霧霾環境動車組車頂絕緣子積污特性研究

胡學永,唐昕宇,張血琴,郭裕鈞,劉 凱

(1.中車青島四方機車車輛有限公司,山東青島 266111； 2.西南交通大學電氣工程學院,成都 611756)

隨著我國高速鐵路的不斷發展，鐵路運輸業已然成為我國經濟的重要支撐，高鐵的發展使得中國鐵路運輸能力得到了巨大的提升。列車的安全、穩定運行是鐵路運輸系統的保障，而車頂絕緣子是動車組車頂的重要高壓器件，一旦發生故障將會造成設備損壞、運輸中斷，還會帶來惡劣的社會影響。近年來，我國國民經濟的飛速發展，工業化進程加速，霧霾已成為一種環境污染，甚至是環境災害。與普通的霧不同，霧霾發生時空氣中不僅懸浮著自由水滴，還懸浮著大量細微的灰塵顆粒[1-2]。霧霾期間空氣污染嚴重，以PM2.5為主的污染物濃度將會陡然升高。霧霾的產生不僅對人體健康、生產生活帶來諸多危害，同時它對高速列車的穩定安全運行造成一定的威脅。空氣中的霾會引起車頂絕緣子積污，霧霾中的霾顆粒沉積在絕緣子表面后，會導致絕緣子表面形成污穢層；而空氣中的霧沉積在絕緣子表面會潤濕絕緣子表面污穢層，污穢層中可溶于水的導電物質會溶于水中形成導電水膜，導致絕緣子表面泄漏電流增大；泄漏電流出現后，由于焦耳熱的作用導致污穢層較快變干，形成干燥帶，反復作用后出現更多的干燥帶并產生局部電弧，大大增加了車頂絕緣子發生污閃的幾率。

國內外專家認為霧霾對絕緣子的影響主要體現在兩個方面：一方面是濕度的影響，即霧霾中的霧引起絕緣子表面污穢受潮，導致絕緣子的絕緣特性直線下降，從而引發污閃；另一方面是污穢度的影響，即霧霾中的灰霾顆粒引起絕緣子表面積污量的增加，當絕緣子處于高濕環境時，也容易引發沿面閃絡。謝從珍研究了國內外關于霧霾對輸變電設備外絕緣特性的相關研究，涉及霧霾的形成與沉降、霧霾的模擬、其對輸變電外絕緣特性的影響幾個方面[3]。王黎明通過模擬不同污穢成分、不同濕度的霧霾環境，提出模擬霧霾環境的方法與霧霾環境下開展相關實驗的方法[4]。蔣興良在自制小型霧霾室內利用超聲波霧發生器產生水霧同時利用氣溶膠發生器，將處于不同成分(硅藻土CaSO4和(NH4)2SO4)的顆粒物通入試驗罐內模擬霧霾環境，并對不同成分、粒徑的氣溶膠霧霾環境下的絕緣子進行多次交流閃絡試驗，分析了霧霾成分、顆粒粒徑、鹽密對絕緣子交流閃絡電壓影響[5]。任昂通過建立基于流體力學原理的高壓直流絕緣子積污仿真模型，研究了不同環境下高壓直流線路復合絕緣子的積污特性[6]。劉長義用硅橡膠試片與XP-70絕緣子進行模擬積污試驗，試驗結果表明：試片在霧霾環境中的積污速率快且難以達到飽和，懸浮顆粒物的沉降對積污起主要作用；XP-70絕緣子在霧霾環境中的積污速率較快且迅速達到飽和，懸浮顆粒物的擴散與黏附對積污起主要作用[4]。徐森針對霧霾，期間絕緣子的積污特性，開展了不同類型絕緣子及試片在霧霾天氣下的自然積污試驗，測量了絕緣子在霧霾期間等值鹽密的變化，并獲得了絕緣子表面污穢微觀形貌、粒徑分布、無機元素組分及熱重曲線等理化特性[7]。隆晨海進行自然霧霾積污試驗的結果表明：霧霾環境促進了絕緣子積污，其對絕緣子積污的影響主要體現在重力引起的霧霾顆粒濕沉降作用；而通過人工模擬霧霾積污試驗結果表明：霧霾顆粒粒徑越小，積污程度越大。相較于瓷絕緣子上表面，大顆粒霧霾更易附著在復合絕緣子上表面。環境相對濕度RH越大，絕緣子積污效果越明顯[8]。屠幼萍為了研究霧霾環境下自然積污絕緣子的污穢顆粒粒徑分布特性，在交流、直流電壓作用下和不施加電壓情況下對4類絕緣子進行霧霾環境下的自然積污，利用電子顯微鏡和圖像二值化處理軟件對絕緣子污穢顆粒的粒徑大小進行統計。統計結果表明，霧霾環境下自然積污絕緣子污穢顆粒的粒徑服從對數正態分布，90%的污穢顆粒粒徑<20 μm；交流、直流、不帶電3種情況下的污穢粒徑分布存在差異[9]。杜伯學采用超聲波鹽霧發生器模擬沿海地區環境，在直流電場條件下測試了鹽霧電導率對環氧樹脂絕緣子間隙絕緣特性的影響。實驗結果表明:鹽霧液滴在環氧樹脂表面的接觸角隨鹽霧電導率的增大而減小;放電起始電壓隨鹽霧電導率的增大而降低，隨絕緣間隙的增大而升高;絕緣破壞電壓隨鹽霧電導率的增大而降低，隨絕緣間隙的增大而升高[10]。賀博及陳邦發等在低風速下建立了硅橡膠絕緣材料沙粒沉積模型，并進行了沙粒在絕緣子表面沉積試驗，研究結果表明：沙粒流速和持續時間是影響沉積量的主要因素，在特定的流速和時長下，絕緣子表面沙粒沉積量存在最大值[11-13]。

