动车组车顶绝缘子电场分布特性分析

动车组车顶绝缘子电场分布特性分析

王林强

中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山 064000

摘要：作为动车车顶重要绝缘设备，绝缘子使用会对动车组正常运行产生直接影响。为达到理想化绝缘子运用状态，研究人员加大了对绝缘子电场分布特性的研究力度。本文将通过对绝缘子表面电场分布基本情况的介绍，对动车组车顶绝缘子电场分布特性展开全面性分析，期望能够为绝缘子安装、使用提供一些理论方面支持。

关键词：现场实测；数值模拟分析；电场分布特性；绝缘子；动车

动车是铁路重要运输设备，在现代运输体系中的地位与重要性越发突出。为实现对铁路运输质量与运输能力的切实强化，确保高速铁路发展可以得到预期目标要求，列车牵引负荷以及运行速度开始呈现处逐渐增加的趋势，使得动车组对于牵引供电系统电气安全性能也提出了更高地要求，绝缘子等设备开始成为领域学者研究重点。为更好地对绝缘子电场分布特性展开分析，首先需要做好绝缘子电场基本情况研究。

一、绝缘子表面电场分布

动车组车顶设备布置如图1所示，包括绝缘子组装、气囊组装以及底架等内容。其中绝缘子是车顶重要高压设备，具有支撑车顶导线以及受电弓的作用，能够为车体提供可靠绝缘安全保护。在对绝缘子表面电场分布实施研究过程中，一般会运用数值模拟分析以及现场实测两种方式。

现场实测模式在应用过程中，会因为测量器具的影响，而造成被测电场受干扰状况，会直接造成数据分散性增加状况，可能会出现测量精准度不达标问题。同时此种方式还具有可重复性较差以及试验周期过长等缺陷，在实际工作中的使用频率相对较低。而数值模拟分析技术应用并不会受到外在条件以及环境的干扰，可达到对计算模型尺寸展开灵活调整的目标，在工程设计中有着广泛运用。此种技术可以分为积分方程以及微分方程两种计算方式，其中后一种计算方式，又可细分为有限元积分以及有限差积分两种。

图1 车顶设备布置结构图

二、动车组车顶绝缘子电场分布特性分析与研究

（一）分析模型

在实施分析模型建设时需注意，模型建设很容易会受到接触网以及电弓的干扰，一般只用于绝缘子自身分析，会对绝缘子及其周围较小范围内电场分布情况展开计算，需要做好绝缘子细节分析。为保证分析顺利开展，可通过对有限元软件内置算法的运用，展开电场分析。现代较为常用的绝缘子伞裙结构，多为一大一小伞裙结合模式。为更好地展开分析，将对两种结构绝缘子电场分布特性展开分析。其中绝缘子A两片伞裙均采用小伞裙，而绝缘子B采用大小伞裙结合结构。在具体展开建模过程中，会按照绝缘子具体情况，确定伞套、金具以及芯棒尺寸数值。绝缘子工作电压为25kV，工频电场电压频率达到了50Hz，整体电压数值相对较低，所以需要运用谐波准静态场展开计算分析。

（二）洁净状态中绝缘子电位分布

在此环境中绝缘子电位数值变化分布较为规律，在高压端位置，从绝缘子轴向开始的短距离范围内，电位数值会呈现出快速变化状态，高压端前三片伞裙中集中承受了绝缘子工作电压总和50%左右的电压，且在该端电位下降快速极快，结构需要承受较大电压；但在中间伞裙结构中，电位下降速度却呈现出了缓慢下降的状态，电位变化并不明显；而在接近底部金具位置时，电位变化再次呈现出加快趋势，研究人员可按照这一规律，对电位分布差异展开深层次探究。

按照综合分析可以发现，两种绝缘子沿面电位分布趋势并无较大区别，处于基本相同状态，均是呈现出高端、低端变化快，中端变化缓慢的趋势的。但在进一步分析中发现，两种绝缘子伞裙结构第一片附近电位分布，有明显的差异，其中A绝缘子伞裙附近电位变化相对较小。由于两种绝缘子高压端伞裙电位分布较大且变化较为明显，所以技术人员需要重点对该部分电位变化展开研究。经过分析发现，就伞裙结构而言，B绝缘子部分电位变化波动更加明显，其中以第一片变化最大，而二、三片电位分布基本保持在一致的状态。

