宋 玮，贾 男，杨升杰，王小华

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003；2.国网绍兴供电公司，浙江绍兴312000）

0 引言

自2008年京津城际高速铁路开通以来，我国高铁发展呈现出指数增长，高铁已经成为推动我国经济发展的主要动力[1]。近几年的冬春季节，动车组在北京、河北及河南等地发生多起车顶高压外绝缘系统闪络事故，严重影响了旅客的出行。对于车顶高压系统闪络事故，动车制造、运营等相关部门的分析报告指出，闪络多集中在深夜至第二天黎明之间，闪络发生时动车组多处于进出车站的低速运行状态[2]。络主要发生在车顶受电弓绝缘子和高压隔离开关绝缘子沿面，以及高压连接导体对空气间隙之间。

车顶绝缘系统作为动车组的核心部分，在动车组高速运行时，车顶周围气流速度提高，这将会改变车顶绝缘子表面积污特性，影响车顶高压外绝缘系统的绝缘性能[3-7]。分析雾霾天气下车顶绝缘子表面积污分布规律，对绝缘子结构优化及防污闪工作具有重要意义。

目前国内外对绝缘子表面积污特性进行了大量研究，研究重点集中在输电线路绝缘子表面污秽分布规律、污秽成分及积污对闪络放电特性的影响等，但是对高速气流作用下绝缘子伞裙表面积污特性研究较少[8-11]。文献[12]在风洞实验室中，模拟了低速气流条件下电压极性对绝缘子表面积污特性的影响。文献[13]分析了污秽来源与污秽成分之间的关系和污闪电压与污秽成分之间的关系。文献[14-15]通过对深圳地区多处有代表性输电杆塔上进行带电与不带电复合绝缘子自然积污试验，研究了带电与否对绝缘子上下表面灰密及盐密的影响。

然而，以上研究主要是针对静态的输电线路绝缘子得到的绝缘子表面污秽分布规律。而对于动车组，运行时速200～300 km/h之间甚至更高，车顶绝缘子在高速气流作用下，表面流场分布比输电线路绝缘子复杂的多，其绝缘子表面积污特性也不同于输电线路绝缘子表面积污特性。因此，不能简单地将目前研究获得的绝缘子表面积污规律等直接引用。掌握严重雾霾天气条件下动车组车顶绝缘子表面积污规律，对研究车顶绝缘子污闪特性提供可靠的依据。论文以在网高速运行的动车组车顶高压隔离开关绝缘子为对象，在2013年12月底发生严重雾霾期间采集车顶绝缘子表面污秽，然后送往实验室对污液进行分析，研究结果可以为雾霾天气条件下车顶绝缘子防污闪提供参考。

1 试验试品及方法

1.1 试验试品

为研究在严重雾霾天气下在网运行动车组车顶绝缘子表面积污分布特性，在石家庄市动车检修所利用动车组夜间检修期间展开对绝缘子表面污秽采集工作。采样绝缘子主要结构参数见表1，其外形见图1。

表1 绝缘子结构参数Table 1 Parameters of insulators mm

图1 试品绝缘子结构Fig.1 Test insulator

1.2 等值盐密和灰密测量方法

为了减少动车组车顶绝缘子污秽闪络次数，自2012年冬季以来，动车组维护人员每天晚上对车顶绝缘子表面污秽进行擦拭，因此，本文所研究绝缘子表面自然积污为日污秽积累量。利用动车组入库停电检修期间，用蒸馏水清洗伞裙表面，清洗后水量减少量在6～10 ml之间，清洗完毕后，将污液使用专用实验塑料瓶封装编号，并送进实验室测试。

为全面分析雾霾天气下车顶绝缘子表面积污规律，试验采集了绝缘子各个大中伞裙上表面和下表面的污秽。按照GB/T4585规定，由污液电导率计算出等值附盐密度（equivalent salt deposit density，ESDD）；并根据IEC60815，分别测量伞裙上下表面的不溶物密度（non soluble deposit density，NSDD），测量流程见图2。

