强风沙尘环境下车顶复合绝缘子薄弱环节与优化综述*

向奕同 陈 攀 赵玉顺

(1. 国网重庆市电力公司市北供电分公司 重庆 401147；2. 合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009)

1 引言

高速动车组是铁路的重要组成部分，动车组的核心部件高压供电系统是为其提供可靠的动力来源的保证，主要由受电弓、高压隔离开关、T型头、电缆、高压设备箱和牵引变压器等设备组成[1]。某些动车组在运行期间会跨越多个区域，运行环境因素如温度、湿度、海拔高度、积污以及风向等均会不断发生变化。根据统计，在2015年6月至2017年3月期间先后发生了20余起动车组车顶高压系统绝缘故障，严重影响铁路安全稳定运行[2]。与电力系统中高压绝缘设备已经具有数十年的运行经验不同的是，国内高速铁路运行时间短短数年，仍然需要不断完善和改进。

目前在我国高铁动车组中的 CRH1，CRH2，CRH3和CRH5系列车型车顶绝缘子采用硅橡胶复合绝缘子，CRH380系列车型车顶绝缘子采用环氧树脂复合绝缘子[3]。硅橡胶复合绝缘子的优点为：① 耐污性能好；② 减震性能强；③ 安全与防爆性能好。环氧树脂复合绝缘子的优点为：① 耐酸碱腐蚀性能好；② 耐热性强；③ 吸水率低。在强风沙尘环境下，车顶复合绝缘子受到了极大的考验，其绝缘性能受到了不同程度的影响，导致闪络事故频发。当单列动车发生故障停车时，随后到来的动车也会临时停车，严重影响铁路稳定高效运行[4]。因此，提高车顶绝缘子的绝缘性能，掌握车顶绝缘子的薄弱环节以及存在的问题，并针对薄弱点对车顶绝缘子优化方案进行总结，对提高动车组高压系统运行的可靠性具有重要意义。

车顶绝缘子与输电线路绝缘子运行环境存在明显的差异，表现出的薄弱环节主要分为以下几个方面。

(1) 车顶绝缘子会随着列车不断高速运动，其表面的风速最高可以达到100 m/s以上，远远高于输电线路绝缘子所承受的风速。同时气流会带动沙尘颗粒碰撞伞裙和护套表面，导致车顶绝缘子表面的风压与输电线路绝缘子相比存在明显差异。

(2) 列车运行时，受电弓碳化板与接触网摩擦会产生大量金属导电粉末，污染绝缘子，导致车顶绝缘子表面不仅存在沙尘颗粒还会附着金属导电颗粒，影响其绝缘性能。

(3) 空气中会悬浮沙尘颗粒，当颗粒带上不同极性电荷时，也会在一定程度上降低绝缘子的绝缘性能。

(4) 在高速气流的作用下，沙尘颗粒和小石子会高速撞击绝缘子表面，伞裙和护套容易发生磨损，表面粗糙程度增大，从而影响外绝缘性能。

本文首先对强风沙尘环境下车顶绝缘子的薄弱环节以及存在的问题进行了介绍，其次对车顶绝缘子的优化方案包括材料配方优化、结构优化及在线检测装置研发等方面进行了分析。最后指出了车顶复合绝缘子亟需解决的问题和未来研究的方向，希望从材料配方、高压绝缘系统结构、绝缘子状态监测系统等方面入手，提高车顶绝缘子绝缘性能，进而确保动车组高压系统运行的可靠性。

2 强风沙尘环境车顶绝缘子薄弱环节介绍

2.1 伞裙在强风沙尘环境下的撕裂问题

复合绝缘子伞裙在强风环境下时常发生撕裂。在某次对动车组高压隔离开关检修时发现，一支复合绝缘子一片伞裙的根部发生破裂，伞裙向下变形严重[5]，形变情况如图1所示。清华大学贾志东等[6-7]对输电线路复合绝缘子在 20～60 m/s风速下的受力和形变特性开展了相关研究，结果表明，在风速高于35 m/s的环境下，绝缘子伞裙会发生大幅高频振动，伞裙根部出现明显的应力集中现象。在周期循环的风载荷作用下，伞裙材料长期处于应力疲劳状态，最终导致撕裂。

