车顶绝缘子空气动力结构优化及其积污特性研究_陈然.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（编号：）；四川省杰出青年科技人才项目资助（编号：）。（），（）。：车顶绝缘子空气动力结构优化及其积污特性研究陈 然，郭裕钧，张血琴，吴广宁，李沛东（西南交通大学电气工程学院，成都）摘 要：为了提高高速列车运行安全稳定性，防止车顶绝缘子在雾霾天气下发生污闪，对污秽颗粒在绝缘子表面的沉积过程进行受力分析，根据受力分析结果对车顶绝缘子进行结构优化，提出两种空气动力结构绝缘子，并对优化结构进行流体力学仿真与风洞积污试验。结果表明：相比于传统结构绝缘子，空气动力结构绝缘子绕流速度大幅度提升，背风面流线有序不存在逆流现象，边界层分离点延后，旋涡运动大幅度减弱，气流分布状况得到了良好改善。空气动力型绝缘子的背风面积污量大幅减小，表面整体积污量小于传统结构绝缘子，积污更容易达到饱和，且污秽分布更加均匀。关键词：雾霾；车顶绝缘子；结构优化；污秽 ，（，）：，：，：；引言国际铁路联盟指出高速铁路是 世纪最重要的交通方式之一。我国高速铁路具有运营速度高、车辆调度紧凑等特点，车顶绝缘子是高速列车的重要部件，起到机械支撑和电气绝缘双重作用，一旦其在恶劣天气与高速气流共同作用下发生绝缘失效将严重影响铁路运输的安全性。近年来由于工业发展迅速，环境负担加重，冬季雾霾天气频发，由于雾天行车时车顶绝缘子发生污闪导致的临 年第 期车顶绝缘子空气动力结构优化及其积污特性研究（总第 期）时停车常见报道。因此，对车顶绝缘子结构改进以减少污闪事故具有重要研究价值。国内外学者对污秽在绝缘子表面的沉积特点与绝缘子污闪特性进行了研究。文献 指出雾霾湿沉降环境急剧加快绝缘子表面积污，污秽积累量高于正常气候，且积污难以达到饱和，闪络电压显著降低。刘绍银分析了绝缘子污闪的大气理化因素作用，指出对绝缘子每天擦洗无法有效防止雾霾天气中污闪的发生。胡学永研究了雾霾环境车顶绝缘子积污特点，结果表明气流速度低时车顶绝缘子表面容易形成水膜，水的粘附力使雾霾颗粒更易积累。王振华研究了流体力学特性对绝缘子覆冰的影响，发现绝缘子背风面流速很低，水滴随涡回流。王英研究了车顶绝缘子不同部位积污特性，指出积污随外流场分布与具体受力影响而分布不均。文献 研究得出湍流旋涡加快了水珠的碰撞与汇聚，使小水滴汇聚成大水滴。律方成研究了高速气流下污秽颗粒在绝缘子表面的沉积规律，指出污秽的碰撞与沉积主要发生在迎风面与背风面。刘洪涛对气固两相圆柱绕流研究指出圆柱后方旋涡强度与卷吸作用影响颗粒的浓度与绕流形式。任昂对绝缘子在雾霾中的积污进行了数值模拟，结果表明绝缘子周围气流分布影响污秽粒子撞击率从而影响积污程度。张东东研究指出绝缘子迎背风面积污不均匀可使直流污闪电压降低 。伊朗学者研究发现随着积污扇形不均匀度的增加与背风面积污比的增加，绝缘子闪络电压降低。以上研究从不同方面分析了绝缘子在气流环境中的积污机理以及污闪特性，但均未提出行之有效的防污闪方案。因此，笔者根据空气动力学原理对车顶绝缘子进行结构优化，改善车顶绝缘子在雾霾环境下的积污状况。空气动力结构优化 污秽颗粒受力分析气流中裹挟的颗粒物在绝缘子表面的沉积可以粗略分为 个步骤，见图。图 污秽沉积步骤示意图 ）空气动力学步骤：主流裹挟颗粒物运动，在遇到固体障碍发生绕流时，颗粒物受到湍流与扩散的影响运动到绝缘子近表面层。）表面层扩散步骤：绝缘子近表面边界层中气流速度出现梯度分布，颗粒物受力状态改变，低速颗粒将进一步向绝缘子表面运动。）壁面附着步骤：颗粒物与绝缘子表面发生接触，根据颗粒运动状态与绝缘子的表面性质的不同，接触后可能发生附着、反弹、滑移等过程。实际工程中绝缘子防污涂料的应用便是通过改变步骤）来减少积污，而通过对绝缘子结构进行合理的空气动力学优化，能够调控步骤）与步骤）从而实现同样目的。忽略难以人为调控的颗粒 颗粒间相互作用的范德瓦耳斯力、碰撞力等，同时忽略颗粒 流体间数量级过小的巴塞特力、马格纳斯力等，则流体作用在颗粒上的主要力有：曳力：由流体与颗粒间的速度差而产生，本质是滑移速度导致颗粒表面压力分布不平衡及其表面的粘性应力的合力，曳力大小由式（）计算。