典型絕緣子積污特性仿真研究

李文婷 王延年 解晨

摘 要：隨著高速列車(chē)的飛速發(fā)展，對(duì)車(chē)體性能的要求越來(lái)越高，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，只有每個(gè)部件都很好地發(fā)揮性能，才能保證列車(chē)的安全運(yùn)行。車(chē)頂絕緣子作為高壓設(shè)備和車(chē)體的隔離，扮演著很重要的角色。利用仿真軟件研究絕緣子在不同速度下的導(dǎo)電性能，對(duì)于提高列車(chē)運(yùn)行速度，保證列車(chē)的安全運(yùn)行都有著積極作用。

關(guān)鍵詞：絕緣子；積污特性；模擬仿真

中圖分類號(hào)：O35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)體會(huì)受到各種各樣力的作用，在多種力的作用下，車(chē)頂絕緣子表面會(huì)積累不同的污穢，這些污穢的積累，對(duì)絕緣子的導(dǎo)電性能造成一定的影響。

電力機(jī)車(chē)上常用的絕緣子有以下類型，分別是隔離開(kāi)關(guān)絕緣子，受電弓支持絕緣子，母線支持絕緣子和真空斷路器絕緣子。[1]下面針對(duì)典型的大小傘型絕緣子進(jìn)行兩種不同速度下的模擬仿真，得出不同速度情況下絕緣子表面壓力分布情況。

一、模型建立

根據(jù)已有資料，得出大小傘裙絕緣子共有9片，每?jī)善^緣子之間距離為34mm，大傘上傘面與芯棒的夾角為12°，下傘面與芯棒的夾角為6°，小傘上傘面與芯棒的夾角為8°，下傘面與芯棒的夾角為4°，傘面的邊緣角度為2°，[2-3]依據(jù)此參數(shù)，建立大小傘裙絕緣子的模型如下圖1所示，進(jìn)行仿真和試驗(yàn)：

在絕緣子外層進(jìn)行加框，對(duì)邊框進(jìn)行命名，便于進(jìn)行模擬仿真，沿Y軸，前端為速度進(jìn)口，后端為壓力出口，絕緣子安裝在車(chē)頂，隨著列車(chē)一起運(yùn)動(dòng)，所以設(shè)置底座為移動(dòng)地面，其他三面為墻壁，剩余的空間默認(rèn)為內(nèi)部空氣，絕緣子為內(nèi)部物體，如下圖2、圖3所示：

名稱設(shè)置完成之后，將命名好的模型導(dǎo)入到mesh中，對(duì)絕緣子和外圍邊框進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡可能的使網(wǎng)格越小越好，便于后面計(jì)算的準(zhǔn)確性，所以選定加密的范圍為絕緣子，設(shè)置單元尺寸為0.01mm，將mesh下面的總體尺寸中的最小尺寸設(shè)為0.001mm，當(dāng)總體網(wǎng)格尺寸縮小，將絕緣子進(jìn)行加密，就起到了一定的加密作用。將mesh中的方法設(shè)為前端正面法。這樣就將網(wǎng)格所有參數(shù)設(shè)置完畢，點(diǎn)擊運(yùn)行網(wǎng)格加密，一段時(shí)間后得到如下圖4所示絕緣子網(wǎng)格劃分圖形，網(wǎng)格生成好以后，做一個(gè)切面，觀察網(wǎng)格質(zhì)量和加密情況。觀察網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格劃分的最大值和最小值的個(gè)數(shù)，再對(duì)整體網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，網(wǎng)格質(zhì)量的平均值達(dá)到0.839以上，有一兩個(gè)網(wǎng)格質(zhì)量不是很好，但不影響整體計(jì)算，網(wǎng)格劃分完成。

二、參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)格劃分完成之后，進(jìn)行基本檢查，將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入到FLUENT軟件中，如下圖5所示，待到網(wǎng)格所有的參數(shù)讀入和寫(xiě)入之后，進(jìn)行網(wǎng)格的檢查，點(diǎn)擊scale和cheak，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查；檢查結(jié)束后在Display中分別點(diǎn)擊模型的進(jìn)口、出口、地面、墻面以及絕緣子，逐一顯示每一個(gè)部件，保證模型的完整性；然后顯示所有的網(wǎng)格和所有器件，設(shè)置不同的顏色，便于后續(xù)的觀察和演示，將顏色設(shè)置完成，在進(jìn)行網(wǎng)格的檢查，保證網(wǎng)格的質(zhì)量，如下圖6所示：

當(dāng)網(wǎng)格檢查完畢，部件顯示完整以后，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在model中選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，如圖7，符合列車(chē)運(yùn)行的規(guī)律，參數(shù)為默認(rèn)參數(shù)，便于后面進(jìn)行仿真計(jì)算和分析；列車(chē)運(yùn)行過(guò)程時(shí)，相當(dāng)于在空氣中做運(yùn)動(dòng)，所以選擇材料應(yīng)為空氣介質(zhì)，如下圖8所示：

