何廷豹

0 引言

當(dāng)前我國(guó)電氣化鐵路采用鋼柱或鋼筋混凝土支柱懸掛接觸網(wǎng)腕臂及絕緣子的形式，該形式腕臂裝置及絕緣子檢修工作量大，運(yùn)維成本高，且絕緣子在重污、鹽霧等環(huán)境中容易發(fā)生污閃，造成停電事故[1-3]。文獻(xiàn)[4-6]介紹了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣性能強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域，如將其應(yīng)用于接觸網(wǎng)腕臂中，可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低施工安裝難度，同時(shí)可減少絕緣子等懸掛零件的數(shù)量，大大減輕接觸網(wǎng)檢修維護(hù)工作量。本文研究復(fù)合材料在接觸網(wǎng)腕臂中的應(yīng)用前景及優(yōu)勢(shì)。

1 腕臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)行電氣化鐵路接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)將金屬腕臂和絕緣子合二為一，均采用絕緣材料，具體如圖1所示，包括由絕緣材料制成的平腕臂、斜腕臂、腕臂支撐、定位管、定位管支撐、定位器、定位器底座。平腕臂和斜腕臂一端固定于金屬承力索座，另一端固定于支柱，并采用腕臂支撐管進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；定位管與斜腕臂通過金屬構(gòu)件連接，另一端與定位管支撐通過金屬構(gòu)件連接，定位管支撐的另一端固定于承力索座，定位器安裝于定位管上。

圖1 腕臂結(jié)構(gòu)

2 主要性能試驗(yàn)

由于接觸網(wǎng)設(shè)備位于線路上方且無(wú)備用，其發(fā)生故障將直接影響電力機(jī)車的運(yùn)行，采用的復(fù)合材料需具備延伸能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。絕緣材料一般由基體、增強(qiáng)纖維和輔助材料三部分組成。常見的基體有環(huán)氧樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂等，其中樹脂基體具有良好的絕緣性能，兼具較強(qiáng)的耐腐蝕性。增強(qiáng)纖維使絕緣材料具有良好的力學(xué)特性，國(guó)內(nèi)常用的增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等[7]。結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研情況，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料更適合作為接觸網(wǎng)腕臂裝置絕緣材料的增強(qiáng)纖維，本文選擇玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料展開接觸網(wǎng)腕臂的設(shè)計(jì)。結(jié)合接觸網(wǎng)腕臂的實(shí)際工況，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)試了絕緣材料的基本物理性能、電氣性能及機(jī)械性能。具體試驗(yàn)項(xiàng)目及測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 絕緣材料性能試驗(yàn)項(xiàng)目及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以得到該絕緣材料具有如下特點(diǎn)：強(qiáng)度高、密度小，相較于傳統(tǒng)金屬腕臂，其具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)；具有較高的體積電阻率、較低的介質(zhì)損耗因數(shù)及泄漏電流，絕緣性能優(yōu)良，用于接觸網(wǎng)腕臂可提高絕緣爬電距離及絕緣間隙距離。

3 腕臂電場(chǎng)特性分析

過度集中的電場(chǎng)強(qiáng)度及不均勻的電位分布是局部放電乃至產(chǎn)生電弧的根源[8-11]，會(huì)縮短腕臂使用壽命，因此需要對(duì)絕緣材料腕臂的電場(chǎng)分布特性進(jìn)行研究。本文利用COMSOL Multiphysics 多物理場(chǎng)仿真軟件，基于絕緣材料腕臂實(shí)際安裝形式下的電磁環(huán)境，建立三維計(jì)算模型計(jì)算分析腕臂的電位數(shù)值及電場(chǎng)分布。

3.1 計(jì)算原理

3.1.1 電位計(jì)算

由于絕緣材料腕臂長(zhǎng)期工作在工頻50 Hz 交流電壓下，電壓隨時(shí)間變化緩慢，極間的絕緣距離比相應(yīng)電磁波的波長(zhǎng)（6 000 km）小得多，故對(duì)于復(fù)合材料腕臂，其在工頻交流電壓下任一瞬間的電場(chǎng)可以近似認(rèn)為是穩(wěn)定的，可按靜電場(chǎng)來(lái)分析[12]，靜電場(chǎng)中電位?的拉普拉斯方程表示為

