积雪环境下复合护套瓷腕臂绝缘子电场优化仿真分析

李 刚，李彦哲

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070)

我国铁路既有线路沿线地势复杂，气候多变，风区、雪区分布广泛[1-2].既有线路大量采用瓷绝缘子，风雪天气下容易造成绝缘子表面大量积雪，瓷质伞裙憎水性差，积雪与污秽溶解电离时发生闪络，将会影响铁路供电可靠性和列车运行安全性[3-4].因此，针对多风雪地区，提出一种既有线路瓷绝缘子优化方案，此方案提高可靠性的同时兼具经济性.

绝缘子优化主要通过改变伞裙结构和绝缘子材料，改善积污能力和电场畸变程度，从而提高闪络电压[5-8].文献[9]根据瓷绝缘子和复合绝缘子的特点，从材料的角度提出了复合瓷绝缘子；文献[10]通过研究伞间距、伞伸出和大小伞伸出差对电场分布的影响，提出以伞裙沿面电场强度和空气间隙电场作为伞裙优化判据；文献[11]通过优化绝缘子几何形状和介电分布拓扑，改善绝缘子整体电场分布和电场畸变情况；文献[12]设计了加装超大伞裙的复合绝缘子，有效减少了鸟粪闪络和冰闪发生的可能性；文献[13]研究了超大伞裙数量对电场分布优化的影响；文献[14-15]分析超大伞裙的数量、直径和倾角对电位分布的影响，通过加装超大伞裙，增加空气间隙，提高爬电距离.国内外学者对积雪类型和绝缘子闪络做了大量研究，但接触网腕臂绝缘子布置方式特殊，腕臂绝缘子在风雪环境下的电场分布、积污特性和优化尚未研究.

本文针对既有线路接触网绝缘子出现的“雪闪”现象，对伞裙结构和绝缘材料两方面进行分析，提出复合瓷绝缘子优化方案；通过有限元仿真软件，研究分析多种积雪条件下绝缘子电场分布，为腕臂绝缘子优化设计提供理论依据.

1 仿真模型构建

1.1 接触网绝缘子结构

中国铁路既有线路已安装绝缘子以瓷绝缘子为主，重污区段主要采用QBG-25型.东北、华北和西北地区铁路线途径风雪区段，接触网绝缘子闪络事故频发.为减少闪络事故，设计一种复合瓷腕臂绝缘子，在QBG-25型瓷绝缘子上，从高压端到低压端依次对伞裙编号为1～10，分别在3号和7号伞裙上加装硅橡胶复合伞裙护套，复合瓷绝缘子尺寸如图1所示.通过SolidWorks绘制等比例三维模型，如图2所示.

图1 绝缘子尺寸图(单位:mm)

图2 绝缘子三维模型

复合瓷绝缘子优化方案，既保留了瓷绝缘子良好的机械稳定性和使用寿命长的优点，同时加装复合护套后，提高了绝缘子的憎水性，保证绝缘子表面积雪融化后，不易形成连续水膜和电解污秽层，可以有效改善电场畸变.既有线路瓷绝缘子加装复合伞裙护套，具有良好的可实施性和经济性.

1.2 仿真模型建立

采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立静电场仿真模型，计算腕臂绝缘子多种积雪条件下电场分布.本文从工程近似的角度对模型进行简化，将绝缘子视为轴对称，忽略支柱、腕臂定位装置和接触线承力索对电场电位分布的影响.

绝缘子表面积雪有两种机制：雪垂直积覆在水平布置的绝缘子上；湿而密的雪由于强水平风而积覆在绝缘子的一侧.根据Wieck积雪试验[16]，分别设置垂直积雪模型和强水平风积雪模型，垂直积雪厚度依次设置为10、20、30、40、50和60 mm六种，水平风积雪厚度依次设置为1、2、4、5和10 mm五种.垂直积雪模型如图3所示，强水平风积雪模型如图4所示.

图3 垂直积雪绝缘子电场模型

图4 强水平风积雪绝缘子电场模型

由于腕臂绝缘子安装方式特殊，垂直积雪类型下，平、斜安装的绝缘子表面积雪呈现不同形态，其积雪模型如图5～6所示，两图中不同积雪厚度从10 mm～60 mm共12个积雪模型(两图中只画出10、20、40、60 mm八种模型，x为平腕臂积雪厚度，X为斜腕臂积雪厚度)，积雪厚度均匀且依次递增10 mm.图5为平腕臂绝缘子积雪模型，绝缘子水平安装，积雪垂直积覆绝缘子上表面.图6为斜腕臂积雪模型，绝缘子安装倾斜角拟定为45°，雪层积覆在绝缘子伞裙根部，逐渐增多，最终完全覆盖伞裙.

