向奕同 陳 攀 趙玉順

(1. 國網(wǎng)重慶市電力公司市北供電分公司 重慶 401147；2. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 合肥 230009)

1 引言

高速動車組是鐵路的重要組成部分，動車組的核心部件高壓供電系統(tǒng)是為其提供可靠的動力來源的保證，主要由受電弓、高壓隔離開關(guān)、T型頭、電纜、高壓設(shè)備箱和牽引變壓器等設(shè)備組成[1]。某些動車組在運行期間會跨越多個區(qū)域，運行環(huán)境因素如溫度、濕度、海拔高度、積污以及風(fēng)向等均會不斷發(fā)生變化。根據(jù)統(tǒng)計，在2015年6月至2017年3月期間先后發(fā)生了20余起動車組車頂高壓系統(tǒng)絕緣故障，嚴(yán)重影響鐵路安全穩(wěn)定運行[2]。與電力系統(tǒng)中高壓絕緣設(shè)備已經(jīng)具有數(shù)十年的運行經(jīng)驗不同的是，國內(nèi)高速鐵路運行時間短短數(shù)年，仍然需要不斷完善和改進(jìn)。

目前在我國高鐵動車組中的 CRH1，CRH2，CRH3和CRH5系列車型車頂絕緣子采用硅橡膠復(fù)合絕緣子，CRH380系列車型車頂絕緣子采用環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣子[3]。硅橡膠復(fù)合絕緣子的優(yōu)點為：① 耐污性能好；② 減震性能強；③ 安全與防爆性能好。環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣子的優(yōu)點為：① 耐酸堿腐蝕性能好；② 耐熱性強；③ 吸水率低。在強風(fēng)沙塵環(huán)境下，車頂復(fù)合絕緣子受到了極大的考驗，其絕緣性能受到了不同程度的影響，導(dǎo)致閃絡(luò)事故頻發(fā)。當(dāng)單列動車發(fā)生故障停車時，隨后到來的動車也會臨時停車，嚴(yán)重影響鐵路穩(wěn)定高效運行[4]。因此，提高車頂絕緣子的絕緣性能，掌握車頂絕緣子的薄弱環(huán)節(jié)以及存在的問題，并針對薄弱點對車頂絕緣子優(yōu)化方案進(jìn)行總結(jié)，對提高動車組高壓系統(tǒng)運行的可靠性具有重要意義。

車頂絕緣子與輸電線路絕緣子運行環(huán)境存在明顯的差異，表現(xiàn)出的薄弱環(huán)節(jié)主要分為以下幾個方面。

(1) 車頂絕緣子會隨著列車不斷高速運動，其表面的風(fēng)速最高可以達(dá)到100 m/s以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸電線路絕緣子所承受的風(fēng)速。同時氣流會帶動沙塵顆粒碰撞傘裙和護(hù)套表面，導(dǎo)致車頂絕緣子表面的風(fēng)壓與輸電線路絕緣子相比存在明顯差異。

(2) 列車運行時，受電弓碳化板與接觸網(wǎng)摩擦?xí)a(chǎn)生大量金屬導(dǎo)電粉末，污染絕緣子，導(dǎo)致車頂絕緣子表面不僅存在沙塵顆粒還會附著金屬導(dǎo)電顆粒，影響其絕緣性能。

(3) 空氣中會懸浮沙塵顆粒，當(dāng)顆粒帶上不同極性電荷時，也會在一定程度上降低絕緣子的絕緣性能。

(4) 在高速氣流的作用下，沙塵顆粒和小石子會高速撞擊絕緣子表面，傘裙和護(hù)套容易發(fā)生磨損，表面粗糙程度增大，從而影響外絕緣性能。

本文首先對強風(fēng)沙塵環(huán)境下車頂絕緣子的薄弱環(huán)節(jié)以及存在的問題進(jìn)行了介紹，其次對車頂絕緣子的優(yōu)化方案包括材料配方優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及在線檢測裝置研發(fā)等方面進(jìn)行了分析。最后指出了車頂復(fù)合絕緣子亟需解決的問題和未來研究的方向，希望從材料配方、高壓絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、絕緣子狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等方面入手，提高車頂絕緣子絕緣性能，進(jìn)而確保動車組高壓系統(tǒng)運行的可靠性。