图2 灰密和盐密测量流程Fig.2 Flow of NSDD and ESDD measurement

实验中，干燥滤纸采用型号为DHG-9 140 A的干燥箱，干燥温度100℃，干燥时间25 min。每次干燥完成后，关闭干燥箱电源并静止1 min后进行测量，为尽量减少空气中湿度造成的误差，每次称重均在20 s内完成。并且每次称量按照伞裙编号固定放置滤纸位置，以减少测量顺序不同所造成滤纸中吸附水分差异所造成的误差。采用型号为AL204的精密电子称重，其精度0.1 mg。

2 试验结果及分析

2.1 污秽采集时的雾霾情况

构成雾霾的主要成分包括固体颗粒物PM2.5、PM10及CO、NO2和SO2等气体。其中，固体颗粒物PM2.5、PM10在高速气流作用下碰撞并可能粘附于绝缘子表面形成积污，NO2和SO2等气体溶于雾水中后通过复杂的化学反应生成硝酸及硫酸等增加雾水电导率。空气质量指数（air quality index，简称AQI）是空气中PM2.5、PM10及CO、NO2和SO2等含量的综合评价，AQI可以直接量化反应空气质量状况。AQI可以分为6个等级，见表2。表3为动车组运行期间经过主要大中城市空气质量监测数据，其中 PM2.5、PM10、NO2和 SO2的质量浓度单位为μg.m-3，CO的质量浓度单位为mg.m-3。由表3可知：PM2.5和PM10随AQI在空气中的含量变化趋势基本相同；而NO2和SO2随AQI在空气中的变化稍有随机性，可能是与当地化工厂酸性气体排放时间有关；污秽颗粒物PM10含量最高，是形成雾霾的重要原因。

表2 AQI分级标准Table 2 AQI grade scale

表3 动车所经主要城市空气质量监测数据Table 3 Monitoring data of air quality index of mian cities

从表3可看出，污秽采集期间，除武汉空气质量指数基本相同外，其他地区均为12月23日空气污染最严重，22日次之，26日空气污染最轻。

2.2 灰密、盐密测量结果及分析

动车组车顶高压隔离开关处由2个绝缘子“一”字排列。由于时间及条件限制，本试验中每次只采集了高压隔离开绝缘子的大号和中号伞裙表面的污秽样本，即从高压端起的1、3、5、7号伞裙。通过实验室内测量数据发现，同一车次2个绝缘子的等值盐密和灰密与平均值相比，相对差值均值10%以内，因此文中所用数据均为2个绝缘子的平均值。为分析方便，记12月22日数据为A，记12月23日数据为B，记12月26日数据为C。试验所得不同伞裙上下表面的等值灰密、盐密结果见图3和图4。

由图3可看出，除样本A和B的7号伞裙及样本C的5号伞裙下表面盐密大于上表面盐密外，其余伞裙的灰密和盐密均表现出上表面大于下表面的分布特性。图3中除样本B的1号伞裙和3号伞裙上表面积污量基本相同外，其余伞裙不管是上表面还是下表面都表现出3号伞裙的灰密最大，7号伞裙的灰密最小。

图3 不同伞裙等值灰密分布图Fig.3 NSDD distribution of different sheds

从图4可看出，样本A和C的最大等值盐密均出现在3号伞裙的上表面；样本B的1号伞裙上表面盐密最大，3号伞裙上表面稍低于1号伞裙。整体来看，盐密分布规律均表现出上表面大于下表面。从图中还可以看出，3个样本的盐密变化规律基本相同，而且样本B的对应伞裙盐密均大于样本A，样本A的对应伞裙盐密均大于样本C。但是观察图3和图4发现，3号伞裙较5号伞裙积污量差别明显较大，这可能与车顶绝缘子布置有关。