以上研究大都是在自然風速的環境下開展，而高速列車實際運行速度較高，速度最高時可以達到100 m/s(350 km/h)，遠遠超過自然風速。在沙塵暴、動車組運行等絕緣子周圍氣流速度較高場合，氣流對絕緣子積污的影響起主導作用[14-15]。孫繼星等研究了高速氣流下絕緣子表面積污分布規律發現：絕緣子迎、背風面較側風面積污更嚴重，且主要分布在傘裙根部[16]；律方成仿真分析了不同粒徑下的絕緣子積污，表明粒徑對絕緣子積污有較為明顯的影響。當粒徑較小時，漩渦碰撞為污穢顆粒與絕緣子碰撞的主要方式，此時碰撞和沉積可能發生在迎風面和背風面；當粒徑較大時，慣性碰撞為污穢顆粒與絕緣子碰撞的主要方式，此時碰撞和沉積只發生在迎風面[17-18]。王耀振分析了高速氣流下沙粒在絕緣子表面上的受力和運動，認為高速氣流環境下需考慮已沉積沙粒在絕緣子表面的滑移運動并提出了相應的判據[19]。

圖1為運行在霧霾環境中的動車組高速列車和動車組列車車頂絕緣設備。

圖1 霧霾環境中運行的動車組列車

目前針對霧霾環境下絕緣子表面污穢沉積的研究，對象多為線路絕緣子、瓷絕緣子等。絕緣子表面污穢沉積的仿真模型只考慮了顆粒重力、氣流曳力以及顆粒和絕緣子表面的碰撞力，未考慮霧霾環境下霧水的黏附力對已沉積在絕緣子表面顆粒的作用，因此仿真結果僅適用于非霧霾或濕度較小和氣流速度較低的環境，而高速氣流霧霾環境中絕緣子表面積污情況與現有仿真模型所設置的條件不符，因此無法使用現有模型對高速列車運行過程中絕緣子積污情況進行研究。而在移動設備積污特性研究過程中，多為沙塵環境等干燥環境，未考慮水滴黏附力對車頂絕緣子積污特性的影響。采用仿真與試驗相結合的方法研究不同氣流速度下霧霾顆粒車頂絕緣子表面的沉積特性，為高速列車外絕緣積污、閃絡研究和設計提供參考依據。