2 強風(fēng)沙塵環(huán)境車頂絕緣子薄弱環(huán)節(jié)介紹

2.1 傘裙在強風(fēng)沙塵環(huán)境下的撕裂問題

復(fù)合絕緣子傘裙在強風(fēng)環(huán)境下時常發(fā)生撕裂。在某次對動車組高壓隔離開關(guān)檢修時發(fā)現(xiàn)，一支復(fù)合絕緣子一片傘裙的根部發(fā)生破裂，傘裙向下變形嚴(yán)重[5]，形變情況如圖1所示。清華大學(xué)賈志東等[6-7]對輸電線路復(fù)合絕緣子在 20～60 m/s風(fēng)速下的受力和形變特性開展了相關(guān)研究，結(jié)果表明，在風(fēng)速高于35 m/s的環(huán)境下，絕緣子傘裙會發(fā)生大幅高頻振動，傘裙根部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在周期循環(huán)的風(fēng)載荷作用下，傘裙材料長期處于應(yīng)力疲勞狀態(tài)，最終導(dǎo)致撕裂。

與輸電線路絕緣子不同的是，運行時車頂絕緣子表面的風(fēng)速最高可以達(dá)到100 m/s以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸電線路絕緣子所承受的風(fēng)速。當(dāng)車頂絕緣子處于高速沙塵氣流環(huán)境中，傘裙和護(hù)套表面還會受到風(fēng)沙碰撞，其抗風(fēng)性能受到更嚴(yán)峻的考驗。當(dāng)車頂絕緣子的傘裙發(fā)生撕裂時，會影響高速列車高壓系統(tǒng)的供電可靠性。

文獻(xiàn)[8]通過流固耦合仿真方法研究了工況下的車頂復(fù)合絕緣子的風(fēng)壓分布和形變特性，并分析絕緣子傘裙材料的疲勞機制以及不同傘裙結(jié)構(gòu)對絕緣子抗風(fēng)性能的影響。結(jié)果表明，傘裙根部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且在周期外加力的作用下，傘裙根部材料的壽命明顯低于其他部位，導(dǎo)致傘裙根部材料在強風(fēng)沙塵環(huán)境下最容易發(fā)生撕裂，仿真結(jié)果如圖2～4所示。同時通過改變傘裙參數(shù)，比較不同傘裙結(jié)構(gòu)下絕緣子對應(yīng)的抗風(fēng)性能，得到如下結(jié)論。

(1) 在相同工況下，等徑傘裙的形變最小。因此等徑傘裙結(jié)構(gòu)具有更好的抗風(fēng)性能。

(2) 傘裙直徑越大，越容易發(fā)生形變。因此為了提高抗風(fēng)性能，在保證爬距有效的情況下，應(yīng)盡量減小絕緣子傘徑。

(3) 適當(dāng)提高傘裙傾角，可以有效減少在強風(fēng)區(qū)的傘裙形變量。但是該研究只是單純通過仿真方法研究絕緣子參數(shù)對抗風(fēng)性能的影響，沒有設(shè)計出抗風(fēng)性能更好的傘裙結(jié)構(gòu)。

通過上述分析可知，目前車頂復(fù)合絕緣子時常會發(fā)生撕裂現(xiàn)象，但并沒有得到有效的解決方案，因此需要針對絕緣子的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化。目前的研究主要為通過有限元仿真來分析絕緣子的形變特性，存在一定的局限性。在接下來的研究中需要增加風(fēng)洞試驗裝置，實測絕緣子形變量，并結(jié)合有限元仿真手段，提出不同的優(yōu)化方案，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支持。

2.2 強風(fēng)沙塵環(huán)境下的絕緣子積污和閃絡(luò)特性

與輸電線路絕緣子不同的是，動車組車頂絕緣子運行環(huán)境更加復(fù)雜多變，風(fēng)速、沙塵含量和種類都不同于輸電線路的運行環(huán)境，導(dǎo)致兩者積污分布存在一定程度的差異[9]。目前主要通過試驗和仿真兩種手段研究高風(fēng)速環(huán)境下車頂絕緣子的積污特性。

2.2.1 試驗手段

目前針對高風(fēng)速下車頂絕緣子積污試驗研究，西南交通大學(xué)和華北電力大學(xué)具備相應(yīng)的風(fēng)洞試驗裝置和監(jiān)測設(shè)備，并開展了相關(guān)研究工作。

