高海拔高速运行高铁车顶绝缘子风压分布及海拔修正

车顶绝缘子是高铁动车组列车重要的组成部件,高海拔地区运行中车顶绝缘子在高速气流作用下周围风压分布形成负压区导致其综合气压远低于实际海拔对应的气压进而影响车顶绝缘子电气性能。该文基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD),建立仿真模型,分析高速气流作用下车顶绝缘子周围风压分布特性及影响因素,并提出高海拔高速气流综合作用下车顶绝缘子电气强度修正方法。结果表明:车顶绝缘子的风压低值分布在侧风面伞裙根部(大伞在下表面根部,小伞在上表面根部);迎风面风压、背风面和侧风面风压的绝对值都随风速的增大呈指数增长,且海拔越低,增长越快;攻角为80°左右时将形成更明显的低压区;海拔4000m、运行速度为360km/h综合作用下车顶绝缘子形成负压相当于4599米海拔对应的气压,车顶绝缘子外绝缘修正应予以考虑。

基于多项式代理模型的车顶绝缘子背风侧沿面压力优化研究

高速气流下,车顶绝缘子背风侧出现低气压会使得闪络电压降低,影响列车安全运行,为了改善车顶绝缘子背风侧的低气压现象,使用代理模型对车顶绝缘子结构参数进行优化。在车顶绝缘子结构参数上选取了伞裙上、下倾角以及伞裙间距作为因子,以绝缘子背风侧沿面压力的最小值作为响应,采用全因子试验设计方法获取样本数据,并对因子的主效应和交互效应进行分析,在此基础上建立多项式代理模型,进一步得到最佳的结构参数,最后进行闪络试验验证其有效性。结果表明:伞裙上、下倾角的主效应与伞裙间距相比更加显著,各因子之间没有显著的交互效应;最佳参数:伞裙上、下倾角分别为8°和0°,伞裙间距为45mm,背风侧沿面压力最小值提高了25.62%,同时压力平均值提高了42.47%;在100m/s的风速条件下,车顶绝缘子的闪络电压提高了16.80%。研究结果可以为车顶绝缘子结构设计提供参考。

基于改进Canny算法与深度残差网络的车顶绝缘子憎水性识别方法

定期检测绝缘子憎水性等级(hydrophobicity class,HC)能及时避免污闪事故的发生,为了解决目前车顶绝缘子憎水性检测方法识别效率低、人工判断主观性强的问题,提出一种基于改进Canny算法与深度残差网络的车顶绝缘子憎水性识别方法。首先,通过喷水试验获取HC1—HC7的车顶绝缘子伞裙表面喷水图像;然后,采用改进Canny算法提取绝缘子伞裙表面的水珠边缘轮廓图,从而消除绝缘子伞裙色彩、光照阴影等因素对憎水性图像识别的影响;最后,采用ResNet101神经网络进行迁移学习,针对憎水性图像水珠形态多变,引入可形变卷积网络(deformable convolutional networks,DCN)加强了模型的鲁棒性。试验结果表明:利用改进Canny算法对绝缘子憎水性图像作预处理,结合DCN-ResNet101模型进行判断,测试准确率达到92.9%。

动车车顶绝缘子气动减阻优化及绝缘性能研究

高速列车运行时产生的气动阻力不仅会影响列车运行效率,也制约着列车速度的进一步提升。目前车身流线型减阻设计已达到极限,而车顶大量外绝缘设备的存在使得车顶阻力增加,对其进行减阻优化是重要的发展方向,但与一般减阻问题不同,车顶外绝缘结构还承担着电气绝缘的重要作用,因此研究中需兼顾气动特性和绝缘性能。为此以车顶绝缘子为研究对象,通过在绝缘子伞裙表面构造凹坑结构来实现减阻优化,以凹坑排列间距、凹坑横纵轴以及凹坑深度为变量,最小阻力系数为目标,采用拉丁方抽样法选取样本计算得到响应值,建立近似模型;然后利用遗传算法全局寻优,得到凹坑最优参数;最后对凹坑绝缘子进行干闪和污闪试验,校验其绝缘性能。结果表明:凹坑结构可实现车顶绝缘子最大15.62%的减阻效果,并在一定气流条件下能提高绝缘子干闪电压保证其绝缘性能;且当绝缘子受到污染后,凹坑绝缘子也能具备良好的电气绝缘性能,保证列车安全运行。

