1 引言
接触网是用来向铁路机车提供电能的高压线路,接触网绝缘子对于所连接部件起绝缘作用,对铁路牵引供电系统是否能够正常工作影响巨大。与电力系统的输电线路相比,悬链线的架设高度较低,而悬链线绝缘子(既有绝缘作用,又因其特有的材料和结构起到固定支撑作用)暴露在外,如图1a所示,特别容易受到尘埃、雾、冰、雪、鸟类活动以及工业污染等不利因素的影响[1,2,3],从而可能导致绝缘子表面的电场分布发生改变,产生绝缘子闪络问题,这已经成为电力系统安全运行需要解决的关键问题之一。2010年,甘肃省民勤县的沙尘暴,使得乌鲁木齐的列车晚点;2013年,受沙尘暴的影响,从乌鲁木齐到济南的火车晚点;2012年,在雾霾天气下,铁路局发生了一起绝缘子闪络事故;2013年,信阳发生一起因屋顶绝缘子闪络导致多台机组停运的事故;2011年1月,南方某高铁因一处鸟巢引起的故障影响供电6 h;2014年4月,京广高速铁路定州东至保定东段,因倾斜悬式绝缘子鸟巢短路跳闸,停电78 min[4,5,6];2010年2月7日,雨雾无风天气,因巩义南-荥阳南区间接触网绝缘子受污染发生闪络、击穿,造成巩义南变电所211#、212#断路器连续发生跳闸,中断行车415 min。
闪络一般有两种：一种是击穿空气绝缘间隙后绝缘距离变小发生闪络;另一种是绝缘子受外界因素影响,使绝缘子的绝缘强度降低,从而引起绝缘子闪络事故[7]。而电场的畸变是造成绝缘子闪络的根源,因为绝缘子表面的局部电场达到空气击穿场强的阈值后,就会发生局部电弧。同时绝缘体会在这种局部电弧穿过绝缘表面时丢失绝缘功能并发生闪络[8,9]。悬链线绝缘子不均匀的表面电场分布,使得放电总是先发生在电场的最强点,因此寻找恰当的方法获得和改善悬链线绝缘子表面电场分布是防止绝缘子闪络的有效手段,也可以为悬链线绝缘子的选择和优化提供理论参考。文献[10]利用有限元仿真软件建立CRH2动车组车顶高压系统电场和流场仿真模型,对车顶高压系统的电场和流场的分布规律进行了研究,分析了不同环境下不同绝缘子高度对高压系统绝缘性能的影响,并提出了一种优化设计方案,这个方案的关键在于改变高压隔离开关与受电弓支撑绝缘子的位置关系。因此,有必要研究不同外部因素对悬链线绝缘子表面电场畸变程度的影响。
2 绝缘子沿面电场的计算方法
为了了解电场沿绝缘子表面的分布情况,I. A. Black在20世纪70年代初提出了指零法。加拿大魁北克水力研究所D. Train等在20世纪80年代初提出了激光静电电压表法[11]。近几十年来,对悬链线绝缘子表面电场分布情况的测试和测量一直是研究热点,然而测量传感器在测量绝缘子表面电场的变化时,测量结果存在系统误差,特别是测量不同环境因素影响下的绝缘子,环境对结果的影响很大。用数学计算代替电场测量获得悬链线绝缘子表面电场分布已成为主要研究方向。许多文献提出了测试和测量绝缘子表面电场分布的新方法,主要包括以下四种：解析法、等效电路法、现场测量法和有限元分析法。
2.1 解析法
解析法是早期计算绝缘子电场的一种方法,即先建立绝缘子的等效数学模型,然后求解麦克斯韦方程组,求解过程非常复杂,需要很多时间。此外,对于一些复杂的问题,例如电场域中边界的形状和介质的分布,该方法是无法解决的。所以,解析法不能应用于不同环境下绝缘子表面电场分布的求解。
2.2 等效电路法
20世纪80年代末,我国成功应用等效电路法计算长串绝缘子的电压分布。在计算过程中,用电容和电导组成等效电路,代替绝缘体,接着在测试中采用该等效电路,获得杂散电容值。最后,为了得到绝缘体表面的电场分布,需要计算等效电路中每个节点的电动势。虽然这种方法最终能够得到绝缘体表面的电场分布,但是需要用等效的金属球代替绝缘体,而球的电位系数需要通过实验计算求得,进而才能确定绝缘子的杂散电容。最后建立的模型仍然取决于实际的测试结果。由于实际测试过程中难免存在不确定性,从而会造成很大的误差。所以在计算接触网绝缘子表面电场时要尽量使用精度高的仪器,同时尽量减少人为误差。由于这种方法费时费力,并且随着有限元分析软件的出现,应用越来越少。
2.3 现场测量
