典型绝缘子积污特性仿真研究

李文婷 王延年 解晨

摘 要：随着高速列车的飞速发展，对车体性能的要求越来越高，列车在运行过程中，只有每个部件都很好地发挥性能，才能保证列车的安全运行。车顶绝缘子作为高压设备和车体的隔离，扮演着很重要的角色。利用仿真软件研究绝缘子在不同速度下的导电性能，对于提高列车运行速度，保证列车的安全运行都有着积极作用。

关键词：绝缘子；积污特性；模拟仿真

中图分类号：O35 文献标识码：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

在列车运行过程中，车体会受到各种各样力的作用，在多种力的作用下，车顶绝缘子表面会积累不同的污秽，这些污秽的积累，对绝缘子的导电性能造成一定的影响。

电力机车上常用的绝缘子有以下类型，分别是隔离开关绝缘子，受电弓支持绝缘子，母线支持绝缘子和真空断路器绝缘子。[1]下面针对典型的大小伞型绝缘子进行两种不同速度下的模拟仿真，得出不同速度情况下绝缘子表面压力分布情况。

一、模型建立

根据已有资料，得出大小伞裙绝缘子共有9片，每两片绝缘子之间距离为34mm，大伞上伞面与芯棒的夹角为12°，下伞面与芯棒的夹角为6°，小伞上伞面与芯棒的夹角为8°，下伞面与芯棒的夹角为4°，伞面的边缘角度为2°，[2-3]依据此参数，建立大小伞裙绝缘子的模型如下图1所示，进行仿真和试验：

在绝缘子外层进行加框，对边框进行命名，便于进行模拟仿真，沿Y轴，前端为速度进口，后端为压力出口，绝缘子安装在车顶，随着列车一起运动，所以设置底座为移动地面，其他三面为墙壁，剩余的空间默认为内部空气，绝缘子为内部物体，如下图2、图3所示：

名称设置完成之后，将命名好的模型导入到mesh中，对绝缘子和外围边框进行网格划分，设置参数时，应尽可能的使网格越小越好，便于后面计算的准确性，所以选定加密的范围为绝缘子，设置单元尺寸为0.01mm，将mesh下面的总体尺寸中的最小尺寸设为0.001mm，当总体网格尺寸缩小，将绝缘子进行加密，就起到了一定的加密作用。将mesh中的方法设为前端正面法。这样就将网格所有参数设置完毕，点击运行网格加密，一段时间后得到如下图4所示绝缘子网格划分图形，网格生成好以后，做一个切面，观察网格质量和加密情况。观察网格统计分析的数据，网格划分的最大值和最小值的个数，再对整体网格质量进行检查，网格质量的平均值达到0.839以上，有一两个网格质量不是很好，但不影响整体计算，网格划分完成。

二、参数设置

网格划分完成之后，进行基本检查，将划分好网格的模型导入到FLUENT软件中，如下图5所示，待到网格所有的参数读入和写入之后，进行网格的检查，点击scale和cheak，对网格进行检查；检查结束后在Display中分别点击模型的进口、出口、地面、墙面以及绝缘子，逐一显示每一个部件，保证模型的完整性；然后显示所有的网格和所有器件，设置不同的颜色，便于后续的观察和演示，将颜色设置完成，在进行网格的检查，保证网格的质量，如下图6所示：

当网格检查完毕，部件显示完整以后，进行参数设置，在model中选择标准k-ε模型，如图7，符合列车运行的规律，参数为默认参数，便于后面进行仿真计算和分析；列车运行过程时，相当于在空气中做运动，所以选择材料应为空气介质，如下图8所示：

设置进出口的边界条件，在之前命名的基础上，对绝缘子的进口条件进行设置，进口为速度进口，速度方向为沿Y轴方向，高速列车在运行过程中，最大速度达到350km/h，但是由于列车停靠等原因，确定列车平均运行速度为220km/h，所以分别设置进口速度大小为50m/s和80m/s，[4]如图9，湍流指定为湍流强度和长度指令，默认为无穷远处均匀来流，强度比较低，设为1%，湍流長度尺度选择默认值即可；出口为压力出口，由于列车运行过程中，出口在无穷远处，所以按照同样的方式设置湍流强度和长度，如图10所示；墙面为默认墙面，需要注意，地板为移动地板，在列车运行过程中，绝缘子移动的速度和方向即为地板移动的速度和方向，即沿Y轴，大小为50m/s，所以设置地板形式为Moving Wall，运行方向为Y轴方向，大小为50m/s如图11所示；图12所示，参考值设置参考面积为1㎡，参考长度为1m，压力为一个标准大气压，即101325Pa，速度50m/s为计算时的参考值，计算方式和计算控制选择默认值即可，如下图13所示：

