積雪環境下復合護套瓷腕臂絕緣子電場優化仿真分析

李 剛，李彥哲

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

我國鐵路既有線路沿線地勢復雜，氣候多變，風區、雪區分布廣泛[1-2].既有線路大量采用瓷絕緣子，風雪天氣下容易造成絕緣子表面大量積雪，瓷質傘裙憎水性差，積雪與污穢溶解電離時發生閃絡，將會影響鐵路供電可靠性和列車運行安全性[3-4].因此，針對多風雪地區，提出一種既有線路瓷絕緣子優化方案，此方案提高可靠性的同時兼具經濟性.

絕緣子優化主要通過改變傘裙結構和絕緣子材料，改善積污能力和電場畸變程度，從而提高閃絡電壓[5-8].文獻[9]根據瓷絕緣子和復合絕緣子的特點，從材料的角度提出了復合瓷絕緣子；文獻[10]通過研究傘間距、傘伸出和大小傘伸出差對電場分布的影響，提出以傘裙沿面電場強度和空氣間隙電場作為傘裙優化判據；文獻[11]通過優化絕緣子幾何形狀和介電分布拓撲，改善絕緣子整體電場分布和電場畸變情況；文獻[12]設計了加裝超大傘裙的復合絕緣子，有效減少了鳥糞閃絡和冰閃發生的可能性；文獻[13]研究了超大傘裙數量對電場分布優化的影響；文獻[14-15]分析超大傘裙的數量、直徑和傾角對電位分布的影響，通過加裝超大傘裙，增加空氣間隙，提高爬電距離.國內外學者對積雪類型和絕緣子閃絡做了大量研究，但接觸網腕臂絕緣子布置方式特殊，腕臂絕緣子在風雪環境下的電場分布、積污特性和優化尚未研究.

本文針對既有線路接觸網絕緣子出現的“雪閃”現象，對傘裙結構和絕緣材料兩方面進行分析，提出復合瓷絕緣子優化方案；通過有限元仿真軟件，研究分析多種積雪條件下絕緣子電場分布，為腕臂絕緣子優化設計提供理論依據.

1 仿真模型構建

1.1 接觸網絕緣子結構

中國鐵路既有線路已安裝絕緣子以瓷絕緣子為主，重污區段主要采用QBG-25型.東北、華北和西北地區鐵路線途徑風雪區段，接觸網絕緣子閃絡事故頻發.為減少閃絡事故，設計一種復合瓷腕臂絕緣子，在QBG-25型瓷絕緣子上，從高壓端到低壓端依次對傘裙編號為1～10，分別在3號和7號傘裙上加裝硅橡膠復合傘裙護套，復合瓷絕緣子尺寸如圖1所示.通過SolidWorks繪制等比例三維模型，如圖2所示.

圖1 絕緣子尺寸圖(單位:mm)

圖2 絕緣子三維模型

復合瓷絕緣子優化方案，既保留了瓷絕緣子良好的機械穩定性和使用壽命長的優點，同時加裝復合護套后，提高了絕緣子的憎水性，保證絕緣子表面積雪融化后，不易形成連續水膜和電解污穢層，可以有效改善電場畸變.既有線路瓷絕緣子加裝復合傘裙護套，具有良好的可實施性和經濟性.

1.2 仿真模型建立

采用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立靜電場仿真模型，計算腕臂絕緣子多種積雪條件下電場分布.本文從工程近似的角度對模型進行簡化，將絕緣子視為軸對稱，忽略支柱、腕臂定位裝置和接觸線承力索對電場電位分布的影響.

絕緣子表面積雪有兩種機制：雪垂直積覆在水平布置的絕緣子上；濕而密的雪由于強水平風而積覆在絕緣子的一側.根據Wieck積雪試驗[16]，分別設置垂直積雪模型和強水平風積雪模型，垂直積雪厚度依次設置為10、20、30、40、50和60 mm六種，水平風積雪厚度依次設置為1、2、4、5和10 mm五種.垂直積雪模型如圖3所示，強水平風積雪模型如圖4所示.