()（）式中：为颗粒物受流面积；为曳力系数；为流体密度；为主流速度；为颗粒运动速度。萨夫曼力：由流场速度梯度产生，通常在主流中速度梯度可以忽略，而在固体近表面的边界层中，沿垂直固体表面的 方向上，靠近边界层外边界处气流速度为主流速度，靠近固体表面处气流速度为，由于边界层厚度较薄，因而具有较大的速度梯度，此时萨夫曼力不可忽略。萨夫曼力方向由低速侧指向高速侧，即指向边界层外侧。萨夫曼力在低雷诺数下的计算见式（）。()（）式中：为基于低剪切蠕动流的积分常数，取 ；为气体动力粘度；为颗粒物直径；为气体运动粘度。在高雷诺数下萨夫曼力尚无明确计算公式，其大小正比于速度梯度，即边界层厚度越薄萨夫曼力作用越大，边界层厚度计算见式（）。（）式中：为计算点到障碍前驻点距离；为转捩长度雷诺数，其计算公式见式（）。（）年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）除两相间的作用力之外，颗粒还受到固有的场力作用，由于颗粒本身不带电，并忽略各种复杂的致电过程，只考虑重力场 对颗粒的作用，在结构优化分析中颗粒物所受力见图。图 污秽颗粒受力分析图 结构优化设计根据受力分析可得，增大萨夫曼力可以在表面层扩散步骤中阻碍颗粒物扩散到绝缘子表面，同时增大曳力能使颗粒物对主流保持追随性，更容易脱离固体表面向下游运动从而减少整体积污，由式（）式（）易知需要增大绕流时的主流速度 来实现这一目的。本研究拟将空气动力学流线型结构应用于车顶绝缘子，削弱绕流过程中的湍流运动过程，以提高绕流速度。流线型结构还能延后边界层分离使气流分布更加理想，减少污秽颗粒在漩涡处的沉积，改善车顶绝缘子迎背风面积污不均的状况。以 伞裙结构的两种流线型车顶绝缘子与传统结构对比，见图。图 车顶绝缘子优化结构图 其中绝缘子 为传统圆盘结构，结构高度，芯棒与伞裙半径分别为 与 。绝缘子 为流线型椭圆结构，芯棒与伞裙半短轴分别为 与 ，半长轴分别为 与。绝缘子 伞裙椭圆截面形状与绝缘子 相等，但伞面为椭球壳曲面。种绝缘子爬距相近，干闪电压相近。在流体力学分析中，多个钝体之间的气流相互影响作用随着钝体中心距与直径之比（）的增加而弱化，而车顶设备之间具有足够的安装距离，值较大，使得各设备周围气流场具有独立性，相互影响作用微小。因此在车顶绝缘子周围的流场分布特性研究中，为了简化分析过程常常对单个绝缘子流场进行独立分析。空气动力性能分析 气流速度分析湍流流动的分析普遍依靠基于用雷诺展开概念的时间平均方法，由雷诺分解易得出，任何一个瞬时变量 都可以分解为一个时均量和一个脉动量的叠加：（）（）（）其中，计算时均量 的积分时间段 与系统特征时间尺度相比应当充分短，但同时又必须足够长使脉动量能够满足：（）（）按照这个思路，可以得到时间平均的流体连续性方程与时间平均的动量方程。为简单起见，假设湍流稳定、不可压缩、等温流动。?（?）（?）?|（）式中：下标 与 代表笛卡尔坐标系中的方向；为笛卡尔坐标；由对单位质量的体积力取时间平均所得；?为引入的有效粘度，其计算式为 （）其中，确定湍流粘度 便可求解湍流流动。由于时间平均产生的未知的关联项使方程封闭不易实现，必须引入附加方程，基于此学术界提出了多种湍流模型。笔者在有限元仿真软件中采用 两方程模型，引入附加方程：，?|（）式中：为湍流动能；为湍流耗散率；为经验常数。设置流场入口平均速度为 （类比列车时速 ），出口条件为充分发展的湍流，可得车顶绝缘子周围的气流速度大小分布见图，速度方向见图。由图 可以看出，绝缘子 背风面具有较大面积的低速度流场区，背风面伞裙投影内的低速气流速度在 范围内变化，同时侧风面高速度流场区面积最小。绝缘子 背风面低速流场 年第 期车顶绝缘子空气动力结构优化及其积污特性研究（总第 期）面积大幅度减小，背风面伞裙投影内低速区气流速度在 变化，侧风面高速度区面积增大。