華北電力大學(xué)楊升杰[10]為了得到車頂高壓隔離開關(guān)支撐絕緣子的積污特性，通過風(fēng)洞試驗裝置對絕緣子進(jìn)行人工積污，并將試驗結(jié)果與列車運行后的車頂絕緣子污穢分布結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，通過風(fēng)洞積污的絕緣子傘裙上下表面污穢不均勻度更大。西南交通大學(xué)孫繼星[11]通過風(fēng)洞試驗，研究了不同工況下絕緣子表面積污分布變化規(guī)律，同時對比了不同傘型結(jié)構(gòu)下絕緣子的積污情況，通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低表面積污。

2.2.2 仿真手段

通過試驗手段研究車頂復(fù)合絕緣子在強風(fēng)沙塵環(huán)境下的積污特性會消耗大量的資源，同時風(fēng)洞試驗裝置制造費用高，現(xiàn)場測試的準(zhǔn)確度無法保證，且試驗周期很長，因此大量學(xué)者通過有限元仿真的手段，研究絕緣子在強風(fēng)沙塵環(huán)境下的積污特性[12-15]。

根據(jù)聚團(tuán)分析計算模型以及碰撞理論，沙塵顆粒在絕緣子表面的碰撞力如式(1)所示

式中，F(xiàn)b為沙塵顆粒在絕緣子表面的碰撞力；v為碰撞發(fā)生時沙塵顆粒的速度；θ為入射角度。

發(fā)生碰撞后，在污穢接觸面方向上會產(chǎn)生剪切力Fc，如圖5所示。顆粒與絕緣子表面發(fā)生分離需要滿足兩個條件：① 剪切力Fc大于一定倍數(shù)的重力Fg；② 顆粒的速度達(dá)到脫離絕緣子表面的最小速度，此時污穢顆粒將不再能夠保持平衡狀態(tài)，與絕緣子表面發(fā)生分離。

文獻(xiàn)[13]對污穢顆粒沉積判據(jù)做了進(jìn)一步改進(jìn)，并通過改進(jìn)的判據(jù)建立了高速氣流環(huán)境下復(fù)合絕緣子積污的流體力學(xué)模型，分別提出了法向沉積判據(jù)和切向沉積判據(jù)，進(jìn)一步提高了積污仿真計算的準(zhǔn)確性，法向和切向沉積判據(jù)分別如式(2)～(3)所示

式中，vpn為污穢顆粒與絕緣子表面碰撞時的法向碰撞速度；Qt為絕緣子表面材料的粘附能；Qp為碰撞能量損耗；mp為污穢顆粒的質(zhì)量；φ為沙塵顆粒使絕緣子材料發(fā)生壓縮時的臨界速度。

式中，F(xiàn)t為污穢顆粒受到碰撞力的切向分量；Fadh為污穢顆粒與絕緣子表面之間的粘附力；μ為有效摩擦因數(shù)；tΔ為碰撞接觸時間。當(dāng)碰撞力的切向分量小于摩擦力時才會發(fā)生沉積。

通過上述分析可知，影響仿真積污結(jié)果準(zhǔn)確性的因素主要是污穢顆粒沉積在絕緣子表面的判據(jù)，因此沉積判據(jù)的優(yōu)化對于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要。但是仿真手段也存在一定的局限性，積污結(jié)果中污穢分布只能以體積分?jǐn)?shù)來表示，無法顯示具體的分布含量，而且針對不同類型污穢顆粒的分布差異，并不能明確區(qū)分。同時受到電弓碳化板與接觸網(wǎng)摩擦?xí)a(chǎn)生大量金屬導(dǎo)電粉末，污染絕緣子，導(dǎo)致車頂絕緣子表面不僅會附著沙塵顆粒還會附著金屬導(dǎo)電顆粒，進(jìn)一步降低絕緣性能。目前針對金屬粉末在車頂絕緣子表面的沉積特性以及對其絕緣性能的影響還存在研究空間。