将参数设置完成，在monitor里进行监控点的设置，分别设置沿绝缘子方向的阻力系数和垂直于绝缘子方向的升力系数，即沿绝缘子方向坐标为（0，1，0），垂直于绝缘子方向坐标为（1，0，0），显示波形图14进行分析：

所有参数设置完成以后，对系统进行初始化处理，如下图15、16所示，待初始化结束，设置两个窗口进行监控，在run calculate设置迭代步数为1000，对绝缘子进行仿真模拟计算，如图17所示，点击开始计算，到1000自动停止，从而得到计算的结果：

同样的设置方式，设置速度为80m/s时的情况。计算结束之后，进行后处理，创建绝缘子压力系数，范围选取-0.5～+0.5，点击apply，可以得出绝缘子表面的压力显示，分别为速度为50m/s和80m/s的压力云图，如下图18、19所示：

从图中可以看出，当速度为50m/s时，绝缘子迎风面比背风面压力大，在芯棒顶端，压力较大，背风面较迎风面形成低压区，在绝缘子背风面，越靠近绝缘子，压力越小，随着距离原来越大，压力不断增大。由于绝缘子背风面压力较迎风面小，从而形成一定的压力差，污秽物就会绕过绝缘子芯棒，在背风面形成污秽层，随着时间的增长，污秽物积累越来越多，有的污秽物易导电，就将绝缘子两伞面之间连接起来，将绝缘子进行短接，从而将高压设备与车体连接在一起，不利于列车的正常运行。

从两种不同速度下的压力情况可以看出，随着速度不断增大，绝缘子背风面压力较小区域不断增大，迎风面和芯棒顶端压力变化不大，这样使得迎风面和背风面之间的压力差越来越大，污秽物更容易在背风面进行积累，由之前的大伞和小伞短接慢慢变成大伞和大伞短接，污秽物不断延伸至整个绝缘子都被短接，绝缘子起不到绝缘作用，而将高低压设备接通。从这两种情况可以得出，绝缘子表面积污速度的快慢和迎风面与背风面压力差有很大关系，两者之间压力差越大，积污的速度越快，壓力差越小，积污的速度相对较慢，而压力差大小的影响因素为列车的运行速度，所以想要提高列车的运行速度，同时保证绝缘子积污尽可能的少，就应定期清扫绝缘子表面，尤其是两伞面之间的污秽物积累，将绝缘子导电消灭在萌芽状态，减少污秽物积累的可能性，不断提高绝缘子的绝缘性能，保证列车的安全运行。

三、结论

绝缘子的积污特性，对列车的运行起着至关重要的作用，随着列车运行速度的不断提高，当速度从50m/s增大到80m/s时，绝缘子迎风面和背风面压力差距越来越大，速度不断增大，背风面压力不断增大，积污现象越来越明显，将绝缘子两伞面之间连通，这对于列车的运行是很不利的，所以每一次列车运行结束之后，要定期清扫绝缘子表面，同时，研究绝缘子表面的积污特性，对于改变绝缘子结构特性奠定了基础。

参考文献：

[1]孙继星，吴广宁，陈维荣，等.强风环境下棒形绝缘子积污动态仿真分析[J].西南交通大学学报，2012，47（3）：413-419.

[2]高超，刘学忠，朱永占，等.高速气流环境下绝缘子非沿面放电的特征[A].第十一届全国工程电介质学术会议[C].上海：2007.144-147.

[3]刘学忠，高超，邓显波，等.高速气流对绝缘子表面放电特征的影响[J].电工技术学报，2010，25（12）：16-21.

[4]江海，贾伯岩，徐志钮，等.强风环境下绝缘子闪络特性分析[J].高电压技术，2011，37（1）：227-233.

作者简介：李文婷（1990-），女，甘肃定西人，助教，研究方向为铁道机车机械结构和电力传动方向。