虽然通过现场测量绝缘子表面电场强度可以更好地接近实际情况,但测量周期长,操作步骤复杂、成本高;此外,由于测量传感器可以改变悬链线绝缘子的表面电场,测量结果存在系统误差,再加上测量过程中会存在人为误差等各种外界干扰因素,导致测量结果有很大误差,所以现场测量不利于大规模普及,只适合在实验室或小规模场景中应用。
2.4 有限元分析法
由于工程电磁场问题所涉及的电磁装置在结构、几何形状和材料变化方面相当复杂,上述方法已不能满足工程问题解决和分析的需要。20世纪80年代,随着计算机技术的发展,属于近似计算范畴的电磁场数值计算方法得到极大发展,尤其是数值计算中的有限元方法,已经能够满足科学技术和工程领域对电磁场问题精确分析的需求。许多计算分析软件都是基于有限元方法,很大程度地提高了计算效率,节省了很多计算时间,并且不容易代入人为误差的影响,因此采用有限元分析法获得绝缘子沿面电场分布进而对其进行优化设计和分析已成为新趋势。
有限元分析法就是将一个大的区域划分成有限个互不重叠的小单元,在每个小单元中设置合适的插值点,这样,通过求解每个小单位内的多元函数的极值,就能够很好地将复杂域的问题进行简化。用一组多元代数方程表示有限元子空间中多元函数的极值问题,而多元代数方程的解就是边值问题的解,从而不必再为满足第二类和第三类的边界条件的要求而进行单独处理了。此外,工程计算结果的准确性也因为单元划分密度而得到了保证。利用有限元分析软件建立的绝缘子三维模型如图1b所示。
图1
图1
绝缘子及其分析模型
1, 2, 3—棒式绝缘子 4—平腕臂 5—斜腕臂 8—腕臂支撑 13—定位器 15—定位管 17—定位器支撑 6,7,9,10,11,12,14,16,18—连接零件
3 绝缘子沿面电场仿真
本文以COMSOL为例介绍绝缘子的电场仿真。具体步骤如下。
(1) 确定模型参数。针对现有的绝缘子出现的不足,优化设计绝缘子模型,确定设计的模型尺寸、形状及材质。
(2) 选择合适的仿真方程。仿真软件中有多个模块,包括多个单物理场及众多耦合场,每个场中都有相对应的模块方程,仿真时需要根据所研究的领域选择合适的方程。本文主要探索绝缘子电场分布,所以选用AC/DC电场分析模块,在模块中选择电流模式,对各种外界因素下绝缘子表面的电场分布进行模拟分析。
(3) 创建模型。为使建立模型的过程方便快捷,先在画图软件中画出绝缘子模型再导入仿真软件中。导入的模型可以是二维的,也可以是三维的,可根据需求导入。
(4) 设定材料参数及边界条件。根据模型的实际情况,在COMSOL中设定接触网绝缘子各部分以及空气的电介质参数,再根据绝缘子的工作电压,在绝缘子高压端及低压端分别施加相对应的电压。
(5) 划分网格。在COMSOL中,划分网格主要有手动和自适应两种方式,要根据模型的复杂程度进行选择。由于绝缘子几何结构复杂,外界条件多样,一般需手动设置。
(6) 求解。选用适合自己需求的求解器进行求解,由于绝缘子结构复杂,一般采用准确性较高的迭代式求解器进行求解。
(7) 后处理。仿真结果中一般包括局部变量图、等位图、结果云图等,可以进一步处理使结果图清晰,适合保存,也可以导入Matlab等其他软件中进一步处理。
4 有限元分析在绝缘子中的应用
随着我国经济水平的不断增长、电网的持续发展和特高压交流/直流输电线路的大量建设,接触网绝缘子在复杂外部环境中闪络的概率日益增加,而接触网绝缘子闪络会导致铁路机车不能正常运行。由于放电首先发生在绝缘子表面电场最强的地方,采用合理的方法获得和改善绝缘子表面电场分布,是防止绝缘子覆冰闪络的有效手段。随着计算机的广泛应用,有限元仿真软件的应用也得到了有力推广,目前是计算接触网绝缘子表面电场的最有效方法之一。
4.1 用有限元法分析鸟粪对绝缘子的影响