在強風(fēng)沙塵環(huán)境下，車頂絕緣子發(fā)生污閃的機理同樣適用。但是由于高速氣流的吹弧效應(yīng)，電弧的起始位置和發(fā)展過程會有一定程度的差異。同時在高速氣流的作用下，絕緣子表面的積污分布會更加不均勻，包括迎風(fēng)面和背風(fēng)面以及傘裙上下表面污穢不均勻度。受污穢不均勻分布的影響，車頂絕緣子的閃絡(luò)特性與在自然環(huán)境下積污的絕緣子所呈現(xiàn)的閃絡(luò)特性有較大差異[11]。

對兩組糖尿病子宮肌瘤伴不孕患者的手術(shù)用時、手術(shù)出血量、住院時間、圍術(shù)期空腹血糖水平（術(shù)前、手術(shù)即刻、手術(shù)后24 h）做觀察分析，并對比兩組并發(fā)癥（切口不愈合、尿潴留、發(fā)熱）發(fā)生情況以及子宮肌瘤殘留、復(fù)發(fā)（隨訪患者1年）、成功妊娠情況的差異。

2.3 懸浮沙塵顆粒對車頂絕緣子的影響

當(dāng)空氣中懸浮沙塵顆粒時，由于沙粒之間存在非對稱摩擦，會帶上了不同極性的電荷[16]，影響車頂絕緣子的絕緣性能。相關(guān)研究人員分別采用仿真和試驗兩種手段研究沙塵顆粒的參數(shù)對絕緣性能的影響規(guī)律。

文獻(xiàn)[16]為了研究高速運動的帶電荷沙塵顆粒對空氣短間隙放電特性的影響，搭建風(fēng)洞試驗平臺，以板-板電極和針-板電極為研究對象，進(jìn)行空氣短間隙擊穿試驗，研究風(fēng)速、電極間隙長度以及沙塵荷質(zhì)比等不同的因素對擊穿電壓的影響。蘭州交通大學(xué)張友鵬等[17]為研究空氣中懸浮的沙塵顆粒對絕緣子電場分布的影響，建立二維仿真模型，計算不同沙粒環(huán)境下絕緣子的電位和電場分布情況。結(jié)果表明，當(dāng)沙粒呈電中性時，對絕緣子電場分布影響不大；而當(dāng)沙粒帶上電荷時，絕緣子電場的畸變程度明顯增大，同時電場分布也受到沙粒的粒徑、數(shù)量以及荷質(zhì)比等因素的影響。但該仿真方法也存在一定的局限性，實際運行環(huán)境下，污穢顆粒并不會在空氣中均勻分布，會高速碰撞或者繞過絕緣子表面，并不會始終保持靜止?fàn)顟B(tài)。

2.4 傘裙材料磨損對憎水性和沿面閃絡(luò)的影響

高速風(fēng)沙會帶動沙塵顆粒和小石子高速撞擊絕緣子表面，傘裙和護(hù)套材料容易磨損，表面粗糙化，導(dǎo)致絕緣能力降低，影響軌道交通供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

國內(nèi)外學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)表面粗糙度對絕緣材料沿面閃絡(luò)電壓存在不同的影響[18-20]。西安交通大學(xué)郎艷等[18]研究發(fā)現(xiàn)，隨著表面粗糙度的增加，有機玻璃的沿面閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)“U”形變化。華北電力大學(xué) Ding等[19]通過打磨氧化鋁陶瓷表面，發(fā)現(xiàn)沿面閃絡(luò)電壓隨著粗糙度的增大而降低。Yamamoto等[20]以聚甲基丙烯酸甲酯等絕緣材料為研究對象，發(fā)現(xiàn)增加試樣表面粗糙度有利于提高試樣的絕緣強度。粗糙度對絕緣材料沿面閃絡(luò)電壓的影響呈現(xiàn)出了3種完全不同的變化規(guī)律。

表面粗糙度影響材料沿面閃絡(luò)電壓，主要分為兩個方面[21-22]：① 當(dāng)材料表面粗糙化時，材料表面爬電距離增大，阻礙二次電子倍增，形成貫通性放電通道的難度增大，因此閃絡(luò)電壓會增加，如圖 6的 SEEA模型(Secondary electron emission avalanche，SEEA)所示；② 隨著材料表面粗糙度逐漸增加，材料表面電場畸變程度增大，抑制閃絡(luò)電壓的增大。表面粗糙度對沿面閃絡(luò)電壓的影響是爬電距離和電場畸變程度兩方面之間相互博弈的過程。