图5 不同积雪厚度下平安装绝缘子模型

图6 不同积雪厚度下斜安装绝缘子模型

在积雪绝缘子模型的基础上建立三种绝缘子污秽模型：绝缘子预污秽模型、绝缘子污雪模型、积雪绝缘子污秽沉降模型.三种积雪模型中，污秽厚度均为1 mm.绝缘子预污秽模型为：绝缘子表面形成污秽层后，绝缘子表面积覆干净雪.绝缘子污雪模型为：绝缘子表面清洁无污秽，降雪过程中，绝缘子表面积覆被污染的雪.积雪绝缘子污秽沉降模型为：清洁绝缘子表面积覆干净雪，随后污秽沉降在积雪表面.

2 数学模型及参数设置

腕臂绝缘子承受电压波动范围为17.5～29 kV，选取最高电压29 kV为仿真电压.绝缘子工作在50 Hz低频电磁场中，绝缘子两端金具之间的绝缘距离(1 600 mm)远远小于工频电磁的波长(6 000 km)，绝缘子周围的库伦电场远大于感应电场，可认为任一瞬间的绝缘子电场稳定；因此，选稳态研究对绝缘子电场进行仿真分析.其控制方程组为：

其中：D为电通量密度，单位C/m2；E为电场场强，单位V/m；ρ为电荷体密度，单位C/m3；φ为静电场的标量电位函数，单位V；ε为媒介介电常数，单位F/m.

仿真参数设置见表1.污雪电导率受到海拔、盐密等外界因素影响[17]，采用复介电常数代替相对介电常数[18]，求解过程中用σ+jωε代替σ.计算时，接触网供电为单相工频交流电，最大值为29 kV，其电压峰值为41 kV.

3 仿真结果分析

不同积雪形态对接触网腕臂绝缘子电场分布有不同的影响规律，本文研究了两种积雪机制下不同积雪厚度和三种积雪污秽模型下的电场分布变化.

绝缘子积雪闪络的情况或条件主要有：积雪是湿雪或压实的雪；积雪紧密粘附在绝缘子表面；积雪均匀，其覆盖长度大约为绝缘子干弧长度的60%～100%；积雪太厚，以致填充了整个伞裙间隙，从而桥接了伞裙之间的干弧距离；绝缘子表面预污染扩散到雪中.大雪天气的电气事故主要发生在水平方向布置的绝缘子，闪络过程如图7所示[19].积雪闪络过程开始于绝缘子表面和积雪层的泄漏电流，电流大小取决于积雪密度、电导率和液态水含量.雪中电流密度较高的地方由于焦耳热的作用开始出现融化，在达到50～100 mA保持稳定.

图7 雪闪发展过程

从图7可以看出：雪闪在第一阶段时，积雪完全覆盖绝缘子伞裙，雪中有50～100 mA的泄漏电流，绝缘子表面形成连续水膜和电解污秽层；第二阶段，泄漏电流使电解污秽层加热烘干，形成干区，部分融雪从绝缘子上掉落，绝缘子表面电压分布不均匀，雪中泄漏电流可能会出现一个100～300 mA的峰值范围，电流不再连续，绝缘子干区、两个或两个以上的伞裙间隙残雪表面出现电弧；最终阶段，局部电弧在积雪和绝缘子表面重复伸缩多次后进一步促进了积雪融化和掉落，局部电弧伸长，形成绝缘子闪络.加装复合伞裙护套后，一方面，复合材料良好的憎水性，使得积雪无法形成连续水膜和电解污秽层，削弱了泄漏电流的热效应；另一方面，大伞裙护套使积雪无法完全覆盖绝缘子表面，护套将积雪分割为三部分，绝缘子表面电弧重复发展的可能性降低，减小了闪络发展的可能性.