文献[10]研究了鸟粪入侵下正馈线绝缘子的沿面电场分布,首先用有限元分析软件中的静电场模块建立鸟粪在周围落下和附着鸟粪的绝缘子三维计算仿真模型;其次,选择合适的网格尺寸进行合理的网格划分,在绝缘子周边不受鸟粪污染、表面受鸟粪污染的情况下,计算分析绝缘子表面的电场,绝缘子表面电场分布如图2所示。鸟粪落下,鸟粪通道延长,在这个过程中,鸟粪通道的首端边缘和最近的绝缘子伞裙处的电场强度会很快增加,从而导致绝缘子的电场分布变形。绝缘子低压端大伞裙边缘附近端的电场强度随着鸟粪通道的延伸而增加,而绝缘子中部大伞裙边缘的电场强度在前端急剧增加,然后逐渐减小。因此,鸟粪通道离绝缘子越近,绝缘子电场分布的畸变幅度越大,绝缘子高低压端大伞裙边缘附近电场分布的畸变幅度最大。
图2
4.2 用有限元法分析沙尘对绝缘子的影响
戈壁和沙漠分布广泛,风力资源充足,降水稀少,地表植被稀少。截至2005年,我国西北五省荒漠化土地面积占全国荒漠化土地总面积的58%,是沙尘暴的重要发源地。风蚀沙漠引发的严重沙尘暴导致我国电力系统绝缘子多次发生闪络事故,严重影响了电力系统的安全可靠运行。
文献[11]应用有限元仿真软件计算分析了沙尘作用下绝缘子沿面电场的变化。当沉积在绝缘体表面上的砂层相对均匀时,沿着绝缘体表面的电场几乎不变。当无砂区出现在均匀砂层中时,沿无砂区绝缘子表面的电场明显畸变。空气中的非电沙粒和带电沙粒对绝缘子表面电场有不同的影响。中性砂粒对电场影响很小,但带电砂粒沿绝缘子表面作用在电场上,导致电场变形。
文献[12,13]利用有限元模拟软件中的静电场模块,分析了在覆沙伞裙表面、沙尘电场、空气中悬浮沙以及其他沙尘环境的影响下,沿绝缘子表面的电场分布。结果表明,绝缘体的几何形状可以明显影响沿着绝缘体表面的电动势和电场分布。沉积在绝缘体表面的灰尘会降低绝缘体的场强。当砂层中出现无砂区时,无砂区的场强将会增加。悬浮在空气中的中性沙粒会引起绝缘子表面电位和电场的微小变化,其变形程度受悬浮沙粒的大小、数量、荷电量和极性的严重影响。粒子群中沙粒的带电特性严重影响绝缘子表面电位和电场的畸变程度。绝缘子表面的电场会发生畸变的一个重要原因就是悬浮的沙粒带电,尤其在沙尘环境下,绝缘子表面的电场会受到不同程度的影响。
文献[14]用有限元方法分析了接触网绝缘子的电场分布。研究发现,悬浮在周围空气中的带电沙粒对绝缘子的电场分布有很大影响,沙粒的导电性能不同,会对绝缘子的电场畸变产生不同程度的影响,但模拟结果相对简短,没有对模拟过程和结果进行详细分析。
4.3 用有限元法分析干燥带对绝缘子的影响
当绝缘体表面上的污垢层被润湿时,污垢层的电导率增加,绝缘体表面上的泄漏电流迅速增加。由于绝缘体的不同几何形状和污垢层的不均匀电阻,绝缘体表面的泄漏电流也不同。电流大的区域会产生更多的热量,并且会形成一个或多个干燥区域。当干燥带被取出时,沿着干燥带表面电场的绝缘体就会发生很大程度上的变形。在电场强度达到空气的击穿阈值时,表面局部电弧就会随之发生,从而有可能导致闪络。
文献[15]利用有限元分析软件建立了单圆盘瓷绝缘子的三维仿真模型,主要研究分析了绝缘子表面的电场分布同干燥带的分布位置、宽度、数量以及分布角度的关系,最终发现绝缘子表面的电场畸变会受到干燥带的分布位置和宽度的影响。
文献[21]研究了接触网柱式复合绝缘子沿面电场分布与干燥带之间的关系,根据绝缘子的真实结构,在有限元仿真软件中建立二维仿真模型,选择静电场模块计算分析了绝缘子容易出现干燥带的位置以及干燥带宽度和数量对其沿面场强的影响。由于绝缘体几何形状不同、污染层电阻不均匀,绝缘体表面的泄漏电流不同,大电流区域产生更多热量,从而形成一个或多个干燥区。绝缘子伞裙之间立柱处的泄漏电流最大,最有可能出现干燥区。干燥带处绝缘体的电场明显失真。当电场强度超过空气的击穿阈值时,在绝缘子的表面就会出现局部电弧,从而极有可能发生闪络。随着干燥带宽度增加,伞裙上下表面干燥带位置上的最大场强增大,柱体上的场强减小。伞裙干燥带位置的最大场强与上下表面干燥带的数量成正比,干燥带数量增加,场强就会增加,而柱体上的最大场强与柱上干燥区的数量成反比。
文献[16]以鼓形绝缘子为研究对象,利用有限元方法对可能出现干燥区的位置区域以及干燥区域的宽度、数量等对电场分布的影响进行了分析和研究。研究表明,绝缘子的电场分布的畸变会受到不同几何形状的影响。
