典型絕緣子積污特性仿真研究

李文婷 王延年 解晨

摘 要：隨著高速列車的飛速發(fā)展，對車體性能的要求越來越高，列車在運行過程中，只有每個部件都很好地發(fā)揮性能，才能保證列車的安全運行。車頂絕緣子作為高壓設(shè)備和車體的隔離，扮演著很重要的角色。利用仿真軟件研究絕緣子在不同速度下的導(dǎo)電性能，對于提高列車運行速度，保證列車的安全運行都有著積極作用。

關(guān)鍵詞：絕緣子；積污特性；模擬仿真

中圖分類號：O35 文獻標識碼：A

Abstract：With the rapid development of high-speed trains，the requirements for the performance of the car body are getting higher and higher.During the running of the train，only the components can perform well in order to ensure the safe operation of the train.The roof insulator plays an important role as the isolation of the high-voltage equipment from the vehicle body.Using simulation software to study the electrical conductivity of insulators at different speeds has a positive effect on improving the train running speed and ensuring the safe operation of trains.

Key words：Insulator；Sewage characteristics；Simulation

在列車運行過程中，車體會受到各種各樣力的作用，在多種力的作用下，車頂絕緣子表面會積累不同的污穢，這些污穢的積累，對絕緣子的導(dǎo)電性能造成一定的影響。

電力機車上常用的絕緣子有以下類型，分別是隔離開關(guān)絕緣子，受電弓支持絕緣子，母線支持絕緣子和真空斷路器絕緣子。[1]下面針對典型的大小傘型絕緣子進行兩種不同速度下的模擬仿真，得出不同速度情況下絕緣子表面壓力分布情況。

一、模型建立

根據(jù)已有資料，得出大小傘裙絕緣子共有9片，每兩片絕緣子之間距離為34mm，大傘上傘面與芯棒的夾角為12°，下傘面與芯棒的夾角為6°，小傘上傘面與芯棒的夾角為8°，下傘面與芯棒的夾角為4°，傘面的邊緣角度為2°，[2-3]依據(jù)此參數(shù)，建立大小傘裙絕緣子的模型如下圖1所示，進行仿真和試驗：

在絕緣子外層進行加框，對邊框進行命名，便于進行模擬仿真，沿Y軸，前端為速度進口，后端為壓力出口，絕緣子安裝在車頂，隨著列車一起運動，所以設(shè)置底座為移動地面，其他三面為墻壁，剩余的空間默認為內(nèi)部空氣，絕緣子為內(nèi)部物體，如下圖2、圖3所示：

名稱設(shè)置完成之后，將命名好的模型導(dǎo)入到mesh中，對絕緣子和外圍邊框進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置參數(shù)時，應(yīng)盡可能的使網(wǎng)格越小越好，便于后面計算的準確性，所以選定加密的范圍為絕緣子，設(shè)置單元尺寸為0.01mm，將mesh下面的總體尺寸中的最小尺寸設(shè)為0.001mm，當總體網(wǎng)格尺寸縮小，將絕緣子進行加密，就起到了一定的加密作用。將mesh中的方法設(shè)為前端正面法。這樣就將網(wǎng)格所有參數(shù)設(shè)置完畢，點擊運行網(wǎng)格加密，一段時間后得到如下圖4所示絕緣子網(wǎng)格劃分圖形，網(wǎng)格生成好以后，做一個切面，觀察網(wǎng)格質(zhì)量和加密情況。觀察網(wǎng)格統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格劃分的最大值和最小值的個數(shù)，再對整體網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，網(wǎng)格質(zhì)量的平均值達到0.839以上，有一兩個網(wǎng)格質(zhì)量不是很好，但不影響整體計算，網(wǎng)格劃分完成。

二、參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)格劃分完成之后，進行基本檢查，將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入到FLUENT軟件中，如下圖5所示，待到網(wǎng)格所有的參數(shù)讀入和寫入之后，進行網(wǎng)格的檢查，點擊scale和cheak，對網(wǎng)格進行檢查；檢查結(jié)束后在Display中分別點擊模型的進口、出口、地面、墻面以及絕緣子，逐一顯示每一個部件，保證模型的完整性；然后顯示所有的網(wǎng)格和所有器件，設(shè)置不同的顏色，便于后續(xù)的觀察和演示，將顏色設(shè)置完成，在進行網(wǎng)格的檢查，保證網(wǎng)格的質(zhì)量，如下圖6所示：

當網(wǎng)格檢查完畢，部件顯示完整以后，進行參數(shù)設(shè)置，在model中選擇標準k-ε模型，如圖7，符合列車運行的規(guī)律，參數(shù)為默認參數(shù)，便于后面進行仿真計算和分析；列車運行過程時，相當于在空氣中做運動，所以選擇材料應(yīng)為空氣介質(zhì)，如下圖8所示：

