基于COMSOL 的电气化铁路接触网绝缘子电场分布仿真研究*

陈 情 王国志

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

1 引言

近年来随着我国工业水平的快速发展，空气中雾霾颗粒的含量逐渐增多，颗粒黏附在接触网绝缘子表面引发污闪事件的发生，导致铁路牵引供电发生故障，绝缘子污闪事件受到人们的广泛重视［1～3］。当空气质量较差时，空气中的灰尘颗粒会黏附在接触网的绝缘子上面从而形成污秽层，污秽层在潮湿的环境当中湿润，就会形成导电层，以致降低绝缘子的电气特性，这时绝缘子在过电压条件下发生污秽闪络的可能性就会大大增加，甚至绝缘子在正常的工作条件下发生污秽闪络，使得整个铁路牵引供电系统瘫痪，给铁路机车的运行造成极大的困难［4～5］。

空气中的雾霾颗粒大部分是带有电荷的［6］，因此在绝缘子外部电场作用下，会给带电颗粒在绝缘子表面的沉积带来很大的影响［7～9］。空气中的带电颗粒主要受到流体曳力、电场力和重力的影响［10～12］。当空气流动速度较大时，流体曳力对灰尘颗粒起主导作用，除去流体曳力外，绝缘子的电场力也对带电颗粒在绝缘子表面的沉积有一定的影响，与绝缘子伞裙表面垂直的电场力会促进带电颗粒在绝缘子表面的沉积［13～15］。

结合现有研究成果［16～17］，文中主要分析了QBN-25 型号接触网棒形绝缘子在工频单相交流电下的电场和电位分布，可以得到绝缘子电位和电场的分布特性，进而分析电场对绝缘子的积污特性的影响，为绝缘子的灰尘颗粒的冲洗提供一定的参考。

2 绝缘子电场分布的计算原理

描述静电场的方程如下：

式中，S为静电场中指定曲面；V 为空间大小；D 为电通量密度；ρ为电荷体密度；l为静电场中指定曲线；E为电场强度。

用微分方程表达如下：

式中，ex、ey、ez分别空间坐标系三个方向的单位矢量。

电场与介质的关系如下：

式中，εr和ε0分别为相对介电常数和真空介电常数；ε为煤质的介电常数。

电场强度计算公式如下：

式中，φ表示静电场的电位。将式（3）和式（4）代入式（2）中，可以得到

2.2.1 头季稻产量比较 对照黄华占头季稻产量为9 929.28 kg／hm2，居第七位。比对照增产的品种有6个，产量由高到低依次是天两优953、黄科香2号、黄广油占、两优33、泰优2806、甬优4949，其中天两优 953 产量最高，为 11 597.53 kg／hm2，比对照增产16.8%；金优 38 产量最低，为 9 764.03 kg／hm2，比对照减产 1.66%。

对于均匀煤质，可得

当ρ=0 时，则有 ∇2φ=0。

3 接触网绝缘子仿真模型的建立

接触网绝缘子是电气化铁路中保持电气绝缘的部件，在整个接触网的绝缘设备中占了非常重要的地位。如图1 所示，绝缘子有两种安装形式，水平式安装和倾斜式安装，起到电气绝缘和支撑接触网电缆连接的作用。

图1 接触网腕臂用棒形瓷绝缘子实物图

查阅相关资料［20］，可知铁路接触网为QBN-25型号腕臂用棒形瓷绝缘子，为了便于仿真分析，将其模型简化，如图2 所示。QBN-25 型主要的参数如表1 所示。为了提高接触网的供电电压水平，常常将接触网绝缘子的提高到27.5kV。为了便于表达，文中将从低压到高压的第1、2、…、9 个伞裙分别定义为1、2、…、9号伞。

图2 QBN-25型号绝缘子结构简图

表1 QBN-25型号绝缘子主要参数

在三维软件中建造绝缘子的简化模型，将绘制的模型保存为txt 格式文件，导入COMSOL Multiphysics中，仿真时所需参数如表2 所示。在绝缘子高压端加载接触网的交流电压27.5kV，低压端连接零电位。

表2 电场计算模型的基本参数

4 仿真及结果分析

4.1 绝缘子电位分布

将绝缘子模型导入COMSOL Multiphysics 后，先对仿真的参数进行设置，然后进行网格划分，将计算结果进行可视化处理，得到绝缘子的等位线分布如图3 所示，绝缘子的电位从高压端到低压端逐渐递减，并且越靠近绝缘子两端金具区域，绝缘子沿面的等位线密度比较大，两端递减梯度比较大，而中间递减的梯度较小，造成这样结果的原因是两端金具的介电常数较大，中间陶瓷成分的介电常数较小。