与输电线路绝缘子不同的是，运行时车顶绝缘子表面的风速最高可以达到100 m/s以上，远远高于输电线路绝缘子所承受的风速。当车顶绝缘子处于高速沙尘气流环境中，伞裙和护套表面还会受到风沙碰撞，其抗风性能受到更严峻的考验。当车顶绝缘子的伞裙发生撕裂时，会影响高速列车高压系统的供电可靠性。

文献[8]通过流固耦合仿真方法研究了工况下的车顶复合绝缘子的风压分布和形变特性，并分析绝缘子伞裙材料的疲劳机制以及不同伞裙结构对绝缘子抗风性能的影响。结果表明，伞裙根部出现明显的应力集中现象，且在周期外加力的作用下，伞裙根部材料的寿命明显低于其他部位，导致伞裙根部材料在强风沙尘环境下最容易发生撕裂，仿真结果如图2～4所示。同时通过改变伞裙参数，比较不同伞裙结构下绝缘子对应的抗风性能，得到如下结论。

(1) 在相同工况下，等径伞裙的形变最小。因此等径伞裙结构具有更好的抗风性能。

(2) 伞裙直径越大，越容易发生形变。因此为了提高抗风性能，在保证爬距有效的情况下，应尽量减小绝缘子伞径。

(3) 适当提高伞裙倾角，可以有效减少在强风区的伞裙形变量。但是该研究只是单纯通过仿真方法研究绝缘子参数对抗风性能的影响，没有设计出抗风性能更好的伞裙结构。

通过上述分析可知，目前车顶复合绝缘子时常会发生撕裂现象，但并没有得到有效的解决方案，因此需要针对绝缘子的结构和材料进行优化。目前的研究主要为通过有限元仿真来分析绝缘子的形变特性，存在一定的局限性。在接下来的研究中需要增加风洞试验装置，实测绝缘子形变量，并结合有限元仿真手段，提出不同的优化方案，为其结构优化提供技术支持。

2.2 强风沙尘环境下的绝缘子积污和闪络特性

与输电线路绝缘子不同的是，动车组车顶绝缘子运行环境更加复杂多变，风速、沙尘含量和种类都不同于输电线路的运行环境，导致两者积污分布存在一定程度的差异[9]。目前主要通过试验和仿真两种手段研究高风速环境下车顶绝缘子的积污特性。

2.2.1 试验手段

目前针对高风速下车顶绝缘子积污试验研究，西南交通大学和华北电力大学具备相应的风洞试验装置和监测设备，并开展了相关研究工作。

华北电力大学杨升杰[10]为了得到车顶高压隔离开关支撑绝缘子的积污特性，通过风洞试验装置对绝缘子进行人工积污，并将试验结果与列车运行后的车顶绝缘子污秽分布结果进行对比分析，结果表明，通过风洞积污的绝缘子伞裙上下表面污秽不均匀度更大。西南交通大学孙继星[11]通过风洞试验，研究了不同工况下绝缘子表面积污分布变化规律，同时对比了不同伞型结构下绝缘子的积污情况，通过进行结构优化，降低表面积污。

2.2.2 仿真手段

通过试验手段研究车顶复合绝缘子在强风沙尘环境下的积污特性会消耗大量的资源，同时风洞试验装置制造费用高，现场测试的准确度无法保证，且试验周期很长，因此大量学者通过有限元仿真的手段，研究绝缘子在强风沙尘环境下的积污特性[12-15]。

根据聚团分析计算模型以及碰撞理论，沙尘颗粒在绝缘子表面的碰撞力如式(1)所示

式中，Fb为沙尘颗粒在绝缘子表面的碰撞力；v为碰撞发生时沙尘颗粒的速度；θ为入射角度。

发生碰撞后，在污秽接触面方向上会产生剪切力Fc，如图5所示。颗粒与绝缘子表面发生分离需要满足两个条件：① 剪切力Fc大于一定倍数的重力Fg；② 颗粒的速度达到脱离绝缘子表面的最小速度，此时污秽颗粒将不再能够保持平衡状态，与绝缘子表面发生分离。