圖3 垂直積雪絕緣子電場模型

圖4 強水平風積雪絕緣子電場模型

由于腕臂絕緣子安裝方式特殊，垂直積雪類型下，平、斜安裝的絕緣子表面積雪呈現不同形態，其積雪模型如圖5～6所示，兩圖中不同積雪厚度從10 mm～60 mm共12個積雪模型(兩圖中只畫出10、20、40、60 mm八種模型，x為平腕臂積雪厚度，X為斜腕臂積雪厚度)，積雪厚度均勻且依次遞增10 mm.圖5為平腕臂絕緣子積雪模型，絕緣子水平安裝，積雪垂直積覆絕緣子上表面.圖6為斜腕臂積雪模型，絕緣子安裝傾斜角擬定為45°，雪層積覆在絕緣子傘裙根部，逐漸增多，最終完全覆蓋傘裙.

圖5 不同積雪厚度下平安裝絕緣子模型

圖6 不同積雪厚度下斜安裝絕緣子模型

在積雪絕緣子模型的基礎上建立三種絕緣子污穢模型：絕緣子預污穢模型、絕緣子污雪模型、積雪絕緣子污穢沉降模型.三種積雪模型中，污穢厚度均為1 mm.絕緣子預污穢模型為：絕緣子表面形成污穢層后，絕緣子表面積覆干凈雪.絕緣子污雪模型為：絕緣子表面清潔無污穢，降雪過程中，絕緣子表面積覆被污染的雪.積雪絕緣子污穢沉降模型為：清潔絕緣子表面積覆干凈雪，隨后污穢沉降在積雪表面.

2 數學模型及參數設置

腕臂絕緣子承受電壓波動范圍為17.5～29 kV，選取最高電壓29 kV為仿真電壓.絕緣子工作在50 Hz低頻電磁場中，絕緣子兩端金具之間的絕緣距離(1 600 mm)遠遠小于工頻電磁的波長(6 000 km)，絕緣子周圍的庫倫電場遠大于感應電場，可認為任一瞬間的絕緣子電場穩定；因此，選穩態研究對絕緣子電場進行仿真分析.其控制方程組為：

其中：D為電通量密度，單位C/m2；E為電場場強，單位V/m；ρ為電荷體密度，單位C/m3；φ為靜電場的標量電位函數，單位V；ε為媒介介電常數，單位F/m.

仿真參數設置見表1.污雪電導率受到海拔、鹽密等外界因素影響[17]，采用復介電常數代替相對介電常數[18]，求解過程中用σ+jωε代替σ.計算時，接觸網供電為單相工頻交流電，最大值為29 kV，其電壓峰值為41 kV.

3 仿真結果分析

不同積雪形態對接觸網腕臂絕緣子電場分布有不同的影響規律，本文研究了兩種積雪機制下不同積雪厚度和三種積雪污穢模型下的電場分布變化.

絕緣子積雪閃絡的情況或條件主要有：積雪是濕雪或壓實的雪；積雪緊密粘附在絕緣子表面；積雪均勻，其覆蓋長度大約為絕緣子干弧長度的60%～100%；積雪太厚，以致填充了整個傘裙間隙，從而橋接了傘裙之間的干弧距離；絕緣子表面預污染擴散到雪中.大雪天氣的電氣事故主要發生在水平方向布置的絕緣子，閃絡過程如圖7所示[19].積雪閃絡過程開始于絕緣子表面和積雪層的泄漏電流，電流大小取決于積雪密度、電導率和液態水含量.雪中電流密度較高的地方由于焦耳熱的作用開始出現融化，在達到50～100 mA保持穩定.

圖7 雪閃發展過程

從圖7可以看出：雪閃在第一階段時，積雪完全覆蓋絕緣子傘裙，雪中有50～100 mA的泄漏電流，絕緣子表面形成連續水膜和電解污穢層；第二階段，泄漏電流使電解污穢層加熱烘干，形成干區，部分融雪從絕緣子上掉落，絕緣子表面電壓分布不均勻，雪中泄漏電流可能會出現一個100～300 mA的峰值范圍，電流不再連續，絕緣子干區、兩個或兩個以上的傘裙間隙殘雪表面出現電弧；最終階段，局部電弧在積雪和絕緣子表面重復伸縮多次后進一步促進了積雪融化和掉落，局部電弧伸長，形成絕緣子閃絡.加裝復合傘裙護套后，一方面，復合材料良好的憎水性，使得積雪無法形成連續水膜和電解污穢層，削弱了泄漏電流的熱效應；另一方面，大傘裙護套使積雪無法完全覆蓋絕緣子表面，護套將積雪分割為三部分，絕緣子表面電弧重復發展的可能性降低，減小了閃絡發展的可能性.

