電力機車車頂高壓設備防護的優化分析

楊 超，康明明，朱穎謀，陳揚帆

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

電力機車具有高效率、無污染、噪聲小等眾多優勢，當前，大功率交流傳動電力機車成為干線貨運和快速客運牽引的主力，電力機車保有量占國內機車保有總量的64%。電力機車的核心在“電”，電力機車的運行依靠受電弓從接觸網獲取的高壓電作為動力源，依次經過避雷器、高壓電纜總成等高壓設備組成的網側電路后進入機車各個電氣部件。車頂高壓設備是電力機車獲取能量的第一步，因此電力機車車頂高壓設備的質量將直接影響機車運行的品質。目前，電力機車車頂高壓設備主要包括受電弓、避雷器和高壓電纜總成等高壓設備，具體如圖1所示。

圖1 電力機車車頂高壓設備

1 問題提出

電力機車頂部高壓設備布置在車外，工作環境較為復雜。目前，廣泛應用于避雷器、高壓電纜總成等高壓設備的防護方案是在高壓設備與機車車頂的安裝座之間包裹一層絕緣護套。一是可以增加爬電距離，提高安全性；二是可以有效防護空氣中的污染物對安裝部位的侵蝕。絕緣護套根據設備與安裝座之間的形狀進行設計制造，并包裹在連接部位，如高壓電纜總成絕緣護套(見圖2)。

在長期運行過程中，既有的絕緣護套防護方式存在以下不足：絕緣護套是橡膠材質，材質柔軟，橡膠護套下沿在有外力拉動護套的情況下，存在貼合不嚴的情況，護套受力點與部件距離可達20 mm；在機車運行時，絕緣套會受到走行風的壓力作用，使得橡膠護套下沿存在貼合不嚴、存在間隙，空氣中的污染物也隨氣流進入絕緣護套內部堆積。隨著污染物的堆積，如果維護不及時，可能產生避雷器和高壓電纜總成等高壓設備故障，因此需要對電力機車車頂高壓設備的絕緣防護套進行升級。

圖2 高壓電纜總成下線套管及其絕緣護套

2 優化方案

高壓部件的絕緣護套采用“包裹”似的安裝方式，即高壓設備與車頂安裝座連接緊固以后，將絕緣護套覆蓋在安裝部位處。原有方案是絕緣護套覆蓋后，直接擰緊絕緣護套緊固面的螺栓，其他無特殊處理，因此，絕緣護套在機車運行過程中會產生間隙。圖3為既有絕緣護套和安裝效果。

基于前文分析，絕緣護套在機車運行過程中受到走行風的壓力作用，使得橡膠護套下沿貼合不嚴。因此優化方案圍繞將絕緣護套和車頂固定在一起的方式進行。一是絕緣護套的底部(與機車頂蓋接觸部位)增加翻邊，增加絕緣護套底部和車頂的接觸面；二是絕緣護套覆蓋安裝部位后，使用專用膠水將絕緣護套的翻邊與頂蓋粘接在一起；三是為避免絕緣護套內部積水，在底部留排水孔。圖4為優化后的絕緣護套和安裝效果。

圖3 既有絕緣護套和安裝效果

圖4 優化后的絕緣護套和安裝效果

3 仿真驗證

為檢驗優化方案對改善絕緣護套內部流場的效果，基于ANSYS系列軟件對機車車頂的高壓電纜總成、避雷器等設備的絕緣護套在優化前后的流場進行仿真分析。

3.1 計算工況

仿真基于車頂3個典型的高壓部件絕緣套是否進風開展仿真分析，仿真計算分為橡膠護套下沿存在貼合不嚴和絕緣套下部粘接貼合嚴實且留有排水孔2種情況，每種情況計算4個速度等級，匯總后的仿真工況參數如表1所示。

表1 仿真計算工況

3.2 模型簡化和幾何建模

高壓部件橡膠護套下沿在有外力拉動護套的情況下，存在貼合不嚴的情況時，護套受力點與部件距離可達20～30 mm。在機車運行時，絕緣套會受到走行風的壓力作用，使得橡膠護套下沿貼合不嚴實，但是由于走行風作用力有限，根據分析后對橡膠護套下沿貼合不嚴實時的間隙初步估計為20 mm，相應的絕緣套內部各個接觸面也會由于變形也會與高壓部件存在不同程度的貼合不嚴實，經分析后給定間隙2～5 mm，間隙大小以離下沿的距離增加而遞減。高壓部件橡膠護套與部件貼合情況幾何模型如圖5所示。