文献[13]对污秽颗粒沉积判据做了进一步改进，并通过改进的判据建立了高速气流环境下复合绝缘子积污的流体力学模型，分别提出了法向沉积判据和切向沉积判据，进一步提高了积污仿真计算的准确性，法向和切向沉积判据分别如式(2)～(3)所示

式中，vpn为污秽颗粒与绝缘子表面碰撞时的法向碰撞速度；Qt为绝缘子表面材料的粘附能；Qp为碰撞能量损耗；mp为污秽颗粒的质量；φ为沙尘颗粒使绝缘子材料发生压缩时的临界速度。

式中，Ft为污秽颗粒受到碰撞力的切向分量；Fadh为污秽颗粒与绝缘子表面之间的粘附力；μ为有效摩擦因数；tΔ为碰撞接触时间。当碰撞力的切向分量小于摩擦力时才会发生沉积。

通过上述分析可知，影响仿真积污结果准确性的因素主要是污秽颗粒沉积在绝缘子表面的判据，因此沉积判据的优化对于仿真结果的准确性非常重要。但是仿真手段也存在一定的局限性，积污结果中污秽分布只能以体积分数来表示，无法显示具体的分布含量，而且针对不同类型污秽颗粒的分布差异，并不能明确区分。同时受到电弓碳化板与接触网摩擦会产生大量金属导电粉末，污染绝缘子，导致车顶绝缘子表面不仅会附着沙尘颗粒还会附着金属导电颗粒，进一步降低绝缘性能。目前针对金属粉末在车顶绝缘子表面的沉积特性以及对其绝缘性能的影响还存在研究空间。

在强风沙尘环境下，车顶绝缘子发生污闪的机理同样适用。但是由于高速气流的吹弧效应，电弧的起始位置和发展过程会有一定程度的差异。同时在高速气流的作用下，绝缘子表面的积污分布会更加不均匀，包括迎风面和背风面以及伞裙上下表面污秽不均匀度。受污秽不均匀分布的影响，车顶绝缘子的闪络特性与在自然环境下积污的绝缘子所呈现的闪络特性有较大差异[11]。

对两组糖尿病子宫肌瘤伴不孕患者的手术用时、手术出血量、住院时间、围术期空腹血糖水平（术前、手术即刻、手术后24 h）做观察分析，并对比两组并发症（切口不愈合、尿潴留、发热）发生情况以及子宫肌瘤残留、复发（随访患者1年）、成功妊娠情况的差异。

2.3 悬浮沙尘颗粒对车顶绝缘子的影响

当空气中悬浮沙尘颗粒时，由于沙粒之间存在非对称摩擦，会带上了不同极性的电荷[16]，影响车顶绝缘子的绝缘性能。相关研究人员分别采用仿真和试验两种手段研究沙尘颗粒的参数对绝缘性能的影响规律。

文献[16]为了研究高速运动的带电荷沙尘颗粒对空气短间隙放电特性的影响，搭建风洞试验平台，以板-板电极和针-板电极为研究对象，进行空气短间隙击穿试验，研究风速、电极间隙长度以及沙尘荷质比等不同的因素对击穿电压的影响。兰州交通大学张友鹏等[17]为研究空气中悬浮的沙尘颗粒对绝缘子电场分布的影响，建立二维仿真模型，计算不同沙粒环境下绝缘子的电位和电场分布情况。结果表明，当沙粒呈电中性时，对绝缘子电场分布影响不大；而当沙粒带上电荷时，绝缘子电场的畸变程度明显增大，同时电场分布也受到沙粒的粒径、数量以及荷质比等因素的影响。但该仿真方法也存在一定的局限性，实际运行环境下，污秽颗粒并不会在空气中均匀分布，会高速碰撞或者绕过绝缘子表面，并不会始终保持静止状态。