3.1 不同积雪机制对电场特性的影响

在垂直积雪模型和水平风积雪模型中，分析计算平安装和斜安装两种安装方式下，腕臂绝缘子表面平均电场强度和伞裙平均电场强度.图8为垂直积雪模型下，两种安装方式的绝缘子表面平均电场强度.图9为垂直积雪下平腕臂绝缘子伞裙平均电场强度.图10为垂直积雪下斜腕臂绝缘子伞裙平均电场强度.

图8 垂直积雪下绝缘子平均电场强度

图9 垂直积雪下平安装绝缘子伞裙平均电场强度

图10 垂直积雪下斜安装绝缘子伞裙平均电场强度

从图8中可以看出：瓷绝缘子在加装硅橡胶伞裙护套后，平安装绝缘子优化后的沿面平均场强比未优化沿面平均场强降低了10.4%，斜安装绝缘子优化后的沿面平均场强比未优化沿面平均场强降低了11.2%，有效降低了绝缘子表面电场畸变程度；平安装绝缘子在优化前后电场强度均大于斜安装绝缘子电场强度，电场畸变程度相对严重.

从图9中可以看出(图中X为优化前积雪厚度，Y为优化后积雪厚度，图10、图12～18中的X、Y含义相同)，不同积雪厚度下，优化后的各个伞裙平均场强有了显著下降：积雪厚度为20 mm、40 mm和60 mm时，3号伞裙平均电场强度分别下降了16.1%、17.8%和-0.02%，7号伞裙沿面平均电场强度分别下降了17.5%、20.0%和-0.01%；积雪厚度为60 mm时，3号伞裙和7号伞裙表面平均电场强度没有明显下降，但加装伞裙护套两侧的2、4、6、8号伞裙平均电场强度明显下降；积雪厚度为20 mm时，10号伞裙优化后电场强度没有明显下降，其不均匀系数为1.61，电场为稍不均匀场，对电介质绝缘强度影响较小.

从图10中可以看出：在积雪厚度为20 mm、40 mm和60 mm时，3号伞裙的平均电场强度分别下降17.2%、14.5%和15.2%，7号伞裙的平均电场强度分别下降了10.4%、22.0%和15.3%，其两侧伞裙平均电场强度也有显著下降；10号伞裙优化后平均电场强度依然没有显著下降，三种积雪厚度下，其电场不均匀系数分别为1.53、1.61和1.43，电场强度均为稍不均匀场，10号伞裙附近电场畸变没有显著加剧.

强风环境下，密而湿的雪会积覆在绝缘子迎风面，绝缘子安装方式对绝缘子积雪量没有明显影响，图11为水平风积雪下绝缘子平均电场强度，图12为水平风积雪下绝缘子伞裙平均电场强度.

图11 强水平风积雪下绝缘子平均电场强度

图12 强水平风积雪下平腕臂绝缘子伞裙平均电场强度

对比两种积雪机制的绝缘子平均电场强度可知：水平风积雪模型的绝缘子平均电场强度极大值为89.4 kV，垂直积雪模型的绝缘子平均电场强度极大值为106.45 kV，垂直积雪模型的绝缘子平均电场强度略高于水平风积雪模型绝缘子平均电场强度.从图11可以看出：当积雪厚度为10 mm时，优化前的垂直积雪模型平均电场强度是水平风积雪模型平均电场强度的1.26倍.加装复合护套后，绝缘子沿面平均电场强度降低了13.8%；积雪厚度为10 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了15.9%，有效降低了绝缘子表面电场畸变程度.

从图12可以看出：积雪厚度为10 mm时，优化前后的伞裙平均电场强度比积雪厚度为1 mm时的平均电场强度分别提高了48.2%和39.5%，积雪厚度的增长会极大程度的加剧电场畸变；加装护套后，不同积雪厚度下的3号伞裙和7号伞裙平均电场强度均有所下降，当积雪厚度为10 mm时，3号和7号伞裙沿面平均电场强度分别下降了30.5%、31.1%，积雪和伞裙交界处电场畸变程度降低.

3.2 不同污秽机制对电场特性的影响

风雪区段线路途经工业污染区、盐湖区和沙尘区，会极大程度加剧绝缘子表面污染程度.预污秽模型、污雪模型和污秽沉降模型的绝缘子电场强度平均值分别为E1，E2和E3.分析不同污秽类型下优化前后绝缘子电场强度变化，判断绝缘子优化的有效性.三种污秽模型下，不同积雪厚度的绝缘子电场强度见表2(表中P为平安装绝缘子积雪厚度，Q为斜安装绝缘子积雪厚度).