3.1 不同積雪機制對電場特性的影響

在垂直積雪模型和水平風積雪模型中，分析計算平安裝和斜安裝兩種安裝方式下，腕臂絕緣子表面平均電場強度和傘裙平均電場強度.圖8為垂直積雪模型下，兩種安裝方式的絕緣子表面平均電場強度.圖9為垂直積雪下平腕臂絕緣子傘裙平均電場強度.圖10為垂直積雪下斜腕臂絕緣子傘裙平均電場強度.

圖8 垂直積雪下絕緣子平均電場強度

圖9 垂直積雪下平安裝絕緣子傘裙平均電場強度

圖10 垂直積雪下斜安裝絕緣子傘裙平均電場強度

從圖8中可以看出：瓷絕緣子在加裝硅橡膠傘裙護套后，平安裝絕緣子優化后的沿面平均場強比未優化沿面平均場強降低了10.4%，斜安裝絕緣子優化后的沿面平均場強比未優化沿面平均場強降低了11.2%，有效降低了絕緣子表面電場畸變程度；平安裝絕緣子在優化前后電場強度均大于斜安裝絕緣子電場強度，電場畸變程度相對嚴重.

從圖9中可以看出(圖中X為優化前積雪厚度，Y為優化后積雪厚度，圖10、圖12～18中的X、Y含義相同)，不同積雪厚度下，優化后的各個傘裙平均場強有了顯著下降：積雪厚度為20 mm、40 mm和60 mm時，3號傘裙平均電場強度分別下降了16.1%、17.8%和-0.02%，7號傘裙沿面平均電場強度分別下降了17.5%、20.0%和-0.01%；積雪厚度為60 mm時，3號傘裙和7號傘裙表面平均電場強度沒有明顯下降，但加裝傘裙護套兩側的2、4、6、8號傘裙平均電場強度明顯下降；積雪厚度為20 mm時，10號傘裙優化后電場強度沒有明顯下降，其不均勻系數為1.61，電場為稍不均勻場，對電介質絕緣強度影響較小.

從圖10中可以看出：在積雪厚度為20 mm、40 mm和60 mm時，3號傘裙的平均電場強度分別下降17.2%、14.5%和15.2%，7號傘裙的平均電場強度分別下降了10.4%、22.0%和15.3%，其兩側傘裙平均電場強度也有顯著下降；10號傘裙優化后平均電場強度依然沒有顯著下降，三種積雪厚度下，其電場不均勻系數分別為1.53、1.61和1.43，電場強度均為稍不均勻場，10號傘裙附近電場畸變沒有顯著加劇.

強風環境下，密而濕的雪會積覆在絕緣子迎風面，絕緣子安裝方式對絕緣子積雪量沒有明顯影響，圖11為水平風積雪下絕緣子平均電場強度，圖12為水平風積雪下絕緣子傘裙平均電場強度.

圖11 強水平風積雪下絕緣子平均電場強度

圖12 強水平風積雪下平腕臂絕緣子傘裙平均電場強度

對比兩種積雪機制的絕緣子平均電場強度可知：水平風積雪模型的絕緣子平均電場強度極大值為89.4 kV，垂直積雪模型的絕緣子平均電場強度極大值為106.45 kV，垂直積雪模型的絕緣子平均電場強度略高于水平風積雪模型絕緣子平均電場強度.從圖11可以看出：當積雪厚度為10 mm時，優化前的垂直積雪模型平均電場強度是水平風積雪模型平均電場強度的1.26倍.加裝復合護套后，絕緣子沿面平均電場強度降低了13.8%；積雪厚度為10 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了15.9%，有效降低了絕緣子表面電場畸變程度.

從圖12可以看出：積雪厚度為10 mm時，優化前后的傘裙平均電場強度比積雪厚度為1 mm時的平均電場強度分別提高了48.2%和39.5%，積雪厚度的增長會極大程度的加劇電場畸變；加裝護套后，不同積雪厚度下的3號傘裙和7號傘裙平均電場強度均有所下降，當積雪厚度為10 mm時，3號和7號傘裙沿面平均電場強度分別下降了30.5%、31.1%，積雪和傘裙交界處電場畸變程度降低.

3.2 不同污穢機制對電場特性的影響

風雪區段線路途經工業污染區、鹽湖區和沙塵區，會極大程度加劇絕緣子表面污染程度.預污穢模型、污雪模型和污穢沉降模型的絕緣子電場強度平均值分別為E1，E2和E3.分析不同污穢類型下優化前后絕緣子電場強度變化，判斷絕緣子優化的有效性.三種污穢模型下，不同積雪厚度的絕緣子電場強度見表2(表中P為平安裝絕緣子積雪厚度，Q為斜安裝絕緣子積雪厚度).