2.4 伞裙材料磨损对憎水性和沿面闪络的影响

高速风沙会带动沙尘颗粒和小石子高速撞击绝缘子表面，伞裙和护套材料容易磨损，表面粗糙化，导致绝缘能力降低，影响轨道交通供电系统安全稳定运行。

国内外学者通过研究发现表面粗糙度对绝缘材料沿面闪络电压存在不同的影响[18-20]。西安交通大学郎艳等[18]研究发现，随着表面粗糙度的增加，有机玻璃的沿面闪络电压呈现“U”形变化。华北电力大学 Ding等[19]通过打磨氧化铝陶瓷表面，发现沿面闪络电压随着粗糙度的增大而降低。Yamamoto等[20]以聚甲基丙烯酸甲酯等绝缘材料为研究对象，发现增加试样表面粗糙度有利于提高试样的绝缘强度。粗糙度对绝缘材料沿面闪络电压的影响呈现出了3种完全不同的变化规律。

表面粗糙度影响材料沿面闪络电压，主要分为两个方面[21-22]：① 当材料表面粗糙化时，材料表面爬电距离增大，阻碍二次电子倍增，形成贯通性放电通道的难度增大，因此闪络电压会增加，如图 6的 SEEA模型(Secondary electron emission avalanche，SEEA)所示；② 随着材料表面粗糙度逐渐增加，材料表面电场畸变程度增大，抑制闪络电压的增大。表面粗糙度对沿面闪络电压的影响是爬电距离和电场畸变程度两方面之间相互博弈的过程。

户外环境运行下的车顶复合绝缘子所处环境更加复杂多变，时常受到风沙和雨水冲刷，表面粗糙化程度很大，憎水性会发生显著降低[23-24]，影响外绝缘性能。文献[25]研究了表面粗糙度对硅橡胶憎水性和沿面闪络电压的影响。不同粗糙度硅橡胶试样表面憎水性和闪络电压分别如图7～8所示[26]。

从图7可知，没有经过打磨的硅橡胶的表面憎水性良好，而表面存在粗糙度的硅橡胶试样，憎水性均出现了明显变化，憎水性随着粗糙度的增大而降低。当表面粗糙度Ra为7.56 μm和13.2 μm时，硅橡胶几乎丧失了憎水性能。

由图8可见，当粗糙度小于3.37 μm时，爬电距离变化不明显，此时闪络电压主要受到电场畸变程度的影响，所以电压先出现了下降。当粗糙度大于3.37 μm时，爬电距离对闪络电压的影响程度超过了电场畸变程度，所以闪络电压出现了增大的变化趋势。可见沿面干闪电压受到爬电距离和电场畸变两个因素的共同影响。由湿闪电压变化规律可见，表面存在粗糙度的硅橡胶，其湿闪电压均出现了明显的变化，湿闪电压随着硅橡胶粗糙度的增大而降低，主要原因是粗糙度的变化影响了硅橡胶的憎水性能。

上述结果为伞裙和护套材料磨损对憎水性和沿面闪络的影响，但是在沙尘环境下，沙尘颗粒并不会始终保持某一个特定的方向撞击绝缘子伞裙表面，磨蚀痕迹并不会是同一个角度，因此在接下来的研究中，应该增加不同的磨蚀角度，研究不同的磨蚀方向与电场方向呈现不同角度时的闪络特性，能够更加充分得到材料磨损对沿面闪络特性的影响。

3 绝缘子性能优化与监测

针对沙尘环境车顶绝缘子的薄弱环节，需要对车顶绝缘子材料配方和结构进行优化，以改善绝缘子的绝缘性能，同时需要对其运行状态实时监测，提高动车组高压系统运行可靠性。

3.1 绝缘子伞裙复合硅橡胶材料配方优化

目前国内的车顶绝缘子大部分是进口，因此对适用于国内环境下的车顶绝缘子材料进行研究迫在眉睫。复合绝缘子的外绝缘件伞裙护套材料主要是由高温硫化硅(High temperature vulcanized，HTV)橡胶组成[27]，HTV橡胶的构成主要包括生胶、补强填料、结构控制剂、阻燃剂、硫化剂等材料，分子主链由硅原子和氧原子交替组成[28]。