戶外環(huán)境運行下的車頂復(fù)合絕緣子所處環(huán)境更加復(fù)雜多變，時常受到風(fēng)沙和雨水沖刷，表面粗糙化程度很大，憎水性會發(fā)生顯著降低[23-24]，影響外絕緣性能。文獻(xiàn)[25]研究了表面粗糙度對硅橡膠憎水性和沿面閃絡(luò)電壓的影響。不同粗糙度硅橡膠試樣表面憎水性和閃絡(luò)電壓分別如圖7～8所示[26]。

從圖7可知，沒有經(jīng)過打磨的硅橡膠的表面憎水性良好，而表面存在粗糙度的硅橡膠試樣，憎水性均出現(xiàn)了明顯變化，憎水性隨著粗糙度的增大而降低。當(dāng)表面粗糙度Ra為7.56 μm和13.2 μm時，硅橡膠幾乎喪失了憎水性能。

由圖8可見，當(dāng)粗糙度小于3.37 μm時，爬電距離變化不明顯，此時閃絡(luò)電壓主要受到電場畸變程度的影響，所以電壓先出現(xiàn)了下降。當(dāng)粗糙度大于3.37 μm時，爬電距離對閃絡(luò)電壓的影響程度超過了電場畸變程度，所以閃絡(luò)電壓出現(xiàn)了增大的變化趨勢?？梢娧孛娓砷W電壓受到爬電距離和電場畸變兩個因素的共同影響。由濕閃電壓變化規(guī)律可見，表面存在粗糙度的硅橡膠，其濕閃電壓均出現(xiàn)了明顯的變化，濕閃電壓隨著硅橡膠粗糙度的增大而降低，主要原因是粗糙度的變化影響了硅橡膠的憎水性能。

上述結(jié)果為傘裙和護(hù)套材料磨損對憎水性和沿面閃絡(luò)的影響，但是在沙塵環(huán)境下，沙塵顆粒并不會始終保持某一個特定的方向撞擊絕緣子傘裙表面，磨蝕痕跡并不會是同一個角度，因此在接下來的研究中，應(yīng)該增加不同的磨蝕角度，研究不同的磨蝕方向與電場方向呈現(xiàn)不同角度時的閃絡(luò)特性，能夠更加充分得到材料磨損對沿面閃絡(luò)特性的影響。

3 絕緣子性能優(yōu)化與監(jiān)測

針對沙塵環(huán)境車頂絕緣子的薄弱環(huán)節(jié)，需要對車頂絕緣子材料配方和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以改善絕緣子的絕緣性能，同時需要對其運行狀態(tài)實時監(jiān)測，提高動車組高壓系統(tǒng)運行可靠性。

3.1 絕緣子傘裙復(fù)合硅橡膠材料配方優(yōu)化

目前國內(nèi)的車頂絕緣子大部分是進(jìn)口，因此對適用于國內(nèi)環(huán)境下的車頂絕緣子材料進(jìn)行研究迫在眉睫。復(fù)合絕緣子的外絕緣件傘裙護(hù)套材料主要是由高溫硫化硅(High temperature vulcanized，HTV)橡膠組成[27]，HTV橡膠的構(gòu)成主要包括生膠、補強填料、結(jié)構(gòu)控制劑、阻燃劑、硫化劑等材料，分子主鏈由硅原子和氧原子交替組成[28]。

由于在硅橡膠分子中引入乙烯基可有效改善硅橡膠的性能，我國主要采用分子量為50萬～70萬的110-2甲基乙烯基硅橡膠應(yīng)用于復(fù)合絕緣子中[29]，其分子結(jié)構(gòu)如圖9所示。得益于其分子組成的結(jié)構(gòu)特點，硅橡膠具有優(yōu)良的耐高低溫性能，在-60～+260℃范圍內(nèi)依舊能夠保持優(yōu)良的柔軟性和彈性，而且機械性能也不會發(fā)生明顯變化，同時還具有優(yōu)異的耐老化性、電絕緣性等性能[30]。因此硅橡膠復(fù)合絕緣子在輸電線路和鐵路系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。