由表2可知：三種污穢模型下，未優化前，E1>E2>E3，預污穢模型的電場畸變最嚴重；絕緣子預污穢模型、污雪模型和污穢沉降模型下，平安裝絕緣子平均電場強度相比于干凈雪時的平均電場強度分別提高了27.6%、23.7%和16.2%，斜安裝絕緣子平均電場強度相比于干凈雪時分別提高了14.8%、12.4%和10.7%，當溫度逐漸提高，污穢離子滲透進入積雪，形成污穢水膜，整個場域呈電阻性，電導率大幅提高，污穢極大程度的增加了絕緣子表面電場的畸變程度，極易發生雪閃；三種污穢類型下，瓷絕緣子加裝傘裙護套后，平安裝絕緣子平均電場強度分別降低了19.1%、9.2%和14.3%，斜安裝絕緣子平均電場強度分別降低了14.6%、6.2%和11.0%，有效降低了絕緣子電場畸變程度.

表2 優化前后電場強度

預污穢模型中，絕緣子表面沾染污穢，隨后降雪積覆在絕緣子表面，其電場畸變最為嚴重.通過絕緣子傘裙電場強度，進一步分析傘裙護套電場優化情況，圖13為平安裝絕緣子傘裙平均電場強度，圖14為斜安裝絕緣子傘裙平均電場強度.

圖13 預污穢平安裝絕緣子各傘裙電場分布特性

圖14 預污穢斜安裝絕緣子各傘裙電場分布特性

從圖13可以看出，瓷絕緣子在加裝硅橡膠傘裙護套后：優化后的沿面平均電場強度比未優化沿面平均電場強度降低了19.1%；當積雪厚度為20 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了28.0%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了33.5%和40.6%,兩側傘裙電場強度也明顯下降，有效降低了絕緣子表面電場畸變程度；當積雪厚度為40 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了17.9%，3號和7號傘裙電場強度分別降低了40.4%和42.3%，其兩側傘裙中，大傘裙平均電場強度下降12.0%，小傘裙平均電場強度小幅上升9.3%，絕緣子整體電場畸變程度有所改善；當積雪厚度為60 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了11.4%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了36.7%和37.6%；由于加裝傘裙護套，60 mm積雪沒法完整覆蓋傘裙表面，導致未加裝護套的傘裙平均電場強度小幅上升8.8%，但絕緣子整體電場有所優化.

從圖14可以看出，加裝傘裙護套后：斜安裝絕緣子平均電場強度降低了14.6%；當積雪厚度為20 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了24.0%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了34.7%和31.9%,兩側傘裙電場強度也明顯下降，優化效果最為顯著；當積雪厚度為40 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了14.2%，3號和7號傘裙電場強度分別降低了42.1%和46.6%，其兩側傘裙電場強度小幅波動；當積雪厚度為60 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了7.0%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了28.1%和28.7%；與平安裝絕緣子相同，由于加裝傘裙護套導致未加裝護套的傘裙電場強度小幅上升，但絕緣子整體電場有所優化.

在污雪模型中，清潔絕緣子表面積覆污雪時，絕緣子表面產生電場，圖15為污雪平安裝絕緣子傘裙平均電場強度，圖16為污雪斜安裝絕緣子傘裙平均電場強度.

從圖15可以看出，加裝傘裙護套后：平安裝絕緣子沿面平均電場強度比未優化沿面平均電場強度降低了9.2%；當積雪厚度為20 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了10.5%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了16.3%和17.9%，由于濕污雪的介電常數和電導率較大，且積雪沒有完全覆蓋大小傘裙，復合護套兩側的傘裙電場與未優化前的平均電場強度接近，沒有明顯的降低；當積雪厚度為40 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了12.2%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了20.0%和22.1%，其兩側傘裙平均電場強度小幅下降6.7%；當積雪厚度為60 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了3.5%，3號和7號傘裙平均電場強度分別上升7.1%和6.7%，其余未加裝護套的傘裙平均電場強度降低13.7%，這是由于濕雪的高電導率，以及在積雪厚度為60 mm時，未加裝護套的傘裙被積雪覆蓋，傘裙護套處電場畸變程度有所變化.