图3 绝缘子等位线分布仿真截图

静电场中点电荷的电场计算公式如下：

式中，q 为点电荷的电荷量；r 为场点与点电荷的距离；er为电场方向的单位矢量。由上式结合式（3）可以得到接触网绝缘子在在高压端和低压端电位落差较大。

绝缘子伞裙沿面的电位分布从低压端到高压端逐渐增大，沿面单位分布如图4 所示。受到绝缘子伞裙表面结构的影响，绝缘子沿面电位在上升的同时会有局部下降的趋势。绝缘子各个伞裙的电压占比分别为15.31%、11.40%、9.03%、7.78%、7.28%、7.32%、9.14%、10.84%、14.06%。因为金具两端电荷的影响，绝缘子两端电位变化趋势较快，距离绝缘两端较近的伞裙承受的电压比远离绝缘子两端的伞裙承受的电压高。

图4 绝缘子沿面电位分布

4.2 绝缘子电场分布

由于绝缘子一端加载电压，另一端接地，所以接触网绝缘子的电场线都从加载电压的一端发出，最终在绝缘子的接地端汇聚。绝缘子两端的电场线较为密集，同样说明绝缘子两端的电场强度较高，仿真计算得到的绝缘子电场分布云图如图5 所示。

图5 绝缘子电场分布云图

为了便于比较绝缘子表面的电场强度，计算了其沿面电场强度的大小。如图6 所示，绝缘子沿面电场靠近金具两端较高，远离两端的位置电场强度较小，总体呈现非对称“U”行分布。同样受到绝缘子表面复杂曲面的影响，其电场强度并不是严格的单调递减后再递增，而是在局部位置会有上升或者下降的趋势。同时可以看出绝缘子金具表面附近的电场强度比其他位置都要高。

图6 绝缘子沿面电场强度大小

4.3 单个伞裙的电位和电场分布

从图3 和图5 可以看出，单个绝缘子伞裙的电位和电场具有相似性，而且越靠近中间的伞裙相似度越高，文中对处于中间位置的4～6 号伞裙进行分析，图7为5号伞裙表面点截图。

图7 5号伞裙表面关键点位置图

本文以中间三个伞裙为例，详细分析了接触网绝缘子单个伞裙的电位和电场分布特征。图8～10分别为接触网绝缘子4～6 号伞裙对应的电位分布曲线，图11～13 为接触网绝缘子4～6 号伞裙电场强度曲线。由图中可以看出绝缘子中间位置各等位线近似平行，而且它们的间距相近，从而造成了4～6 号伞裙的电位图曲线比较相似。在电位上升的过程中会出现局部的下降趋势，这种趋势与绝缘子的表面伞裙的复杂形状有关。

由图5 所示，电场线从绝缘子高压端为源出发，汇聚于低压端，绝缘子中间位置电场线疏密程度相似，因此造成单个伞裙电场曲线较为相似。绝缘子电场在绝缘子中间位置最小，同时绝缘子电场在上升或者下降的过程中会出现局部反向变化的趋势，伞裙上表面与柱体连接处电场强度较大，伞裙边缘电场强度较小，这样会造成绝缘子上表面与主柱体交界处更容易产生局部电弧。

图8 4号伞裙电位分布

图9 5号伞裙电位分布

图10 6号伞裙电位分布

图11 4号伞裙电场分布

借助COMSOL Multiphysics 软件，得到了接触网绝缘子的电场电位分布。为了验证仿真结果的正确性，将得到的接触网绝缘子电场和电位分布规律同实验结果对比，可以看出通过仿真得到电场和电位分布规律与通过实验数据得出的规律在大体上相似，但是也存在一些不可避免的误差。因此可以说明本文选择的计算方法是合理的，得到的结果也是在误差允许范围之内的。

图12 5号伞裙电场分布

图13 6号伞裙电场分布

5 结语

1）绝缘子两端加载电压为50Hz工频单相交流电，在短时间内认为电压时不变的，故文中将绝缘子电场视为静电场处理。

2）绝缘子的电位分布从高压端至低压端逐渐递减，但是受到绝缘子伞裙表面复杂外形的影响，局部位置出现电位上升的现象。

3）绝缘子的电场强度分布总体呈现“U”形分布，由于接触网绝缘子两端金属的存在，导致产生电荷，使得金具两端的电场强度最高，同时受绝缘子伞裙表面复杂外形的影响，其电场会出现局部波动。

4）单个伞裙的电位和电场部分具有相似性，且越靠近绝缘子中间位置，相似度越高。