純硅橡膠的機械強度不足，而混入補強填料后，拉伸強度可由0.45 MPa提高到14 MPa[31]。復(fù)合絕緣子主要采用氣相法白炭黑來作為硅橡膠的補強填料來提高其強度，同時在硅橡膠中加入 Al2O33H2O(簡稱ATH)阻燃劑能夠提高硅橡膠的耐漏電起痕、耐電蝕損、耐電弧等性能。

華南理工大學(xué)謝從珍[32]研究了不同配方對高溫硫化硅橡膠電氣性能的影響，不同配方對硅橡膠性能的影響十分明顯，如圖10所示。湖南大學(xué)周升[33]對國外進(jìn)口車頂絕緣子材料進(jìn)行了分析，采用光譜半定量全分析法、分光光度法確定了無機填料成分及其基本含量，并通過材料燃燒、萃取和色譜質(zhì)譜分析法確定了有機部分的組成和含量。

隨著國內(nèi)高速鐵路的快速發(fā)展，對絕緣子乃至車頂絕緣系統(tǒng)的性能要求越來越高，目前仍需對適用于車頂絕緣子的相應(yīng)材料配方體系進(jìn)行大量研究工作。針對強風(fēng)沙塵環(huán)境下絕緣子目前表現(xiàn)出的薄弱環(huán)節(jié)，并考慮到材料配方的優(yōu)化需要考慮電氣、機械性能等多個方面以適應(yīng)相應(yīng)的外部工作環(huán)境，具體的研究目標(biāo)和方向如下所述。

(1) 將抗撕裂強度、擊穿和沿面閃絡(luò)電壓、憎水性等參數(shù)作為評價車頂絕緣子材料性能的主要依據(jù)，通過改變甲基乙烯基硅橡膠中乙烯基、氣相法白炭黑、氫氧化鋁以及偶聯(lián)劑等用量和比例，提高絕緣子材料的電氣、力學(xué)性能。

(2) 增加氣相白炭黑和偶聯(lián)劑含量可以提高材料的抗撕裂強度和耐漏電起痕性能，但含量過大，反而會造成該性能的下降，因此應(yīng)尋找合適的氣相白炭黑和偶聯(lián)劑用量。

(3) 增加鋁粉含量會提高絕緣子材料的阻燃性能，但同時也會增加材料本身結(jié)構(gòu)中的缺陷，電場畸變程度增加，導(dǎo)致耐受電壓下降，應(yīng)該考慮鋁粉的用量對材料性能的影響，以尋找最優(yōu)的鋁粉含量。

(4) 研究不同乙烯基含量的比例對其性能的影響，以尋找最佳配比。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

提高傘裙抗風(fēng)性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計將是接下來重要的研究方向。謝學(xué)文等[34]根據(jù)高速列車的運行環(huán)境，從空氣動力學(xué)、電工學(xué)兩個方面對車頂絕緣子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了絕緣子的抗風(fēng)性能，同時降低護(hù)套脫離芯棒的概率。該絕緣子傘裙具有較大傾斜角度和反面凸緣，不僅增強了絕緣子耐污閃性能，還可以提高抗風(fēng)性能和撕裂強度。馬建橋[1]通過仿真分析和試驗手段優(yōu)化了高壓隔離開關(guān)電極結(jié)構(gòu)，優(yōu)化高壓設(shè)備箱絕緣性能，提出了高壓隔離開關(guān)電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，避免了傘裙的加速老化，在高壓端增設(shè)合理結(jié)構(gòu)的護(hù)套后，絕緣性能提升明顯。

合適的傘裙結(jié)構(gòu)不僅會提高絕緣子的抗風(fēng)性能，還能提高其耐污性能[35]。在未來的研究中，應(yīng)該分別從車頂絕緣子傘裙傾角，傘徑，傘型，大小傘裙比例等方面入手，通過仿真與試驗手段相結(jié)合，尋找最佳的傘裙結(jié)構(gòu)。同時需要對高壓絕緣系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置進(jìn)行優(yōu)化，有效提高車頂絕緣系統(tǒng)的可靠性?？梢钥紤]在車頂高壓設(shè)備區(qū)域增設(shè)導(dǎo)流罩，不僅可以降低高速運動中受電弓區(qū)域附近設(shè)備產(chǎn)生的氣動噪聲，還可以有效阻擋高速氣流對高壓設(shè)備的沖擊[36]，增加車頂絕緣子傘裙的運行可靠性，但同時空氣阻力也會增加，因此對于導(dǎo)流罩迎風(fēng)面的形狀設(shè)計十分必要。