沿海地区车顶绝缘子积污特性研究

由于沿海地区某高速动车组运行时,其车顶绝缘子局部部位时常发生放电现象,而高速气流和沿海环境都会影响车顶绝缘子的积污特性,从而影响车顶绝缘子的绝缘性能。以动车组上的高压隔离开关绝缘子和受电弓支撑绝缘子为研究对象,通过调研、采样及定量分析的方法研究沿海地区现场运行工况下车顶绝缘子的积污特性。研究结果表明:污秽空间分布主要呈现扇形分布和条纹状分布,污秽含量分布从高压端到低压端主要呈下降趋势,背风面污秽沉积量大于迎风面,上下表面污秽不均匀度最大值为2.85,伞裙表面灰盐比为3.75;雾水天气、车顶布置以及相邻伞裙的组合方式对积污特性的影响较大;绝缘子表面盐密最大值为34.57μg/cm^(2),灰密最大值为72.34μg/cm^(2),可溶盐中阳离子中占比最大的是Na^(+),约为51.07%,阴离子中占比最大的是SO_(4)^(2-),约为50.18%。

车顶绝缘子表面水珠及降落水滴电场分布及其对闪络特性的影响

绝缘子表面水珠、水膜及降落水滴引起的电场畸变会使电场强度过大从而会引发放电,破坏憎水性,同时对其闪络特性有一定的影响。为此,分析了水滴参数在不同电场旋转角的作用下对水珠表面电场的影响,探究了降落水滴对空间电场及闪络特性的影响。研究结果表明:水珠表面电场畸变特征与原始电场强度方向有关,为优化电场分布可以考虑改变绝缘子空间电场方向,使水珠处于电场旋转角θ较小的电场环境中;染污水滴滴落时空间电场强度增强,高电场强度区域增多,电弧沿着间隙和导电水流发展,可能导致引起高压端直接对车顶击穿;水滴周围电场强度最大值随气流速度的增大而增大,但水滴偏转角会影响闪络路径,因此只有适当的低速气流才会加大绝缘子闪络概率。

分离水珠对车顶绝缘子沿面电场影响及相应优化改进措施

针对动车组车顶绝缘子低温、凝露、大雾天气下易引发闪络事故,以受电弓绝缘子为研究对象,建立绝缘子表面水珠简化的平行电极3维计算模型。采用电场旋转角定义水珠的外加电场方向,研究了外加电场下最大电场增强因子与电场旋转角的关系,得到了2者之间的函数关系,以此分析了车顶绝缘子均压环的优化设置参数。研究结果表明:含分离水珠的车顶绝缘子表面电场畸变与外加场强方向有关,最大场强点位于等电位面与水珠的切点处,端切点处电场的畸变比顶切点处更明显;考虑体积为1μL的半球形水珠分布于车顶绝缘子不同位置的电场增强因子变化,优化高压端伞裙表面最大场强的原则,确定了均压环半径R=90 mm、距离高压端高度H=49 mm、截面半径r=20 mm的最佳均压环配置方案。

防覆冰电力机车车顶绝缘子伞裙的优化设计

每年的12月至次年2月是我国电力机车车顶绝缘子闪络事故的多发时间段,在车顶绝缘子闪络事故中,由于绝缘子覆冰而导致的闪络事故占很大比例。因此,研究电力机车车顶绝缘子的防覆冰技术和研制防覆冰车顶绝缘子具有重要的现实意义。为合理设计车顶绝缘子伞型结构,建立了车顶绝缘子外部三维两相粘性不可压湍流流场模型,通过数值模拟仿真的方法分析研究了电力机车车顶绝缘子的外部流场的空气动力特性和液体小颗粒与车顶绝缘子的撞击特性,并以空气中含有的液体小颗粒与绝缘子的碰撞率为依据,设计出了防覆冰车顶绝缘子的伞裙形状,并给出了伞裙的上倾角、下倾角、伞间距及伞裙组合的推荐值即伞裙上倾角8°、下倾角0°、伞间距>55mm以及一大一小的伞裙组合方式。