邊界條件如下：

式中：S1為強(qiáng)加電位面；S2為第二類邊界面；S3為電位懸浮導(dǎo)體面；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；U0為強(qiáng)加電位面S1上給定的電位函數(shù)；Fφ 為懸浮導(dǎo)體上的待求電位；r為從源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的徑向距離，即從電荷或電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的中心到觀察點(diǎn)的距離；z為從源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的軸向距離，即從電荷或電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的軸線到觀察點(diǎn)的距離；n為一個(gè)整數(shù)，表示電勢(shì)函數(shù)的角向模式，即電勢(shì)函數(shù)在極坐標(biāo)系下的角度變化形式。

電位在不同介質(zhì)交界面上滿足：

3.1.2 電暈起始場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

空氣濕度對(duì)電暈放電的影響較為顯著，空氣濕度較高時(shí)，水分子附著在電極表面，使局部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增大[13]，電子運(yùn)動(dòng)過程中獲得的能量増強(qiáng)，導(dǎo)致電暈電流升高，電暈起始電壓降低[14]。接觸網(wǎng)腕臂裝置服役環(huán)境復(fù)雜，特別在高濕度地區(qū)，腕臂外表面局部場(chǎng)強(qiáng)和電暈起始場(chǎng)強(qiáng)會(huì)受到較大影響。為確保絕緣材料腕臂在高濕環(huán)境下的可靠性，對(duì)絕緣材料腕臂外表面最大場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行分析計(jì)算。

導(dǎo)體電暈起始場(chǎng)強(qiáng)與導(dǎo)體表面粗糙度成線性關(guān)系[15]，即

式中：Eoneset(m)和Eoneset(m= 1)分別為導(dǎo)體在不同表面粗糙度下和光滑情形下的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)。假定飽和濕空氣中導(dǎo)體表面不凝結(jié)水滴的情況下，水分子吸附導(dǎo)體表面形成水分子膜對(duì)導(dǎo)體的粗糙度無(wú)影響，則有

式（10）為正極性導(dǎo)體考慮了空氣濕度修正的計(jì)算式，式中：δ為空氣相對(duì)密度；m為表面粗糙度；r0為導(dǎo)體半徑；H為相對(duì)濕度；P為氣體壓強(qiáng)；PW為飽和水蒸氣分壓。絕緣桿表面會(huì)吸附水分，使表面粗糙，從而使電暈起始場(chǎng)強(qiáng)降低。

在絕緣材料腕臂模型中，定位管內(nèi)槽半徑r0=3 cm，空氣相對(duì)密度δ= 1。假設(shè)實(shí)際使用環(huán)境在海底隧道中，空氣相對(duì)濕度較高，H= 80%，考慮水滴對(duì)腕臂表面粗糙度的影響，m=75%，飽和水蒸氣分壓PW= 611×107.5t/(273+t)Pa，t= 16 ℃。最終得到復(fù)合材料腕臂定位管的起暈場(chǎng)強(qiáng)Eonesetp=28.177 kV/cm。

由于在實(shí)際安裝加工中，金屬連接件與復(fù)合絕緣桿之間不能保證完全緊密貼合，局部常常有細(xì)小縫隙導(dǎo)致局部放電，且腕臂結(jié)構(gòu)中存在曲率半徑大于3 cm 的部位，在高濕環(huán)境中當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于Eonesetp的情況下就會(huì)產(chǎn)生局部起暈。因此將整個(gè)腕臂外表面的最大場(chǎng)強(qiáng)Emax設(shè)定為18 kV/cm。

3.2 仿真模型

由于絕緣材料腕臂結(jié)構(gòu)不具備軸對(duì)稱性，利用SYS 軟件建立接觸網(wǎng)腕臂三維模型，采用COMSOL 進(jìn)行三維-靜電場(chǎng)-穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分析。為兼顧剖分精度和計(jì)算時(shí)間，根據(jù)剖分密度和剖分方法將腕臂和空氣域剖分為兩部分，依據(jù)建立的模型對(duì)賦予了介電常數(shù)參數(shù)的各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，絕緣材料腕臂采用自由四面體網(wǎng)格剖分；對(duì)除絕緣材料腕臂外的空氣域采用自由四面體網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分可視化結(jié)果見圖2。模型邊界條件設(shè)定為：空氣域外表面、接觸網(wǎng)支柱、大地等與帶電體不直接關(guān)聯(lián)的物質(zhì)，其電壓標(biāo)定為0 V；高壓端接觸線設(shè)為絕緣材料腕臂工頻運(yùn)行電壓的峰值標(biāo)定為41.012 kV。