文献[17]研究并分析了放电和气压对硅橡胶绝缘子干燥区的绝缘子电场分布的影响。对绝缘子表面形成干燥区的原理和干燥区放电的频率特性进行了实验。结果表明,硅橡胶绝缘子表面出现干燥区,干燥区的出现对绝缘子表面放电有影响。
4.4 用有限元法分析供电方式对绝缘子的影响
电力牵引(Auto Transformer,AT)供电和直接供电是我国电气化铁路常用的供电方式。AT供电模式也称为自耦变压器供电模式。牵引网电压为2×25 kV,自耦变压器分布在牵引网中,用于电力牵引,电压降至25 kV。该方法可以在不增加牵引网绝缘水平的情况下将供电电压翻倍,可以成倍地增强牵引网的供电能力,增大牵引变电站之间的距离,优化牵引供电指标,特别适用于高速重载电气化铁路。直接供电是在牵引网中不加特殊防护措施,简单经济,然而单向负载的牵引供电系统的牵引回路是铁路,这种供电模式是不平衡的,会对通信线路产生感应影响,通常仅在通信线路较少的山区采用。
为了研究不同供电模式(AT供电和直接供电)下悬链线绝缘子表面的电动势和电场分布,文献[18]首先通过绘图软件建立了两种供电模式下接触网的三维结构模型,然后利用有限元分析软件中的静电场分析了不同条件(工作条件和操作过电压)下水平悬臂绝缘子和倾斜悬臂绝缘子表面的电动势和电场分布。仿真结果表明,在不同的供电模式下,输电线路的布线结构在工作条件下是不同的。无论悬臂绝缘子是水平还是倾斜,其表面电位都明显高于直接供电模式。绝缘体高压端附近的表面场强低于直接供电模式,而低压端附近的场强正好相反。不同供电方式下,伞裙承受悬臂绝缘子最大电压的位置不同;AT供电模式正馈线上的操作过电压与工作条件下的最大电压位置相比发生了变化。
4.5 用有限元法分析雾霾对绝缘子的影响
在众多污染问题中,雾霾天气对电网输电线路和铁路牵引供电线路的危害越来越大,因为雾霾天气的发生区域不受地域的影响,而且影响持续时间很长。当空气污染严重、空气质量差时,烟雾颗粒会影响绝缘子气隙中的电场分布,空气击穿电场会导致线路闪络跳闸事故。
文献[19]通过有限元分析了绝缘子表面的电场分布,用雾、粉煤灰和氧化铁代替烟雾颗粒进行模拟。研究了烟雾对击穿电压和冲击放电路径的影响。发现在负冲击电压下,当颗粒尺寸在10 μm~0.1 mm之间时,击穿电压比正常情况下低。
文献[20]利用有限元分析软件对铁路悬链线复合绝缘子的电场分布进行了模拟分析。绝缘体暴露于空气中的烟雾颗粒,烟雾天气灰尘会附着在绝缘子表面,对此建立了模拟模型。从模拟结果可以发现,烟雾环境下空气中悬浮的烟雾颗粒会影响悬链线绝缘子的电场。不带电荷的烟雾颗粒对绝缘体表面的电位几乎没有影响。当烟雾粒子带正电荷时,沿着绝缘体表面的电动势随着烟雾粒子浓度和粒子尺寸的增加而增加。当烟雾粒子带负电荷时,情况正好相反。带电极性相同时,畸变程度随颗粒浓度和粒径的增大而加大。颗粒大小对电场和电动势的影响大于颗粒浓度的影响。当绝缘体表面出现均匀的污染层时,绝缘体两端和污染层交界处的电场会突然改变。
5 结论
接触网绝缘子通过悬挂实现与接地体间的电绝缘,接触网绝缘子的电场分布关系到绝缘子材料的选取、结构设计以及模型尺寸的合理性。当接触网绝缘子表面遇到鸟粪污染、雾霾、降雨、冰霜等外界因素影响时,很容易发生铁路机车绝缘子闪络事故。由此可见,研究怎样获取绝缘子的表面电场分布很关键,尤其是在不同外界环境中受不同因子影响的情况下,有效避免绝缘子闪络极其重要。
本文通过对比不同方法对绝缘子电场分布的仿真,发现有限元分析法可以提高计算分析效率,节约时间和资源,降低误差。而且,有限元分析在绝缘子中的应用已十分广泛,利用有限元分析法分析绝缘子表面的电场分布情况,避免绝缘子出现闪络现象,这在未来将会是获得绝缘子沿面电场的主要方法。
参考文献
接触网鸟害防治新思路
[J].
New ideas on prevention and control of bird damage in catenary
[J].
接触网鸟害防治方案研究
[J].
Study on the control scheme of bird damage in catenary
[J].
接触网鸟害防治措施的探讨
[J].