由于在硅橡胶分子中引入乙烯基可有效改善硅橡胶的性能，我国主要采用分子量为50万～70万的110-2甲基乙烯基硅橡胶应用于复合绝缘子中[29]，其分子结构如图9所示。得益于其分子组成的结构特点，硅橡胶具有优良的耐高低温性能，在-60～+260℃范围内依旧能够保持优良的柔软性和弹性，而且机械性能也不会发生明显变化，同时还具有优异的耐老化性、电绝缘性等性能[30]。因此硅橡胶复合绝缘子在输电线路和铁路系统中应用越来越广泛。

纯硅橡胶的机械强度不足，而混入补强填料后，拉伸强度可由0.45 MPa提高到14 MPa[31]。复合绝缘子主要采用气相法白炭黑来作为硅橡胶的补强填料来提高其强度，同时在硅橡胶中加入 Al2O33H2O(简称ATH)阻燃剂能够提高硅橡胶的耐漏电起痕、耐电蚀损、耐电弧等性能。

华南理工大学谢从珍[32]研究了不同配方对高温硫化硅橡胶电气性能的影响，不同配方对硅橡胶性能的影响十分明显，如图10所示。湖南大学周升[33]对国外进口车顶绝缘子材料进行了分析，采用光谱半定量全分析法、分光光度法确定了无机填料成分及其基本含量，并通过材料燃烧、萃取和色谱质谱分析法确定了有机部分的组成和含量。

随着国内高速铁路的快速发展，对绝缘子乃至车顶绝缘系统的性能要求越来越高，目前仍需对适用于车顶绝缘子的相应材料配方体系进行大量研究工作。针对强风沙尘环境下绝缘子目前表现出的薄弱环节，并考虑到材料配方的优化需要考虑电气、机械性能等多个方面以适应相应的外部工作环境，具体的研究目标和方向如下所述。

(1) 将抗撕裂强度、击穿和沿面闪络电压、憎水性等参数作为评价车顶绝缘子材料性能的主要依据，通过改变甲基乙烯基硅橡胶中乙烯基、气相法白炭黑、氢氧化铝以及偶联剂等用量和比例，提高绝缘子材料的电气、力学性能。

(2) 增加气相白炭黑和偶联剂含量可以提高材料的抗撕裂强度和耐漏电起痕性能，但含量过大，反而会造成该性能的下降，因此应寻找合适的气相白炭黑和偶联剂用量。

(3) 增加铝粉含量会提高绝缘子材料的阻燃性能，但同时也会增加材料本身结构中的缺陷，电场畸变程度增加，导致耐受电压下降，应该考虑铝粉的用量对材料性能的影响，以寻找最优的铝粉含量。

(4) 研究不同乙烯基含量的比例对其性能的影响，以寻找最佳配比。

3.2 结构优化

提高伞裙抗风性能的结构优化与设计将是接下来重要的研究方向。谢学文等[34]根据高速列车的运行环境，从空气动力学、电工学两个方面对车顶绝缘子结构进行优化，提高了绝缘子的抗风性能，同时降低护套脱离芯棒的概率。该绝缘子伞裙具有较大倾斜角度和反面凸缘，不仅增强了绝缘子耐污闪性能，还可以提高抗风性能和撕裂强度。马建桥[1]通过仿真分析和试验手段优化了高压隔离开关电极结构，优化高压设备箱绝缘性能，提出了高压隔离开关电极结构优化方案，避免了伞裙的加速老化，在高压端增设合理结构的护套后，绝缘性能提升明显。