沿面放电时环氧树脂车顶绝缘子的温度分布及耐电痕分析

针对动车组受电弓环氧树脂车顶绝缘子放电产生电痕,致使绝缘性能下降的问题,基于ANSYS建立了车顶绝缘子沿面放电的非线性电热耦合瞬态模型。仿真结果表明:以温升来表征电痕程度,对局部电痕,耐电痕能力从低到高依次为护套表面、伞裙上表面、伞裙下表面;闪络时,伞裙边沿温度最高,耐电痕能力最低,伞裙根部温度最低,耐电痕能力最高;产生电痕的时间不同,其中伞裙上表面0.14 s,护套表面0.20 s,伞裙下表面0.55 s;电痕程度随时间而呈非线性变化,电蚀深度随时间而线性增加,电蚀宽度与时间的关系可用双指数函数来表征,趋势为先快后慢,最后趋于不变。研究结果揭示了受电弓环氧树脂车顶绝缘子不同部位的耐电痕能力与电痕侵蚀的规律,可为保障高速动车组的安全运行提供理论支持。

电力机车车顶绝缘子电场计算

在车顶绝缘子闪络事故中,由于绝缘子覆冰而导致的闪络事故占很大比例。如何才能有效地减少车顶绝缘子上覆冰的形成,提高绝缘子覆冰闪络电压,已经成为华北地区电气化铁路急需解决的难题。针对车顶绝缘子冰闪事故的实际发生情况,采用绝缘子表面部分涂覆半导体涂料的组合绝缘子设计方案。笔者利用有限元电场分析方法,分析了半导体涂料涂覆长度和位置对于电场分布的影响情况,得出了半导体涂料涂覆的优化配置方案。

潮湿环境下车顶绝缘子电场分布研究及优化策略

潮湿天气环境中,凝集在车顶绝缘子表面的水珠会畸变电场,引发电晕放电,影响列车运行安全。文中针对车顶受电弓支撑绝缘子建立有限元仿真模型,分析了水滴位置、大小、数量等参数对绝缘子沿面电场的影响,并将常用于高电压等级输电线路中的均压环配置原理运用到电压等级较低的车顶绝缘子中,以抑制水珠诱发的电晕放电。结论表明:护套与伞裙连接处水珠对电场畸变最严重;伞裙上半径r=2 mm的水珠对电场畸变影响最严重;水珠间距越大,沿面平均场强越小。确定了均压环环径R=85 mm,管径d=24 mm,屏蔽深度H=50 mm的均压环最佳配置方案。

车顶绝缘子绝缘薄弱域的形成及影响因素研究

随着空气湿度及固体污秽等因素的影响,动车组车顶绝缘子表面存在的局部沿面放电会给列车运行安全造成严重威胁.依据有限元分析法,建立了25kV动车组车顶绝缘子流场及电场的三维模型,研究了高速气流、水珠及固体污秽对车顶绝缘子绝缘薄弱域形成的影响规律.结果表明:绝缘子表面气流速度较高、气压较低的侧风面及背风面区域容易发生局部沿面放电.当绝缘子表面附着雨滴和固体污秽后,表面电场发生了畸变,水珠周围局部电场强度增大;当水珠局部电场强度较大区域附着固体污秽时,水珠-污秽-空气-硅橡胶结合处形成新的绝缘薄弱域.

对电力机车车顶绝缘子闪络的浅析

针对自2002年冬季以来,在京广线上运行的电力机车遇大雾天气多次发生车顶绝缘子放电、烧损等现象,分析了原因,提出防闪络措施,同时也对日常管理提出了要求。

动车组车顶绝缘子预防性试验研究

大范围的低温大雾天气严重影响到动车组车顶高压外绝缘,对动车组的安全、正点运行造成干扰。动车组作为运动的高压电气装备,要保证它的安全运行就必须按照高压电气设备的相应规律进行必要的预防性试验,现针对车顶绝缘子进行了预防性试验研究。

新型动车组车顶绝缘检测装置的研究

文章针对目前应用的高压绝缘检测装置存在的不足,提出了一种基于独立高压电源的新型绝缘检测系统,介绍了绝缘检测系统的构成原理、主要单元的结构以及新型绝缘检测系统的特点。