图4 不同伞裙等值盐密分布图Fig.4 ESDD distribution of different sheds

从等值灰密和盐密数值大小与伞裙序号之间的关系来看，最大值出现在中上伞裙或者上伞裙所在位置。由图3和图4可发现，样本数据B明显高于数据A，数据A稍高于数据C，结合表3中所采集数据动车组经过主要城市的空气质量综合参数可以看出，样本B对应的AQI指数明显高于样本A所对应的AQI指数，样本A所对应AQI指数略高于样本C所对应的AQI指数。等值灰密主要取决于固体颗粒物PM2.5、PM10的含量以及固体颗粒与绝缘子碰撞、吸附的过程，显然在相同的流场作用下，随着空气中固体颗粒物含量的增加，绝缘子表面的积污量也会呈现出增加趋势。空气中所含的NO2、SO2等酸性气体溶于雾水后，会增加雾水的电导率，从而直接影响绝缘子表面的盐密，整体分析表3中数据可发现，动车组所经地区23日空气中所含NO2、SO2最多，26日空气中含量最少，这与所对应样本数据是相符的。动车组车顶绝缘子表面积污同AQI指数所呈现出的变化趋势是一致的。

动车组在运行过程中，最高运行速率可达300km/h，1号伞裙距离高压导杆75 mm，7号伞裙距离固定底座仅70 mm。由于车顶表面其他高压设备对高速气流作用下的固体颗粒具有一定的阻碍作用，固体颗粒和中下部伞裙碰撞并粘附于绝缘子表面的概率要小于中上部伞裙。对于中上部伞裙，由于没有障碍物的屏蔽作用，其与高速气流的作用面积增加，并且相邻序号伞裙的下表面和上表面之间间距仅为20 mm，密集分布的伞裙使固体颗粒同绝缘子表面碰撞后，更容易受力达到平衡状态从而粘附于绝缘子表面。

2.3 绝缘子上下表面污秽分布不均匀度

为研究在网运行动车组车顶绝缘子伞裙上下表面污秽不均匀度，分别定义等值灰密不均匀系数λNSDD，等值盐密不均匀系数λESDD：

式中：ρNSDD上、ρNSDD下分别为绝缘子上下表面的等值灰密；ρESDD上、ρESDD下分别为绝缘子上下表面等值盐密。

从图5和图6中绝缘子伞裙上下表面灰密和盐密分布不均匀度系数可以看出，灰密不均匀度比值在1.03～1.76之间，盐密不均匀度比值在0.72～1.82之间，除7号伞裙外，整体上表现出绝缘子伞裙上表面大于下表面的规律。而电力系统常用的玻璃、瓷等材料绝缘子则表现出下表面积污多于上表面的现象，这与绝缘子的伞裙结构及周围空气流速等密切相关。绝缘子表面的积污量主要受空气中固体颗粒与伞裙表面的碰撞及吸附过程影响，试验所采集动车组高压隔离开关绝缘子上表面有一定的倾角，下表面几乎没有倾角，一定的倾角使伞裙上表面与高速气流下空气中的固体颗粒物质碰撞几率增大，并且考虑重力作用，污秽物质更容易在绝缘子上表面沉积。

图5 伞裙上下表面灰密不均匀度Fig.5 The NSDD irregularity of the upper and lower insulator surfaces

图6 伞裙上下表面盐密不均匀度Fig.6 The ESDD irregularity of the upper and lower insulator surfaces

3 结论

1）从上到下随着绝缘子伞裙序号的增加，其表面积污量分布基本呈现出先上升后下降的趋势，NSDD和ESDD最大值基本出现在中上部的3号伞裙，在严重雾霾天气下其最大值分别为60μg/cm2、17μg/cm2。

2）除最底端的7号伞裙表面ESDD下表面大于上表面外，其余伞裙表面NSDD和ESDD均表现出上表面大于下表面。污秽不均匀度的最大值为1.82。

3）绝缘子伞裙表面NSDD和ESDD与空气质量指数AQI呈正相关。不同AQI条件下伞裙表面积污变化趋于一致。且AQI对绝缘子表面ESDD的影响明显强于其对NSDD的影响。

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