合适的伞裙结构不仅会提高绝缘子的抗风性能，还能提高其耐污性能[35]。在未来的研究中，应该分别从车顶绝缘子伞裙倾角，伞径，伞型，大小伞裙比例等方面入手，通过仿真与试验手段相结合，寻找最佳的伞裙结构。同时需要对高压绝缘系统整体结构和设备布置进行优化，有效提高车顶绝缘系统的可靠性。可以考虑在车顶高压设备区域增设导流罩，不仅可以降低高速运动中受电弓区域附近设备产生的气动噪声，还可以有效阻挡高速气流对高压设备的冲击[36]，增加车顶绝缘子伞裙的运行可靠性，但同时空气阻力也会增加，因此对于导流罩迎风面的形状设计十分必要。

3.3 车顶绝缘子在线检测装置

由于空间的限制，车顶高压设备布置非常紧密，导致车顶绝缘子周围存在强度很高的电磁干扰[37]。干扰的来源主要分为三个方面：① 受电弓和接触网之间接触电阻变化导致电磁干扰；② 列车正常运行时产生的脉冲连续电磁干扰；③ 弓网离线产生的不连续脉冲电磁干扰。这些干扰均会对高速列车车顶信号采集造成影响，增加车顶绝缘子绝缘状态实时监测系统设计和实现的难度。

通过泄漏电流、电压、绝缘子阻抗相位角、温度和湿度等信息能够准确判别分析绝缘子当前的状态[38]。针对车顶绝缘子在线监测装置的研制，西南交通大学尹国龙[39]做了大量研究，研发了具有独立电源的车顶绝缘检测装置。该装置通过施加高压于车顶高压系统，观察电气设备是否闪络并结合泄漏电流判断绝缘强度是否达到标准，但是这种方法并不能对其进行实时监测。文献[40]研究了高速列车车顶绝缘子发生闪络的机理，提出监测车顶绝缘子绝缘状态的不同特征量，进而设计出适用于高速列车车顶绝缘子的绝缘状态监测系统，对车顶绝缘子状态实时监测，如果出现缺陷，可以及时检修，提高列车的安全稳定性。

上述优化分析总结，分别从绝缘子材料配方、伞裙和高压绝缘系统结构、绝缘子状态监测系统入手，目的是针对于国内高速列车运行实际情况，研制能够适应恶劣工况环境下的新型绝缘子，提高车顶绝缘系统的可靠性。

4 结论

本文首先介绍了强风沙尘环境下车顶绝缘子的薄弱环节和目前存在的问题，并对车顶绝缘子的优化方案包括材料配方优化、结构优化及在线检测装置研发等方面进行了分析。最后指出了车顶复合绝缘子亟需解决的问题和未来研究发展的方向。今后的研究工作应该侧重在以下几个方面开展。

(1) 合适的伞裙结构不仅会提高绝缘子的抗风性能，还能提高其耐污闪能力。分别从伞裙倾角，伞径，伞型，大小伞裙的比例等方面入手，提高其抗风性能和耐积污性能。通过风洞试验装置，实测绝缘子形变量，并结合有限元仿真，针对不同的结构优化方案，研制出新型结构车顶绝缘子。

(2) 受电弓碳化板与接触网摩擦会产生大量金属或导电粉末，污染绝缘子，导致车顶绝缘子表面存在沙尘颗粒和金属导电颗粒，降低绝缘性能。因此需要研究带电颗粒在空气中悬浮或者附着于绝缘子表面对其性能的影响。

(3) 提出车顶绝缘子伞裙复合硅橡胶材料配方优化方案，针对硅橡胶伞裙和护套在强风沙尘环境下表现出机械和电气性能不足等缺陷，优化硅橡胶材料配方，提高车顶绝缘子材料的可靠性。

(4) 合理的高压绝缘系统结构，以及设备的布置方案，能够有效地增加车顶绝缘系统的可靠性。因此可以考虑在车顶高压设备区域增加导流罩，可以降低高速运动中受电弓区域附近设备产生的气动噪声，阻挡高速气流对高压设备的冲击。

(5) 基于列车实际运行环境，研发适用于车顶绝缘子的在线监测系统，对其绝缘状态实时监测。当伞裙积污严重、发生闪络故障或其他缺陷的信息能够得到最快反馈，对提高动车组高压系统运行可靠性具有重要意义。