车顶绝缘子湿润条件下表面电场分布研究

针对冬季雨露、大雾天气下动车组车顶绝缘子闪络问题,利用电准静态场和有限元理论构建了动车组受电弓支撑绝缘子高压部件以及含水分车顶绝缘子的三维模型,研究了有分离水珠的绝缘子沿面电场分布特性,分析了洁净水膜及染污水膜对绝缘子沿面电场分布影响。研究结果表明:含水珠绝缘子对整体空间上的电场分布影响甚微,局部电场畸变强烈,最大场强达原场强6.31倍;绝缘子圆周方向上不对称,近支架端(0°)的最大电场最弱,远离支架端(180°)最大电场最强,最大场强随圆周角度增大而增大,且圆周上最大场强均超过空气电晕起始场强;憎水性丧失染污水膜出现后更易引起车顶绝缘子电晕放电,比洁净水膜的情况影响更剧烈。

列车车顶绝缘子气流场分布及其对积污的影响

列车高速运行过程中,车顶绝缘子表面的积污特性受绝缘子周围气流场分布特性的影响较大,建立车顶绝缘子的外部三维流场模型,利用有限元模拟的方法计算列车在不同的运行速度下,车顶绝缘子周围气流场分布的情况以及空气中的污秽颗粒与绝缘子表面的碰撞情况,结合现场调研,结果表明:车顶绝缘子的积污特性主要受到绝缘子背风面气压分布的影响,伞裙背风面的负压值、污秽颗粒碰撞率以及实测的积污量均呈两端大中间小的规律,且随着列车速度的加快,伞裙背风面的负压值及污秽颗粒碰撞率皆呈现增加的趋势。

DJ1型机车车顶绝缘子爬电故障分析

针对DJ1型机车车顶绝缘子爬电故障现象,从外形设计、材料选用等方面对造成车顶绝缘子爬电故障的原因进行了分析,并提出了相应的改进措施。

高速气流环境下的车顶绝缘子表面沙粒沉积特性

研究车顶绝缘子高速气流环境下的积污特性对指导列车绝缘子运维策略减少污闪事故有重要意义,而现有的气固两相流仿真模型未考虑污秽颗粒的滑移现象,不适用于模拟高速气流环境下车顶绝缘子表面积污过程。为此以环氧树脂车顶绝缘子为研究对象,分析了高速气流下沙粒在绝缘子表面上的受力和运动,认为高速气流环境下需考虑已沉积沙粒在绝缘子表面的滑移运动并提出了相应的判据,建立高速气流环境绝缘子表面沙粒沉积仿真模型,分析了不同气流速度下环氧树脂绝缘子表面沙粒沉积特性,并通过风洞系统开展的绝缘子沙粒沉积试验验证了模型的有效性。仿真和试验结果均表明:环氧树脂绝缘子迎风面沙粒沉积量随着气流速度的增大而减小,背风面沙粒沉积量随气流速度的增大先增多后减少。其主要原因是气流曳力导致迎风面已经沉积的沙粒向背风面移动或离开绝缘子表面重新回到气流场中。

高速气流对环氧树脂车顶绝缘子电痕深度影响的研究

针对高速列车环氧树脂车顶绝缘子沿面放电产生电痕,导致绝缘性能下降,以受电弓车顶绝缘子为研究对象,基于Ansys建立了绝缘子流体计算模型和沿面放电的三维非线性电热耦合模型。分析了绝缘子周围气流气压分布,以此分析了气流气压对电痕深度在绝缘子圆周方向和沿爬电距离变化的影响,并研究了列车运行速度对电痕深度的影响。研究表明:列车运行使绝缘子周围气流气压发生畸变,形成不均匀分布;侧风区电痕深度较小,迎风和背风区电痕深度较大,其中侧风区50°电痕深度最小,背风区180°电痕深度最大,护套电痕深度较大,伞裙边沿电痕深度较小;电痕深度随着运行速度加快先缓慢下降、后迅速下降、最后变缓,侧风区电痕深度下降最快,迎风区快于背风区。