1 積污理論分析

1.1 流體分析

根據流體力學相關理論，霧霾顆粒運動滿足流體運輸方程[20-22]。

(1)氣相連續性方程

(1)

式中,wF為流體密度；λg為空氣在兩相中所占的體積分數；vg為空氣速度矢量。

(2)固相連續性方程

(2)

式中，λs為固體顆粒在兩相中所占的體積數；vs為固體顆粒的速度矢量。

式(1)和式(2)是質量守恒定律的具體表達形式，即單位時間內流出和流入流體域的固相或氣相質量差與流體域內因該相密度變化而減少的質量相等。

1.2 受力分析

霧霾顆粒是否能沉積在絕緣子的表面與霧霾顆粒自身受力是否平衡有關。霧霾顆粒受到的力主要包括重力，氣流曳力，顆粒間的碰撞力以及顆粒與絕緣子表面間的摩擦力，同時霧霾環境下，絕緣子表面容易形成水膜，因此霧霾顆粒還會受到絕緣子表面水膜的黏附力，且任何材質的切向黏附力都與水膜直徑成正比[23]，其受力分析如圖2所示。其中，霧霾顆粒受到的氣流曳力fd，其方向與氣流的方向平行；FC為霧霾顆粒之間的毛細力，其大小與顆粒自身的尺寸有關；fad為霧霾環境下，絕緣子表面水膜形成的黏附力，h為絕緣介質表面水膜厚度。本文分析了霧霾顆粒在絕緣子表面的受力情況，并提出了高速氣流下霧霾顆粒在絕緣子表面沉積模型。

由文獻[24]可知，黏附力隨著相對濕度的升高而增大，水膜厚度h的計算公式為

(3)

式中，em為單分子層飽和吸附時的等效厚度；RH為相對濕度；CB為BET系數。

圖2 絕緣子表面霧霾顆粒受力分析

2 積污分布仿真

2.1 仿真樣品及模型設置

高速列車車頂絕緣子高度約為400 mm[25]，其外觀與尺寸如圖3所示。為模擬高速列車實際運行時，霧霾環境對車頂絕緣子積污情況的影響，并利用人工氣候室進行驗證，采用FQJG2—30/16型車頂絕緣子為試驗對象，對其進行霧霾顆粒沉積的仿真和試驗。為使仿真與試驗結果相互比較，仿真中絕緣子模型與人工氣候室中模擬霧霾環境試驗采用的絕緣子結構參數一致。其結構高度為400 mm，桿徑為80 mm，大傘和小傘傘徑分別為140 mm和120 mm。

圖3 車頂絕緣子模型尺寸參數(單位：mm)

霾粒子的分布比較均勻，而且灰霾粒子的尺度比較小，從0.001 μm到10 μm，平均直徑在1～2 μm，霧霾顆粒質量密度為1.397 g/cm3。針對高速氣流和霧霾環境下絕緣子霧霾顆粒沉積分布特性展開研究，在人工氣候室環境中模擬霧霾環境的情況下，仍需保證霧霾顆粒的受力與車頂絕緣子實際運行工況下相同。霧霾顆粒受到的重力和氣流曳力均與粒徑有關，霧霾顆粒與絕緣子表面的摩擦力與絕緣子材料相關，在仿真中采用的霧霾顆粒參數與人工氣候室中試驗參數相同。對于人工模擬霧霾環境和車頂絕緣子在實際霧霾環境中的運行工況而言，絕緣子表面霧霾顆粒沉積量會有一定差異，其分布具有相似性。