設(shè)置進出口的邊界條件，在之前命名的基礎(chǔ)上，對絕緣子的進口條件進行設(shè)置，進口為速度進口，速度方向為沿Y軸方向，高速列車在運行過程中，最大速度達到350km/h，但是由于列車停靠等原因，確定列車平均運行速度為220km/h，所以分別設(shè)置進口速度大小為50m/s和80m/s，[4]如圖9，湍流指定為湍流強度和長度指令，默認為無窮遠處均勻來流，強度比較低，設(shè)為1%，湍流長度尺度選擇默認值即可；出口為壓力出口，由于列車運行過程中，出口在無窮遠處，所以按照同樣的方式設(shè)置湍流強度和長度，如圖10所示；墻面為默認墻面，需要注意，地板為移動地板，在列車運行過程中，絕緣子移動的速度和方向即為地板移動的速度和方向，即沿Y軸，大小為50m/s，所以設(shè)置地板形式為Moving Wall，運行方向為Y軸方向，大小為50m/s如圖11所示；圖12所示，參考值設(shè)置參考面積為1㎡，參考長度為1m，壓力為一個標準大氣壓，即101325Pa，速度50m/s為計算時的參考值，計算方式和計算控制選擇默認值即可，如下圖13所示：

將參數(shù)設(shè)置完成，在monitor里進行監(jiān)控點的設(shè)置，分別設(shè)置沿絕緣子方向的阻力系數(shù)和垂直于絕緣子方向的升力系數(shù)，即沿絕緣子方向坐標為（0，1，0），垂直于絕緣子方向坐標為（1，0，0），顯示波形圖14進行分析：

所有參數(shù)設(shè)置完成以后，對系統(tǒng)進行初始化處理，如下圖15、16所示，待初始化結(jié)束，設(shè)置兩個窗口進行監(jiān)控，在run calculate設(shè)置迭代步數(shù)為1000，對絕緣子進行仿真模擬計算，如圖17所示，點擊開始計算，到1000自動停止，從而得到計算的結(jié)果：

同樣的設(shè)置方式，設(shè)置速度為80m/s時的情況。計算結(jié)束之后，進行后處理，創(chuàng)建絕緣子壓力系數(shù)，范圍選取-0.5～+0.5，點擊apply，可以得出絕緣子表面的壓力顯示，分別為速度為50m/s和80m/s的壓力云圖，如下圖18、19所示：

從圖中可以看出，當速度為50m/s時，絕緣子迎風面比背風面壓力大，在芯棒頂端，壓力較大，背風面較迎風面形成低壓區(qū)，在絕緣子背風面，越靠近絕緣子，壓力越小，隨著距離原來越大，壓力不斷增大。由于絕緣子背風面壓力較迎風面小，從而形成一定的壓力差，污穢物就會繞過絕緣子芯棒，在背風面形成污穢層，隨著時間的增長，污穢物積累越來越多，有的污穢物易導(dǎo)電，就將絕緣子兩傘面之間連接起來，將絕緣子進行短接，從而將高壓設(shè)備與車體連接在一起，不利于列車的正常運行。

從兩種不同速度下的壓力情況可以看出，隨著速度不斷增大，絕緣子背風面壓力較小區(qū)域不斷增大，迎風面和芯棒頂端壓力變化不大，這樣使得迎風面和背風面之間的壓力差越來越大，污穢物更容易在背風面進行積累，由之前的大傘和小傘短接慢慢變成大傘和大傘短接，污穢物不斷延伸至整個絕緣子都被短接，絕緣子起不到絕緣作用，而將高低壓設(shè)備接通。從這兩種情況可以得出，絕緣子表面積污速度的快慢和迎風面與背風面壓力差有很大關(guān)系，兩者之間壓力差越大，積污的速度越快，壓力差越小，積污的速度相對較慢，而壓力差大小的影響因素為列車的運行速度，所以想要提高列車的運行速度，同時保證絕緣子積污盡可能的少，就應(yīng)定期清掃絕緣子表面，尤其是兩傘面之間的污穢物積累，將絕緣子導(dǎo)電消滅在萌芽狀態(tài)，減少污穢物積累的可能性，不斷提高絕緣子的絕緣性能，保證列車的安全運行。

三、結(jié)論

絕緣子的積污特性，對列車的運行起著至關(guān)重要的作用，隨著列車運行速度的不斷提高，當速度從50m/s增大到80m/s時，絕緣子迎風面和背風面壓力差距越來越大，速度不斷增大，背風面壓力不斷增大，積污現(xiàn)象越來越明顯，將絕緣子兩傘面之間連通，這對于列車的運行是很不利的，所以每一次列車運行結(jié)束之后，要定期清掃絕緣子表面，同時，研究絕緣子表面的積污特性，對于改變絕緣子結(jié)構(gòu)特性奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]孫繼星，吳廣寧，陳維榮，等.強風環(huán)境下棒形絕緣子積污動態(tài)仿真分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，47（3）：413-419.

[2]高超，劉學(xué)忠，朱永占，等.高速氣流環(huán)境下絕緣子非沿面放電的特征[A].第十一屆全國工程電介質(zhì)學(xué)術(shù)會議[C].上海：2007.144-147.

[3]劉學(xué)忠，高超，鄧顯波，等.高速氣流對絕緣子表面放電特征的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25（12）：16-21.

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作者簡介：李文婷（1990-），女，甘肅定西人，助教，研究方向為鐵道機車機械結(jié)構(gòu)和電力傳動方向。