高速气流环境湿污车顶绝缘子电场畸变及电痕破坏研究

摘要

高速铁路以其速度快、安全性好、正点率高、输送能力大、污染轻等一系列技术优势，在我国交通运输中占有重要的地位，发展迅猛。车顶绝缘子是保障动车组安全供电关键的高压部件，不仅隔离车体与受电弓、母线等，还起到支撑作用，其绝缘故障会致使动车组临时停运。动车组车顶高压设备布局紧凑，绝缘子结构高度被限制在50cm内，尽管车项绝缘子采用环氧树脂材料，具有优异的憎水性且硬度高，但在降雨环境中仍有放电发生，绝缘子遭受电痕破坏，威胁动车组安全运行。环氧树脂绝缘子遭受电痕破坏主要由降雨、湿雾使得污秽受潮，在反复干燥、受潮后，憎水性下降，电场畸变增强，电晕放电引起表面起弧，表面温度超过耐受温度，碳化形成电痕，情况严重时丧失绝缘性能，造成运行故障。因此，本文针对湿污状态下车顶绝缘子电场畸变及电痕破坏开展研究，为提高车顶绝缘子运行可靠性提供理论基础。
　　动车组运行产生的高速气流致使绝缘子周围气流气压分布不均，雨滴受空气曳力影响，运动参数发生改变，为此根据水滴碰壁模型，构建了雨滴碰撞绝缘子并吸附在其表面的判据，基于Fluent建立了绝缘子风洞仿真模型，选择离散相进行降雨的数值模拟，利用UDF功能实现了对吸附判据的程序化，分析了绝缘子积雨分布特性，研究了降雨强度、入口风速、来流角度对绝缘子表面积雨量的影响。
　　根据电准静态场理论，在Ansoft软件中分别建立了洁净状态、含水滴、湿污状态下绝缘子的有限元模型，分析了外部电场方向、憎水性以及水滴融合程度对水滴电场畸变的影响机制，利用多项式回归探寻了水滴最大电场增幅与外部电场方向、接触角的变化关系，对比了洁净和染污绝缘子的电场分布特性，并研究了在绝缘子不同位置上染污造成电场畸变的差异。
　　环氧树脂绝缘子虽其电气、机械性能良好，但在维护检修中仍会发现电痕破坏，因此为探明动车组高速运行中，车顶绝缘子遭受电痕破坏的薄弱点，基于ANSYS建立了车项绝缘子沿面放电的三维非线性瞬态电热耦合模型，分析了沿面放电时绝缘子表面温度分布特征，探明了电痕程度与时间的变化关系，研究了气流气压分布、入口风速对电痕程度的影响规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 绝缘子积雨分布研究

1．2．2 绝缘子电场分布研究

1．2．3 绝缘子电痕破坏研究

1．3 本文的研究内容

第2章 高速气流环境车顶绝缘子积雨特性

2．1 车顶绝缘子风洞仿真建模

2．1．1 车顶绝缘子风洞模型

2．1．2 降雨模拟

2．1．3 离散相气体分析

2．1．4 雨滴吸附绝缘子判据

2．2 绝缘子周围流场特性

2．2．1 气压分布

2．2．2 气流速度分布

2．3 高速气流环境绝缘子积雨特性

2．4 影响因素研究

2．4．1 降雨强度对积雨量的影响

2．4．2 入口风速对积雨量的影响

2．4．3 来流角对积雨量的影响

2．5 本章小结

第3章 湿污状态绝缘子的电场畸变分析

3．1 电准静态场

3．2 洁净绝缘子沿面电场分布特性

3．2．1 有限元建模

3．2．2 电场分布特性

3．3 水滴对电场畸变的影响

3．3．1 水滴建模

3．3．2 电场偏转

3．3．3 含单个水滴的绝缘子表面最大电场增幅

3．3．4 最大电场增幅与电场偏转的回归分析

3．3．5 最大电场增幅与电场偏转和接触角的回归分析

3．3．6 水滴融合对沿面电场的影响

3．4 湿污绝缘子电场畸变特性

3．5 本章小结

第4章 车顶绝缘子电痕破坏研究

4．1 电痕破坏理论

4．2 绝缘子电痕破坏模型

4．2．1 电弧长度

4．2．2 电弧参数

4．2．3 高速气流对换热的影响

4．2．4 基于电热耦合的绝缘子温升模型

4．3 绝缘子表面电痕破坏特性

4．3．1 局部放电作用下绝缘子表面温度分布

4．3．2 电痕侵蚀随时问的变化规律

4．3．3 气流气压对电痕的影响

4．3．4 入口风速对电痕的影响

4．4 本章小结

第5章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果