料更適合作為接觸網(wǎng)腕臂裝置絕緣材料的增強纖維，本文選擇玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料展開接觸網(wǎng)腕臂的設(shè)計。結(jié)合接觸網(wǎng)腕臂的實際工況，依據(jù)相關(guān)標準試驗方法測試了絕緣材料的基本物理性能、電氣性能及機械性能。具體試驗項目及測試結(jié)果如表1 所示。

表1 絕緣材料性能試驗項目及測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可以得到該絕緣材料具有如下特點：強度高、密度小，相較于傳統(tǒng)金屬腕臂，其具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強度高的優(yōu)點；具有較高的體積電阻率、較低的介質(zhì)損耗因數(shù)及泄漏電流，絕緣性能優(yōu)良，用于接觸網(wǎng)腕臂可提高絕緣爬電距離及絕緣間隙距離。

3 腕臂電場特性分析

過度集中的電場強度及不均勻的電位分布是局部放電乃至產(chǎn)生電弧的根源[8-11]，會縮短腕臂使用壽命，因此需要對絕緣材料腕臂的電場分布特性進行研究。本文利用COMSOL Multiphysics 多物理場仿真軟件，基于絕緣材料腕臂實際安裝形式下的電磁環(huán)境，建立三維計算模型計算分析腕臂的電位數(shù)值及電場分布。

3.1 計算原理

3.1.1 電位計算

由于絕緣材料腕臂長期工作在工頻50 Hz 交流電壓下，電壓隨時間變化緩慢，極間的絕緣距離比相應(yīng)電磁波的波長（6 000 km）小得多，故對于復(fù)合材料腕臂，其在工頻交流電壓下任一瞬間的電場可以近似認為是穩(wěn)定的，可按靜電場來分析[12]，靜電場中電位?的拉普拉斯方程表示為

邊界條件如下：

式中：S1為強加電位面；S2為第二類邊界面；S3為電位懸浮導(dǎo)體面；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；U0為強加電位面S1上給定的電位函數(shù)；Fφ 為懸浮導(dǎo)體上的待求電位；r為從源點到場點的徑向距離，即從電荷或電流產(chǎn)生的電磁場的中心到觀察點的距離；z為從源點到場點的軸向距離，即從電荷或電流產(chǎn)生的電磁場的軸線到觀察點的距離；n為一個整數(shù)，表示電勢函數(shù)的角向模式，即電勢函數(shù)在極坐標系下的角度變化形式。

電位在不同介質(zhì)交界面上滿足：

3.1.2 電暈起始場強計算

空氣濕度對電暈放電的影響較為顯著，空氣濕度較高時，水分子附著在電極表面，使局部電場場強增大[13]，電子運動過程中獲得的能量増強，導(dǎo)致電暈電流升高，電暈起始電壓降低[14]。接觸網(wǎng)腕臂裝置服役環(huán)境復(fù)雜，特別在高濕度地區(qū)，腕臂外表面局部場強和電暈起始場強會受到較大影響。為確保絕緣材料腕臂在高濕環(huán)境下的可靠性，對絕緣材料腕臂外表面最大場強進行分析計算。

導(dǎo)體電暈起始場強與導(dǎo)體表面粗糙度成線性關(guān)系[15]，即

式中：Eoneset(m)和Eoneset(m= 1)分別為導(dǎo)體在不同表面粗糙度下和光滑情形下的電暈起始場強。假定飽和濕空氣中導(dǎo)體表面不凝結(jié)水滴的情況下，水分子吸附導(dǎo)體表面形成水分子膜對導(dǎo)體的粗糙度無影響，則有

式（10）為正極性導(dǎo)體考慮了空氣濕度修正的計算式，式中：δ為空氣相對密度；m為表面粗糙度；r0為導(dǎo)體半徑；H為相對濕度；P為氣體壓強；PW為飽和水蒸氣分壓。絕緣桿表面會吸附水分，使表面粗糙，從而使電暈起始場強降低。

在絕緣材料腕臂模型中，定位管內(nèi)槽半徑r0=3 cm，空氣相對密度δ= 1。假設(shè)實際使用環(huán)境在海底隧道中，空氣相對濕度較高，H= 80%，考慮水滴對腕臂表面粗糙度的影響，m=75%，飽和水蒸氣分壓PW= 611×107.5t/(273+t)Pa，t= 16 ℃。最終得到復(fù)合材料腕臂定位管的起暈場強Eonesetp=28.177 kV/cm。

由于在實際安裝加工中，金屬連接件與復(fù)合絕緣桿之間不能保證完全緊密貼合，局部常常有細小縫隙導(dǎo)致局部放電，且腕臂結(jié)構(gòu)中存在曲率半徑大于3 cm 的部位，在高濕環(huán)境中當(dāng)場強遠小于Eonesetp的情況下就會產(chǎn)生局部起暈。因此將整個腕臂外表面的最大場強Emax設(shè)定為18 kV/cm。