圖5 高壓部件橡膠護套與部件貼合情況幾何模型圖

3.3 計算模型

仿真計算時，需要把高壓部件及其橡膠護套放在車頂外流場的空氣域中考慮，分析在列車運行時空氣從絕緣套下沿進入絕緣套與部件之間的間隙情況。因此，仿真建模時，只需要考慮空氣域即可，根據需要計算各部件的尺寸，給定外流場空氣域的尺寸為1 000 mm×600 mm×1 000 mm(高壓總成A為傾斜安裝，其高度為800 mm)，建模時將部件和絕緣套所占空間掏空，留下空氣域即為計算域，如圖6所示。

圖6 高壓部件橡膠護套進風仿真計算域

為了實現數值計算，對計算域進行離散化處理，網格總體示意圖如圖7所示，其中避雷器計算網格約600萬，高壓總成A網格約900萬，高壓總成B計算網格800萬。采用ANSYS系列軟件進行前后處理，利用湍流模型，運用基于有限體積法的商用計算流體動力學軟件進行計算。

3.4 邊界條件設置

由于設備安裝在車頂開放區域，在選取足夠大的計算域情況下，可以將列車前進方向的面設置為速度入口，車尾方向設置為壓力出口，側面和頂面設置為對稱邊界，模型底面也就是車頂蓋面設置為壁面。正常情況下，列車運行時車頂處不同位置的列車走行風會存在一定的差異，但是考慮到計算一致性，此處計算時，模型的入口速度假設為與列車運行速度一致。

圖7 網格示意圖

3.5 計算結果與分析

根據表1仿真計算的6種工況進行計算，結合目前客運機車最高運營速度為160 km/h的實際，重點分析在時速160 km/h下6種工況的仿真計算結果。

3.5.1 避雷器運行時速160 km/h縫隙進風詳細情況

如圖8所示，在列車運行時，由于走行風影響，絕緣套迎風面有較大的壓力，壓強值可達1 800 Pa以上，而在背風面則形成了負壓區。在負壓區的作用下，絕緣套下沿未粘接時絕緣套與部件之間間隙進風明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說明間隙中進風的情況。

圖8 時速160 km/h避雷器絕緣套下沿未粘接時的縫隙進風結果圖

如圖9所示，從整體外部流場粘接和未粘接的流場特性基本一致，但是在縫隙內部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進風情況明顯減弱，內部大部分區域的風速都小于0.8 m/s，所以能有效抑制縫隙進風的情況。

圖9 時速160 km/h絕緣套下沿粘接時的縫隙進風結果圖

3.5.2 高壓電纜總成A絕緣護套運行時速160 km/h縫隙進風情況

如圖10所示，在列車運行時，由于走行風影響，絕緣套迎風面有較大的壓力，壓強值也是1 800 Pa左右，而在背風面則形成了負壓區。在負壓區的作用下，絕緣套下沿未粘接時絕緣套與部件之間間隙進風明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說明間隙中進風的情況。

圖10 時速160 km/h絕緣套下沿未粘接時的縫隙進風結果圖

如圖11所示，從整體外部流場分析粘接和未粘接流場特性基本一致，但是在縫隙內部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進風情況明顯減弱，由于有排水孔進風的影響，在排水孔附近有一定的進風，內部大部分區域的風速都小于0.8 m/s。

圖11 時速160 km/h絕緣套下沿粘接時的縫隙進風結果圖

3.5.3 高壓電纜總成B絕緣護套運行時速160 km/h縫隙進風情況

如圖12所示，在列車運行時，由于走行風影響，絕緣套迎風面有較大的壓力，壓強值仍是1 800 Pa左右，而在背風面則形成了負壓區。在負壓區的作用下，絕緣套下沿未粘接時絕緣套與部件之間間隙進風明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說明間隙中進風的情況。

圖12 時速160 km/h絕緣套下沿未粘接時的縫隙進風結果圖

如圖13所示，從整體外部流場分析粘接和未粘接流場特性基本一致，但是在縫隙內部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進風情況明顯減弱，內部大部分區域的風速都小于0.8 m/s，所以能有效抑制縫隙進風的情況。

圖13 時速160 km/h絕緣套下沿粘接時的縫隙進風結果圖

4 結論

1)針對避雷器、高壓電纜A總成、高壓電纜B總成等3個部件，在絕緣套受到外力作用后與部件本身存在貼合不嚴實情況時，如果下方貼合不嚴實存在20 mm的縫隙時，絕緣套與部件間間隙進風明顯，內部間隙之間氣流流動明顯，并且內部間隙氣流速度會隨著列車運行速度增大而增大。

2)針對避雷器、高壓電纜A總成、高壓電纜B總成等3個部件，在絕緣套下沿粘接和只留排水孔時，仿真分析后，部件與絕緣套間隙氣流流動相比未粘接時明顯減弱，間隙上部出口處存在氣流速度，但是作用區域并不大，且相比未粘接時該處的氣流速度有所減小，所以絕緣套下沿粘接后對抑制部件與絕緣套之間間隙進風效果較好。

因此，后續電力車頂高壓設備的絕緣護套選型可按優化方案進行。