绝缘子 背风面低速区面积最小，伞裙投影内低速区气流速度在 变化，侧风面高速区面积与 相当。图 气流速度大小分布图 图 气流速度方向图 由图 可知，绝缘子 为典型的圆柱扰流现象，背风面气流出现回流，流线紊乱。绝缘子 更加接近理想绕流，两侧气流在后驻点平滑汇合流向下游。绝缘子 绕流情况与 相似，但由于曲面的作用，伞裙间气流随曲面转向，在伞裙边缘处气流受到挤压，方向逐渐过渡到与主流方向一致。涡量大小分析漩涡运动的强度和方向常用涡量来描述，涡量为流体速度的旋度，其大小见式（）：（）式中：为流体速度矢量；为流体微团绕某一点做旋转运动的平均角速度。污秽颗粒物在绝缘子伞群间的沉积与漩涡运动密切相关，种绝缘子伞群间气流涡量大小见图。图 涡量分布图 由图 可知，绝缘子 迎背风面漩涡运动强烈，且边界层分离点位于芯棒左右两侧轮廓处。绝缘子 漩涡运动大幅度减弱，且边界层分离点位于芯棒后驻点两侧附近。绝缘子 边界层未分离，无大范围漩涡运动。风洞积污试验 试验设置以积污条件最恶劣的雾霾天气中行车作为研究背景，对绝缘子伞裙表面积污状况进行试验分 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）析。因为气候特点与社会原因，我国雾霾成分复杂，不同于欧美国家。雾霾中主要污染物来源粗略分为：燃煤（、）、工业排放（、）、汽车尾气（）、扬尘（、）、焚烧物（、），其中我国华北地区以前 种污染物最多，且主要为 。为模拟雾霾成分，本研究以煤灰、高岭土、草木灰等配置人工污秽，出于化学品使用与储存安全考虑不使用铵与硝酸的盐化合物。人工污秽的粒度覆盖 范围，人工污秽 图见图。图 人工污秽粒度分布图 搭建风洞积污试验装置，其结构示意见图。其动力装置为 个大功率纯铜轴流风机，转速 ，出口风量可达 ，出口风速 ，经过增压管后测试段管径为 ，其风速可达到 以上。图 风洞结构示意图 积污试验样品安装于测试段内，因风洞尺寸限制，采用比例 绝缘子模型进行试验。在缩尺模型条件下，风洞试验环境的颗粒雷诺数不变，试验中污秽颗粒周围流体流动状态以及颗粒自由沉降速度与实际高铁运行环境相近。并且试验模型与原型绝缘子均处于高雷诺数条件下，两种流场中的湍流可充分发展，流动相似，风洞试验结果可作为相似模型结果推广到原型工况当中。绝缘子模型可从中部截断拆卸成两半，便于观察中部伞裙积污情况。试验开始时将制备好的人工污秽使用纸质漏斗从加料口通入，控制通入完毕时间在 左右。随后周期性通入超声波水雾以模拟雾霾湿沉降环境，为了防止持续通雾使循环风洞系统内湿度过大导致管内壁与样品表面积水严重，在经过多次尝试后得出，持续通入水雾时间每达到 后应当停止通雾，待系统在不通雾状态下运行 后再次通入水雾。每组试验结束后等待样品自然阴干后取出测试，进行下一组试验时将风洞测试段拆下空吹 以清除上一组试验中风洞内沉积的污秽。为保证每个样品积污条件一致，每组试验时仅在循环风洞中安装一个样品。试验流程见图。图 风洞试验流程图 试验结果分析每组试验通入人工污秽 ，积污时间设置为、共 个梯度。顶部第一片伞裙污秽重力沉降影响最为严重，是积污研究重点，其表面积污分布见图。图 顶部伞裙上表面积污分布图 将绝缘子伞裙表面划分为 个风区，用脱脂棉球擦拭法得到各风区污秽重量，见图。年第 期车顶绝缘子空气动力结构优化及其积污特性研究（总第 期）图 顶部伞裙上表面积污量图 由图 与图 可知，绝缘子 背风面积污最重。积污 时，种绝缘子背风面积污量大小 ，其余风面积污量相近，绝缘子 与 侧后风面积污均略大于侧前，而 侧后风面积污与侧前相当。积污 时，种绝缘子各风面积污量全部增加，其中涨幅 。绝缘子 侧前风面积污量增加到与侧后相近，其余积污分布趋势不变。积污 时，绝缘子 迎风面积污略微增加，背风面积污饱和，侧前侧后风面略微减少。绝缘子 迎风背风积污减少，侧后风面积污略微增加，侧前风面积污大幅增加到与侧后相近。绝缘子 迎风背风积污减少，侧前侧后积污增加，积污分布情况不变。种绝缘子整体积污量大小为 ，从图 也可直观看出污秽分布不均匀度 。结果中出现随积