（三）洁净状态中绝缘子电场强度分析

在洁净环境中，两种绝缘子最大场强均出现在和金具、伞套相接触部分，其中B绝缘子最大场强在957357V/m左右，而A绝缘子为805081V/m，两者相比，A绝缘子要远远小于B绝缘子。同时在此状态下，B绝缘子沿面电场强度也要远远高于A绝缘子。在具体展开电场强度分析与规律研究时，研究人员可按照上述分析数据，科学展开研究与规律总结，以便更好地对绝缘子展开应用。

（四）分离附着状态中绝缘子电位分布

在分离水滴附着环境中，绝缘子电位分布特性分析可借助ANSYS软件逐步展开。按照以往研究结果，水滴间距、半径以及接触角等，均会对绝缘子电场分布产生不同程度的干扰，为更加清晰的做好对比分析，在此将设水滴半径为2毫米、间距为2毫米，接触角为九十度，会通过逐一分析方式，对两种绝缘子电场分布特性展开研究。在此种状态中，两种绝缘子的电位分布并不相同，但水滴对于A绝缘子的电位分布影响却相对有限，绝缘子高压端前三片分布的电压大概占总电压和的50%左右，而B绝缘子电压有50%集中在高压端前四片区域。同时，通过对绝缘子沿面电位分布情况的分析可以发现，因为受到分离水滴影响，沿面电场出现了不同程度的波动，水滴附件电场会随之发生改变，但却没有出现沿面电位大幅度下降的情况。研究人员想要掌握分离水滴作用，可通过对高压端前三片电位分布变化的研究，确定水滴对于表面局部电位所产生的干扰。

（五）分离附着状态中绝缘子电场强度分布

在分离水滴附着环境中，绝缘子场强分布和洁净状态时并不相同，在此状态下，绝缘子最大场强出现明显增强趋势。两种绝缘子相比，B绝缘子最大场强数值明显更大，且B绝缘子沿面场强也要更高。

（六）总结分析

按照上述研究，可以得到以下结论：①在洁净状态中，对绝缘子两端施加电压，此时伞裙结构对于绝缘子电位分布影响并不明显，伞裙中的电压注重集中在前三片，低端以及顶端电位会呈现出显著下降的状态；②在分离水滴附着状态中，伞裙结构会对绝缘子电位分布产生影响，两种绝缘子电位分布呈现出了明显差异，水滴对电位分布所产生影响相对较大；③同样是在水滴附着环境中，绝缘子最大场强会出现显著增加趋势，而最大场强主要产生在气体、固体以及液体交界位置，A绝缘子最大场强要明显小于B。

结束语：

通过本文对绝缘子电场分布特性的分析可知，在分离水滴以及洁净状态下，两种绝缘子电场分布以及电位分布存在一定差异，可通过增加伞裙半径的方式，达到切实延长绝缘子爬电距离的效果。由于在实施此种操作时，绝缘子最大场强也会随之出现改变，会对绝缘子局部放电特性产生影响，所以在实施绝缘子选型以及设计过程中， 需要对结构对电气特性所产生的影响展开全面性分析，以便做出最佳选择，达到良好的绝缘子运用效果。

参考文献：

[1]刘琳,李晓昂,张锐,等.影响GIS支柱绝缘子闪络电压的沿面电场特征参数[J].高电压技术,2019,45(9).

[2]钱文姝,刘严,曹志,等.复合绝缘子局部微间隙对电场分布影响的有限元数值模拟及分析[J].电网与清洁能源,2019(6):16-22.

[3]汪佛池,韩勇,刘宏宇,等.风沙环境下动车组车顶绝缘子冲蚀磨损的仿真研究%NumericalSimulationofParticleImpactErosiononInsulatorofLocomotivesunderWindSandEnvironment[J].电瓷避雷器,2017,000(006):198-203.

[4]吴友强.动车组复合绝缘子不同运行里程性能分析和建议[J].电子世界,2017(14):46-47.