由表2可知：三种污秽模型下，未优化前，E1>E2>E3，预污秽模型的电场畸变最严重；绝缘子预污秽模型、污雪模型和污秽沉降模型下，平安装绝缘子平均电场强度相比于干净雪时的平均电场强度分别提高了27.6%、23.7%和16.2%，斜安装绝缘子平均电场强度相比于干净雪时分别提高了14.8%、12.4%和10.7%，当温度逐渐提高，污秽离子渗透进入积雪，形成污秽水膜，整个场域呈电阻性，电导率大幅提高，污秽极大程度的增加了绝缘子表面电场的畸变程度，极易发生雪闪；三种污秽类型下，瓷绝缘子加装伞裙护套后，平安装绝缘子平均电场强度分别降低了19.1%、9.2%和14.3%，斜安装绝缘子平均电场强度分别降低了14.6%、6.2%和11.0%，有效降低了绝缘子电场畸变程度.

表2 优化前后电场强度

预污秽模型中，绝缘子表面沾染污秽，随后降雪积覆在绝缘子表面，其电场畸变最为严重.通过绝缘子伞裙电场强度，进一步分析伞裙护套电场优化情况，图13为平安装绝缘子伞裙平均电场强度，图14为斜安装绝缘子伞裙平均电场强度.

图13 预污秽平安装绝缘子各伞裙电场分布特性

图14 预污秽斜安装绝缘子各伞裙电场分布特性

从图13可以看出，瓷绝缘子在加装硅橡胶伞裙护套后：优化后的沿面平均电场强度比未优化沿面平均电场强度降低了19.1%；当积雪厚度为20 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了28.0%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了33.5%和40.6%,两侧伞裙电场强度也明显下降，有效降低了绝缘子表面电场畸变程度；当积雪厚度为40 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了17.9%，3号和7号伞裙电场强度分别降低了40.4%和42.3%，其两侧伞裙中，大伞裙平均电场强度下降12.0%，小伞裙平均电场强度小幅上升9.3%，绝缘子整体电场畸变程度有所改善；当积雪厚度为60 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了11.4%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了36.7%和37.6%；由于加装伞裙护套，60 mm积雪没法完整覆盖伞裙表面，导致未加装护套的伞裙平均电场强度小幅上升8.8%，但绝缘子整体电场有所优化.

从图14可以看出，加装伞裙护套后：斜安装绝缘子平均电场强度降低了14.6%；当积雪厚度为20 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了24.0%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了34.7%和31.9%,两侧伞裙电场强度也明显下降，优化效果最为显著；当积雪厚度为40 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了14.2%，3号和7号伞裙电场强度分别降低了42.1%和46.6%，其两侧伞裙电场强度小幅波动；当积雪厚度为60 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了7.0%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了28.1%和28.7%；与平安装绝缘子相同，由于加装伞裙护套导致未加装护套的伞裙电场强度小幅上升，但绝缘子整体电场有所优化.

在污雪模型中，清洁绝缘子表面积覆污雪时，绝缘子表面产生电场，图15为污雪平安装绝缘子伞裙平均电场强度，图16为污雪斜安装绝缘子伞裙平均电场强度.

从图15可以看出，加装伞裙护套后：平安装绝缘子沿面平均电场强度比未优化沿面平均电场强度降低了9.2%；当积雪厚度为20 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了10.5%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了16.3%和17.9%，由于湿污雪的介电常数和电导率较大，且积雪没有完全覆盖大小伞裙，复合护套两侧的伞裙电场与未优化前的平均电场强度接近，没有明显的降低；当积雪厚度为40 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了12.2%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了20.0%和22.1%，其两侧伞裙平均电场强度小幅下降6.7%；当积雪厚度为60 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了3.5%，3号和7号伞裙平均电场强度分别上升7.1%和6.7%，其余未加装护套的伞裙平均电场强度降低13.7%，这是由于湿雪的高电导率，以及在积雪厚度为60 mm时，未加装护套的伞裙被积雪覆盖，伞裙护套处电场畸变程度有所变化.