3.2 仿真模型

由于絕緣材料腕臂結(jié)構(gòu)不具備軸對稱性，利用SYS 軟件建立接觸網(wǎng)腕臂三維模型，采用COMSOL 進行三維-靜電場-穩(wěn)態(tài)場分析。為兼顧剖分精度和計算時間，根據(jù)剖分密度和剖分方法將腕臂和空氣域剖分為兩部分，依據(jù)建立的模型對賦予了介電常數(shù)參數(shù)的各部件進行網(wǎng)格劃分，絕緣材料腕臂采用自由四面體網(wǎng)格剖分；對除絕緣材料腕臂外的空氣域采用自由四面體網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分可視化結(jié)果見圖2。模型邊界條件設(shè)定為：空氣域外表面、接觸網(wǎng)支柱、大地等與帶電體不直接關(guān)聯(lián)的物質(zhì)，其電壓標定為0 V；高壓端接觸線設(shè)為絕緣材料腕臂工頻運行電壓的峰值標定為41.012 kV。

圖2 網(wǎng)格剖分可視化結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果分析

標準大氣壓下，仿真結(jié)果如圖3 所示。結(jié)果表明，腕臂高電勢主要集中在金屬電極附近，離金屬電極越近，電勢越高。金屬連接構(gòu)件為等勢體，其形狀會影響整個腕臂的電位分布。金屬連接件與絕緣材料絕緣桿的相交處電勢變化迅速，標準大氣壓下，整個腕臂外表面的場強一般小于5 kV/cm，但由于絕緣材料定位管、絕緣材料定位器、金屬連接件及空氣域的相接處曲率半徑大，造成場強過大，外表面最大場強為22.1 kV/cm，超過外表面最大場強預(yù)期閾值（18 kV/cm）。

圖3 絕緣材料腕臂電場分布云圖

4 腕臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于絕緣材料腕臂定位器與定位管的連接處局部場強大于預(yù)期閾值18 kV/cm，因此需要對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，采取添加均壓罩的方法對電場分布進行優(yōu)化。

4.1 均壓罩設(shè)計

由于腕臂的正、反定位結(jié)構(gòu)不同，在均壓罩的設(shè)計上應(yīng)有所不同，正定位結(jié)構(gòu)的均壓罩可設(shè)計為直徑150 mm、厚度1.5 mm 的金屬球殼，確保包裹住定位器與定位管的連接處。優(yōu)化后的正定位結(jié)構(gòu)局部視圖見圖4。

圖4 優(yōu)化后的正定位結(jié)構(gòu)局部視圖

反定位結(jié)構(gòu)由于定位器與右端的金屬連接件距離較近，球殼狀的均壓罩會使右端的金屬連接件處電壓抬升，進而提高金屬連接件與定位管連接處的電場強度，在實際中可使用直徑110 mm、長度80 mm、厚度1.5 mm 的金屬圓柱殼型均壓罩。優(yōu)化后的反定位結(jié)構(gòu)局部視圖見圖5。

圖5 優(yōu)化后的反定位結(jié)構(gòu)局部視圖

4.2 優(yōu)化后的腕臂電場分布

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型再次仿真，電位分布和電場強度如圖6 所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的支撐裝置正、反定位的外表面電場強度相較于優(yōu)化前均有所下降，整個外表面最大場強出現(xiàn)在定位線夾的外表面，為14.4 kV/cm，小于外表面最大場強預(yù)期閾值（18 kV/cm）。

圖6 優(yōu)化后的絕緣材料腕臂電場分布云圖

5 結(jié)論

通過對電氣化鐵路接觸網(wǎng)絕緣材料腕臂開展試驗測試及仿真優(yōu)化，論證了將絕緣材料應(yīng)用于接觸網(wǎng)腕臂的可行性，并給出了絕緣材料腕臂的設(shè)計思路，主要結(jié)論如下：

（1）玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂絕緣材料具有良好的機械性能及電氣性能。相較傳統(tǒng)金屬腕臂，該腕臂具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強度高、絕緣性能好等優(yōu)勢。

（2）在絕緣材料腕臂的結(jié)構(gòu)中，由于絕緣材料本身絕緣性能較好，金屬連接件和絕緣材料絕緣桿的相交處電勢明顯升高，離接觸網(wǎng)高壓端金屬電極越近，其電勢越高。

（3）通過設(shè)置均壓罩可以有效改善整個腕臂的電位及電場分布，降低金屬連接件和絕緣材料絕緣桿連接處的電場強度，從而降低出現(xiàn)局部放電、電弧的風(fēng)險，提高絕緣材料腕臂的可靠性。