圖2 網(wǎng)格剖分可視化結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，仿真結(jié)果如圖3 所示。結(jié)果表明，腕臂高電勢(shì)主要集中在金屬電極附近，離金屬電極越近，電勢(shì)越高。金屬連接構(gòu)件為等勢(shì)體，其形狀會(huì)影響整個(gè)腕臂的電位分布。金屬連接件與絕緣材料絕緣桿的相交處電勢(shì)變化迅速，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，整個(gè)腕臂外表面的場(chǎng)強(qiáng)一般小于5 kV/cm，但由于絕緣材料定位管、絕緣材料定位器、金屬連接件及空氣域的相接處曲率半徑大，造成場(chǎng)強(qiáng)過大，外表面最大場(chǎng)強(qiáng)為22.1 kV/cm，超過外表面最大場(chǎng)強(qiáng)預(yù)期閾值（18 kV/cm）。

圖3 絕緣材料腕臂電場(chǎng)分布云圖

4 腕臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于絕緣材料腕臂定位器與定位管的連接處局部場(chǎng)強(qiáng)大于預(yù)期閾值18 kV/cm，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，采取添加均壓罩的方法對(duì)電場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 均壓罩設(shè)計(jì)

由于腕臂的正、反定位結(jié)構(gòu)不同，在均壓罩的設(shè)計(jì)上應(yīng)有所不同，正定位結(jié)構(gòu)的均壓罩可設(shè)計(jì)為直徑150 mm、厚度1.5 mm 的金屬球殼，確保包裹住定位器與定位管的連接處。優(yōu)化后的正定位結(jié)構(gòu)局部視圖見圖4。

圖4 優(yōu)化后的正定位結(jié)構(gòu)局部視圖

反定位結(jié)構(gòu)由于定位器與右端的金屬連接件距離較近，球殼狀的均壓罩會(huì)使右端的金屬連接件處電壓抬升，進(jìn)而提高金屬連接件與定位管連接處的電場(chǎng)強(qiáng)度，在實(shí)際中可使用直徑110 mm、長(zhǎng)度80 mm、厚度1.5 mm 的金屬圓柱殼型均壓罩。優(yōu)化后的反定位結(jié)構(gòu)局部視圖見圖5。

圖5 優(yōu)化后的反定位結(jié)構(gòu)局部視圖

4.2 優(yōu)化后的腕臂電場(chǎng)分布

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型再次仿真，電位分布和電場(chǎng)強(qiáng)度如圖6 所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的支撐裝置正、反定位的外表面電場(chǎng)強(qiáng)度相較于優(yōu)化前均有所下降，整個(gè)外表面最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在定位線夾的外表面，為14.4 kV/cm，小于外表面最大場(chǎng)強(qiáng)預(yù)期閾值（18 kV/cm）。

圖6 優(yōu)化后的絕緣材料腕臂電場(chǎng)分布云圖

5 結(jié)論

通過對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)絕緣材料腕臂開展試驗(yàn)測(cè)試及仿真優(yōu)化，論證了將絕緣材料應(yīng)用于接觸網(wǎng)腕臂的可行性，并給出了絕緣材料腕臂的設(shè)計(jì)思路，主要結(jié)論如下：

（1）玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂絕緣材料具有良好的機(jī)械性能及電氣性能。相較傳統(tǒng)金屬腕臂，該腕臂具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、絕緣性能好等優(yōu)勢(shì)。

（2）在絕緣材料腕臂的結(jié)構(gòu)中，由于絕緣材料本身絕緣性能較好，金屬連接件和絕緣材料絕緣桿的相交處電勢(shì)明顯升高，離接觸網(wǎng)高壓端金屬電極越近，其電勢(shì)越高。

（3）通過設(shè)置均壓罩可以有效改善整個(gè)腕臂的電位及電場(chǎng)分布，降低金屬連接件和絕緣材料絕緣桿連接處的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低出現(xiàn)局部放電、電弧的風(fēng)險(xiǎn)，提高絕緣材料腕臂的可靠性。