2.2 低速氣流下絕緣子污穢沉積分布仿真

本文用體積分數表征霧霾顆粒在絕緣子表面的分布和沉積程度。體積分數即絕緣子表面某處霧霾顆粒體積占該處空氣與霧霾顆?？傮w積的百分比，計算方法為

(4)

式中，Vs為同溫同壓下霧霾顆粒體積；Vg為同溫同壓下空氣體積。

體積分數可以體現絕緣子表面霧霾顆粒沉積分布的情況。霧霾顆粒所占體積分數與積污量具有正相關性，因此，絕緣子表面霧霾顆粒體積分數的大小可以反映車頂絕緣子表面的霧霾顆粒沉積量[26]。

由于氣流曳力與顆粒間碰撞力的影響不能忽略，同時在霧霾環境下，水滴黏附力的作用也會對顆粒的沉積造成影響。因此在不同氣流速度下，會導致霧霾顆粒在絕緣子表面的沉積分布有差異。選擇在10，15，20，25 m/s的風速下，分別對絕緣子表面沙粒沉積的分布進行仿真。不同氣流速度下車頂絕緣子表面霧霾顆粒沉積分布仿真試驗如圖4所示。

圖4 低速氣流下絕緣子表面霧霾顆粒沉積分布

從圖4可以看出，氣流速度為10 m/s時，絕緣子表面沙粒體積分數最大；隨著氣流速度的增加，絕緣子表面體積分數呈下降趨勢。霧霾環境下，水滴黏附力的作用對車頂絕緣子表面沙粒體積分數影響較大。

3 人工霧霾環境下絕緣子積污試驗

3.1 試驗平臺與方法

為驗證仿真結果的準確性，基于實驗室人工氣候室開展試驗，試驗平臺如圖5所示。

通過對霧霾顆?；瘜W組成分析，結果表面PM2.5的主要成分是SO42-、NO3-、NH4+、有機物、礦物質和碳元素[27-29]。選取(NH4)2SO4模擬霧霾中的可溶性鹽，以硅藻土模擬不可溶物，按(NH4)2SO4∶硅藻土=1∶6配置霧霾中的霾，0.5 g鹽，3 g不可溶物。以超聲波水霧發生器產生的水霧模擬霧霾環境中的霧。

圖5 人工氣候室

3.2 試驗結果與分析

圖6分別為試驗段風速為10，15，20，25 m/s時人工模擬霧霾環境下絕緣子迎風面霧霾顆粒沉積分布的試驗結果。由于低氣流環境下，水滴的黏附力導致霧霾顆粒幾乎不會滑移到背風面，因此只考慮迎風面的霧霾顆粒沉積情況。

圖6 不同風速下車頂絕緣子表面霧霾顆粒沉積試驗結果

從試驗結果可以看出，在低風速的情況下，隨著風速的增加，絕緣子表面霧霾顆粒沉積量呈減少的趨勢，同時由于霧霾環境下，環境濕度較大導致車頂絕緣子表面積污比非霧霾環境下更嚴重。

為方便對比仿真結果，圖7表示在低氣流速度下絕緣子表面沙粒沉積質量及體積分數隨風速的變化。

圖7 不同氣流速度下絕緣子表面霧霾顆粒沉積質量

從圖7可以看出，車頂絕緣子表面霧霾顆粒沉積質量與體積分數都呈下降趨勢，同時，在非霧霾環境下絕緣子表面霧霾顆粒沉積質量與體積分數均低于霧霾環境下絕緣子表面。這是由于霧霾環境下，環境濕度大，絕緣子表面更容易形成水膜，導致霧霾顆粒更容易粘附在車頂絕緣子表面。