Exploration of the control measures for bird hazard of catenary
[J].
接触网鸟害防治存在的问题与对策
[J].
Problems and countermeasures in the prevention and control of bird damage in catenary
[J].
染污绝缘子沿面电场分布与局部电弧发展的关系
[J].
The relationship between the distribution of electric field along the surface of contaminated insulators and the development of local arc
[J].
染污光滑圆柱绝缘子沿面电场分布对闪络过程的影响
[J].
Effect of electric field distribution along the surface of polluted smooth cylindrical insulator on flashover process
[J].
动车组车顶高压系统优化布置置仿真分析
[J].
Simulation analysis on layout optimition of electric multiple units roof high-voltage system
[J].
110 kV合成绝缘子沿面电场分布的研究
[J].
Study on calculating electric field of composite insulator
[J].
棒性悬式复合绝缘子电场计算和优化
[J].
Calculation and optimization of electric field and voltage distribution along long-rod composite insulators
[J].
鸟粪染污伞裙对接触网绝缘子电场分布的影响
[J].
Effect of bird dung contaminated umbrella skirt on electric field distribution of catenary insulators
[J].
悬浮沙粒对棒形绝缘子电位和电场分布的影响
[J].
Influence of suspended sand particles on potential and electric field distribution along long rod insulator
[J].
The influence of charged sand particles on the external insulation performance of composite insulators in sandstorm condition
干燥带对污秽绝缘子电场分布的影响
[J].
Effect of dry band on electric field distribution of polluted insulator
[J].
干燥带对染污支柱绝缘子电场分布的影响
[J].
Influence of dry band on electric field distribution of polluted post insulator
[J].
硅橡胶绝缘子表面干燥带放电与气压影响的研究
[D].
不同供电方式对接触网绝缘子电位和电场分布影响分析
[J].
Analysis the impact of different power supply on the potential and electric field of catenary insulator
[J].
雾霾对冲击放电路径影响特性的分析
[J].
Effects of haze environment on discharge path under lightning impulses
[J].
雾霾环境下接触网绝缘子电场分布的仿真研究
[D].