圖15 污雪平安裝絕緣子各傘裙電場分布特性

從圖16可以看出，加裝傘裙護套后：斜安裝絕緣子平均電場強度降低了6.2%；當積雪厚度為20 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了 10.8%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了17.2%和10.6%,兩側傘裙平均電場強度下降1.5%；當積雪厚度為40 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了12.9%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了16.0%和23.6%，其兩側傘裙平均電場強度降低11.0%；當積雪厚度為60 mm時，絕緣子沿面平均電場強度下降11.4%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了15.9%和12.7%，其余傘裙平均電場強度降低10.8%；不同積雪厚度下，由于斜腕臂絕緣子的安裝方式，優化前后10號傘裙電場強度畸變嚴重，但加裝護套后，絕緣子整體電場畸變有所優化.

圖16 污雪斜安裝絕緣子各傘裙電場分布特性

污穢沉降模型中，清潔絕緣子表面積覆清潔雪，隨后污穢沉降在積雪和絕緣子表面，圖17為污穢沉降平安裝絕緣子傘裙平均電場強度，圖18為污穢沉降斜安裝絕緣子傘裙平均電場強度.

圖17 污穢沉降平安裝絕緣子各傘裙電場分布特性

從圖17可以看出，加裝傘裙護套后：平安裝絕緣子的沿面平均電場強度比未優化沿面平均電場強度降低了14.3%；當積雪厚度為20 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了13.5%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了10.3%和8.6%，其余傘裙平均電場強度降低13.5%；當積雪厚度為40 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了19.7%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了12.7%和12.4%，其兩側傘裙平均電場強度下降14.0%；當積雪厚度為60 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了10.1%，3號和7號傘裙平均電場強度分別上升17.0%和16.1%，其余未加裝護套的傘裙平均電場強度降低17.6%.

從圖18中可以看出，加裝傘裙護套后：斜安裝絕緣子平均電場強度降低了11.0%；當積雪厚度為20 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了 32.1%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了13.2%和12.0%,兩側傘裙平均電場強度下降21.9%；當積雪厚度為40 mm時，絕緣子沿面平均電場強度降低了16.1%，3號和7號傘裙平均電場強度分別降低了9.4%和17.4%，其兩側傘裙平均電場強度降低16.8%；當積雪厚度為60 mm時，絕緣子沿面平均電場強度下降12.2%，3號和7號傘裙平均電場強度分別上升了4.9%和6.5%，其余傘裙平均電場強度降低16.3%.污穢沉降模型中，平安裝與斜安裝絕緣子平均電場強度在加裝護套前后，大小傘裙變化范圍較小，電場畸變程度不嚴重，加裝復合護套對電場強度優化效果較明顯.

圖18 污穢沉降斜安裝絕緣子各傘裙電場分布特性

在積雪絕緣子的基礎上，三種污穢模型電場畸變進一步加劇.加裝傘裙護套后，絕緣子電場畸變有明顯改善：積雪厚度為20 mm時，效果最為明顯；積雪厚度為60 mm時，優化效果一般，加裝復合護套的傘裙平均電場強度小幅上升；由于極少出現60 mm的降雪量，加裝傘裙護套對絕緣子改善積雪環境下的電場畸變的效果顯著.

4 結論

1)垂直積雪類型和強水平風積雪類型中，瓷絕緣子在加裝復合護套后，垂直積雪平安裝絕緣子沿面平均電場強度降低了10.4%，斜安裝絕緣子沿面平均電場強度降低了11.2%，水平風積雪絕緣子沿面平均電場強度降低了13.8%.

2)多種積雪厚度下，復合護套瓷絕緣子傘裙的電場畸變有所改善.垂直積雪模型積雪厚度為40 mm時，平安裝和斜安裝絕緣子3號、7號傘裙的平均電場強度分別下降17.8%、20.0%和14.5%、22.0%；強水平風積雪模型積雪厚度為10 mm時，3號和7號傘裙平均電場強度下降了30.5%和31.1%.

3)預污穢模型、污雪模型和污穢沉降積雪模型，絕緣子表面電場畸變進一步加劇，其中，預污穢模型電場畸變最為嚴重.三種污穢積雪類型優化后的平安裝絕緣子平均電場強度分別降低了19.1%、9.2%和14.3%，斜安裝絕緣子平均電場強度分別降低了14.6%、6.2%和11.0%，有效改善了絕緣子電場畸變程度.

4)加裝傘裙護套可以改善絕緣子電場分布和電場畸變情況，提高絕緣子的憎水性，從源頭降低雪閃事故率，提高牽引供電的可靠性.