設(shè)置進(jìn)出口的邊界條件，在之前命名的基礎(chǔ)上，對(duì)絕緣子的進(jìn)口條件進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)口為速度進(jìn)口，速度方向?yàn)檠豗軸方向，高速列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，最大速度達(dá)到350km/h，但是由于列車(chē)停靠等原因，確定列車(chē)平均運(yùn)行速度為220km/h，所以分別設(shè)置進(jìn)口速度大小為50m/s和80m/s，[4]如圖9，湍流指定為湍流強(qiáng)度和長(zhǎng)度指令，默認(rèn)為無(wú)窮遠(yuǎn)處均勻來(lái)流，強(qiáng)度比較低，設(shè)為1%，湍流長(zhǎng)度尺度選擇默認(rèn)值即可；出口為壓力出口，由于列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，出口在無(wú)窮遠(yuǎn)處，所以按照同樣的方式設(shè)置湍流強(qiáng)度和長(zhǎng)度，如圖10所示；墻面為默認(rèn)墻面，需要注意，地板為移動(dòng)地板，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，絕緣子移動(dòng)的速度和方向即為地板移動(dòng)的速度和方向，即沿Y軸，大小為50m/s，所以設(shè)置地板形式為Moving Wall，運(yùn)行方向?yàn)閅軸方向，大小為50m/s如圖11所示；圖12所示，參考值設(shè)置參考面積為1㎡，參考長(zhǎng)度為1m，壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101325Pa，速度50m/s為計(jì)算時(shí)的參考值，計(jì)算方式和計(jì)算控制選擇默認(rèn)值即可，如下圖13所示：

將參數(shù)設(shè)置完成，在monitor里進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)的設(shè)置，分別設(shè)置沿絕緣子方向的阻力系數(shù)和垂直于絕緣子方向的升力系數(shù)，即沿絕緣子方向坐標(biāo)為（0，1，0），垂直于絕緣子方向坐標(biāo)為（1，0，0），顯示波形圖14進(jìn)行分析：

所有參數(shù)設(shè)置完成以后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，如下圖15、16所示，待初始化結(jié)束，設(shè)置兩個(gè)窗口進(jìn)行監(jiān)控，在run calculate設(shè)置迭代步數(shù)為1000，對(duì)絕緣子進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，如圖17所示，點(diǎn)擊開(kāi)始計(jì)算，到1000自動(dòng)停止，從而得到計(jì)算的結(jié)果：

同樣的設(shè)置方式，設(shè)置速度為80m/s時(shí)的情況。計(jì)算結(jié)束之后，進(jìn)行后處理，創(chuàng)建絕緣子壓力系數(shù)，范圍選取-0.5～+0.5，點(diǎn)擊apply，可以得出絕緣子表面的壓力顯示，分別為速度為50m/s和80m/s的壓力云圖，如下圖18、19所示：

從圖中可以看出，當(dāng)速度為50m/s時(shí)，絕緣子迎風(fēng)面比背風(fēng)面壓力大，在芯棒頂端，壓力較大，背風(fēng)面較迎風(fēng)面形成低壓區(qū)，在絕緣子背風(fēng)面，越靠近絕緣子，壓力越小，隨著距離原來(lái)越大，壓力不斷增大。由于絕緣子背風(fēng)面壓力較迎風(fēng)面小，從而形成一定的壓力差，污穢物就會(huì)繞過(guò)絕緣子芯棒，在背風(fēng)面形成污穢層，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，污穢物積累越來(lái)越多，有的污穢物易導(dǎo)電，就將絕緣子兩傘面之間連接起來(lái)，將絕緣子進(jìn)行短接，從而將高壓設(shè)備與車(chē)體連接在一起，不利于列車(chē)的正常運(yùn)行。

從兩種不同速度下的壓力情況可以看出，隨著速度不斷增大，絕緣子背風(fēng)面壓力較小區(qū)域不斷增大，迎風(fēng)面和芯棒頂端壓力變化不大，這樣使得迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的壓力差越來(lái)越大，污穢物更容易在背風(fēng)面進(jìn)行積累，由之前的大傘和小傘短接慢慢變成大傘和大傘短接，污穢物不斷延伸至整個(gè)絕緣子都被短接，絕緣子起不到絕緣作用，而將高低壓設(shè)備接通。從這兩種情況可以得出，絕緣子表面積污速度的快慢和迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓力差有很大關(guān)系，兩者之間壓力差越大，積污的速度越快，壓力差越小，積污的速度相對(duì)較慢，而壓力差大小的影響因素為列車(chē)的運(yùn)行速度，所以想要提高列車(chē)的運(yùn)行速度，同時(shí)保證絕緣子積污盡可能的少，就應(yīng)定期清掃絕緣子表面，尤其是兩傘面之間的污穢物積累，將絕緣子導(dǎo)電消滅在萌芽狀態(tài)，減少污穢物積累的可能性，不斷提高絕緣子的絕緣性能，保證列車(chē)的安全運(yùn)行。

三、結(jié)論

絕緣子的積污特性，對(duì)列車(chē)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高，當(dāng)速度從50m/s增大到80m/s時(shí)，絕緣子迎風(fēng)面和背風(fēng)面壓力差距越來(lái)越大，速度不斷增大，背風(fēng)面壓力不斷增大，積污現(xiàn)象越來(lái)越明顯，將絕緣子兩傘面之間連通，這對(duì)于列車(chē)的運(yùn)行是很不利的，所以每一次列車(chē)運(yùn)行結(jié)束之后，要定期清掃絕緣子表面，同時(shí)，研究絕緣子表面的積污特性，對(duì)于改變絕緣子結(jié)構(gòu)特性奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：李文婷（1990-），女，甘肅定西人，助教，研究方向?yàn)殍F道機(jī)車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電力傳動(dòng)方向。