图15 污雪平安装绝缘子各伞裙电场分布特性

从图16可以看出，加装伞裙护套后：斜安装绝缘子平均电场强度降低了6.2%；当积雪厚度为20 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了 10.8%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了17.2%和10.6%,两侧伞裙平均电场强度下降1.5%；当积雪厚度为40 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了12.9%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了16.0%和23.6%，其两侧伞裙平均电场强度降低11.0%；当积雪厚度为60 mm时，绝缘子沿面平均电场强度下降11.4%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了15.9%和12.7%，其余伞裙平均电场强度降低10.8%；不同积雪厚度下，由于斜腕臂绝缘子的安装方式，优化前后10号伞裙电场强度畸变严重，但加装护套后，绝缘子整体电场畸变有所优化.

图16 污雪斜安装绝缘子各伞裙电场分布特性

污秽沉降模型中，清洁绝缘子表面积覆清洁雪，随后污秽沉降在积雪和绝缘子表面，图17为污秽沉降平安装绝缘子伞裙平均电场强度，图18为污秽沉降斜安装绝缘子伞裙平均电场强度.

图17 污秽沉降平安装绝缘子各伞裙电场分布特性

从图17可以看出，加装伞裙护套后：平安装绝缘子的沿面平均电场强度比未优化沿面平均电场强度降低了14.3%；当积雪厚度为20 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了13.5%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了10.3%和8.6%，其余伞裙平均电场强度降低13.5%；当积雪厚度为40 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了19.7%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了12.7%和12.4%，其两侧伞裙平均电场强度下降14.0%；当积雪厚度为60 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了10.1%，3号和7号伞裙平均电场强度分别上升17.0%和16.1%，其余未加装护套的伞裙平均电场强度降低17.6%.

从图18中可以看出，加装伞裙护套后：斜安装绝缘子平均电场强度降低了11.0%；当积雪厚度为20 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了 32.1%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了13.2%和12.0%,两侧伞裙平均电场强度下降21.9%；当积雪厚度为40 mm时，绝缘子沿面平均电场强度降低了16.1%，3号和7号伞裙平均电场强度分别降低了9.4%和17.4%，其两侧伞裙平均电场强度降低16.8%；当积雪厚度为60 mm时，绝缘子沿面平均电场强度下降12.2%，3号和7号伞裙平均电场强度分别上升了4.9%和6.5%，其余伞裙平均电场强度降低16.3%.污秽沉降模型中，平安装与斜安装绝缘子平均电场强度在加装护套前后，大小伞裙变化范围较小，电场畸变程度不严重，加装复合护套对电场强度优化效果较明显.

图18 污秽沉降斜安装绝缘子各伞裙电场分布特性

在积雪绝缘子的基础上，三种污秽模型电场畸变进一步加剧.加装伞裙护套后，绝缘子电场畸变有明显改善：积雪厚度为20 mm时，效果最为明显；积雪厚度为60 mm时，优化效果一般，加装复合护套的伞裙平均电场强度小幅上升；由于极少出现60 mm的降雪量，加装伞裙护套对绝缘子改善积雪环境下的电场畸变的效果显著.

4 结论

1)垂直积雪类型和强水平风积雪类型中，瓷绝缘子在加装复合护套后，垂直积雪平安装绝缘子沿面平均电场强度降低了10.4%，斜安装绝缘子沿面平均电场强度降低了11.2%，水平风积雪绝缘子沿面平均电场强度降低了13.8%.

2)多种积雪厚度下，复合护套瓷绝缘子伞裙的电场畸变有所改善.垂直积雪模型积雪厚度为40 mm时，平安装和斜安装绝缘子3号、7号伞裙的平均电场强度分别下降17.8%、20.0%和14.5%、22.0%；强水平风积雪模型积雪厚度为10 mm时，3号和7号伞裙平均电场强度下降了30.5%和31.1%.

3)预污秽模型、污雪模型和污秽沉降积雪模型，绝缘子表面电场畸变进一步加剧，其中，预污秽模型电场畸变最为严重.三种污秽积雪类型优化后的平安装绝缘子平均电场强度分别降低了19.1%、9.2%和14.3%，斜安装绝缘子平均电场强度分别降低了14.6%、6.2%和11.0%，有效改善了绝缘子电场畸变程度.

4)加装伞裙护套可以改善绝缘子电场分布和电场畸变情况，提高绝缘子的憎水性，从源头降低雪闪事故率，提高牵引供电的可靠性.