3.3 高速氣流下絕緣子污穢沉積分布仿真

從圖8可以看出，當氣流速度大于30 m/s時，車頂絕緣子表面霧霾顆粒沉積質量明顯減少，當風速大于70 m/s時，此時車頂絕緣子表面幾乎沒有霧霾顆粒沉積。

圖8 高速氣流下絕緣子表面霧霾顆粒沉積分布

這是因為當氣流速度大于30 m/s時，絕緣子表面大量水滴被帶走，表面不容易形成水膜，此時氣流曳力起主導作用，且隨著氣流速度的增大氣流曳力遠大于絕緣子表面水膜黏附力，使得霧霾顆粒不容易沉積在絕緣子表面。

從圖9可以看出，黏附力對車頂絕緣子表面霧霾顆粒體積分數具有影響。在非霧霾環境下即不考慮黏附力作用時，污穢顆粒體積分數低于考慮黏附力作用時的污穢顆粒體積分數；隨著風速的增加，車頂絕緣表面霧霾顆粒的平均體積分數不斷減小。

圖9 不同風速下車頂絕緣子霧霾顆粒平均體積分數

動車組列車在實際運行時既有停止運行、低速運行、高速運行等工況，又有正反向運行等工況，因此列車車頂絕緣子污穢積累是多種工況復合作用的一個過程。本文主要研究了列車單向運行且固定風速時的車頂絕緣子積污特性，所提出的模型適用零風速(停止運行)，低速運行(≤25 m/s)，高速運行(>25 m/s)等工況，但對于多種復合工況下(如停車、低速、高速復合工況)，絕緣子積污將受到前一工況的影響，例如，在停車時(風速為零)，絕緣子積污為均勻沉降，絕緣子積污分布較為均勻，當列車運行后，由于受氣流影響，絕緣子迎風面、側風面及背風面污穢(先前沉積污穢)將受氣流影響而重新分布，呈現出側風面積污少而迎風面及背風面積污較多的規律，但當列車進一步提速后，由于氣流曳力增大，絕緣子整體積污量可能減少，迎風面與背風面的積污也將達到新的動態平衡。此外，當列車反向運行時，車頂絕緣子的迎風面與背風面互換，而側風面受列車正反向運行影響較??；單向運行時，車頂絕緣子表面的積污特性主要考慮固定氣流速度及方向下霧霾顆粒與絕緣子表面的相互作用，滑移、黏附等；當列車雙向運行時，列車反向運行后，絕緣子積污特性不僅是霧霾顆粒與絕緣子表面的相互作用，這時絕緣子表面已存在污穢，此時的積污特性變得更為復雜，應同時考慮空間污穢與表面污穢的相互作用，正反向運行時間，列車速度變化等多參量因素的綜合影響。因此，考慮多種復合工況下車頂絕緣子動態積污規律是進一步的重點研究工作。

4 結論

霧霾主要是由人類活動產生大量的污染物質在一定相對濕度的氣象條件下形成的，發生霧霾天氣時，霧沉降在絕緣子表面潤濕絕緣子表面污穢，是污閃的催化劑，霧霾天氣對高速列車車頂絕緣子的積污分布有顯著影響。

(1)低氣流速度時，霧霾顆粒在車頂絕緣子表面的沉積過程主要受到氣流曳力，霧霾顆粒自身重力，霧霾顆粒與絕緣子表面之間摩擦力，同時氣流速度較低時絕緣子表面更容易形成水膜，因此此時水滴黏附力會極大地影響霧霾顆粒在絕緣子表面的滑移，使霧霾顆粒更容易沉積在絕緣子表面。并且環境濕度越大，絕緣子表面積污越嚴重。

(2)高氣流速度時，此時車頂絕緣子表面大量水滴被氣流帶走，絕緣子表面不容易形成水膜，此時水滴黏附力的作用對車頂絕緣子表面霧霾顆粒沉積的影響減弱，隨著風速的不斷增高，氣流曳力不斷增大且遠大于水滴黏附力，車頂絕緣子表面霧霾顆粒沉積體積分數不斷減少，并且當氣流速度達到80 m/s時，車頂絕緣子表面幾乎沒有霧霾顆粒沉積。