3.3 車頂絕緣子在線檢測裝置

由于空間的限制，車頂高壓設(shè)備布置非常緊密，導(dǎo)致車頂絕緣子周圍存在強度很高的電磁干擾[37]。干擾的來源主要分為三個方面：① 受電弓和接觸網(wǎng)之間接觸電阻變化導(dǎo)致電磁干擾；② 列車正常運行時產(chǎn)生的脈沖連續(xù)電磁干擾；③ 弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的不連續(xù)脈沖電磁干擾。這些干擾均會對高速列車車頂信號采集造成影響，增加車頂絕緣子絕緣狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的難度。

通過泄漏電流、電壓、絕緣子阻抗相位角、溫度和濕度等信息能夠準(zhǔn)確判別分析絕緣子當(dāng)前的狀態(tài)[38]。針對車頂絕緣子在線監(jiān)測裝置的研制，西南交通大學(xué)尹國龍[39]做了大量研究，研發(fā)了具有獨立電源的車頂絕緣檢測裝置。該裝置通過施加高壓于車頂高壓系統(tǒng)，觀察電氣設(shè)備是否閃絡(luò)并結(jié)合泄漏電流判斷絕緣強度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但是這種方法并不能對其進(jìn)行實時監(jiān)測。文獻(xiàn)[40]研究了高速列車車頂絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的機理，提出監(jiān)測車頂絕緣子絕緣狀態(tài)的不同特征量，進(jìn)而設(shè)計出適用于高速列車車頂絕緣子的絕緣狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對車頂絕緣子狀態(tài)實時監(jiān)測，如果出現(xiàn)缺陷，可以及時檢修，提高列車的安全穩(wěn)定性。

上述優(yōu)化分析總結(jié)，分別從絕緣子材料配方、傘裙和高壓絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、絕緣子狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)入手，目的是針對于國內(nèi)高速列車運行實際情況，研制能夠適應(yīng)惡劣工況環(huán)境下的新型絕緣子，提高車頂絕緣系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

本文首先介紹了強風(fēng)沙塵環(huán)境下車頂絕緣子的薄弱環(huán)節(jié)和目前存在的問題，并對車頂絕緣子的優(yōu)化方案包括材料配方優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及在線檢測裝置研發(fā)等方面進(jìn)行了分析。最后指出了車頂復(fù)合絕緣子亟需解決的問題和未來研究發(fā)展的方向。今后的研究工作應(yīng)該側(cè)重在以下幾個方面開展。

(1) 合適的傘裙結(jié)構(gòu)不僅會提高絕緣子的抗風(fēng)性能，還能提高其耐污閃能力。分別從傘裙傾角，傘徑，傘型，大小傘裙的比例等方面入手，提高其抗風(fēng)性能和耐積污性能。通過風(fēng)洞試驗裝置，實測絕緣子形變量，并結(jié)合有限元仿真，針對不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，研制出新型結(jié)構(gòu)車頂絕緣子。

(2) 受電弓碳化板與接觸網(wǎng)摩擦?xí)a(chǎn)生大量金屬或?qū)щ姺勰廴窘^緣子，導(dǎo)致車頂絕緣子表面存在沙塵顆粒和金屬導(dǎo)電顆粒，降低絕緣性能。因此需要研究帶電顆粒在空氣中懸浮或者附著于絕緣子表面對其性能的影響。

(3) 提出車頂絕緣子傘裙復(fù)合硅橡膠材料配方優(yōu)化方案，針對硅橡膠傘裙和護(hù)套在強風(fēng)沙塵環(huán)境下表現(xiàn)出機械和電氣性能不足等缺陷，優(yōu)化硅橡膠材料配方，提高車頂絕緣子材料的可靠性。

(4) 合理的高壓絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及設(shè)備的布置方案，能夠有效地增加車頂絕緣系統(tǒng)的可靠性。因此可以考慮在車頂高壓設(shè)備區(qū)域增加導(dǎo)流罩，可以降低高速運動中受電弓區(qū)域附近設(shè)備產(chǎn)生的氣動噪聲，阻擋高速氣流對高壓設(shè)備的沖擊。

(5) 基于列車實際運行環(huán)境，研發(fā)適用于車頂絕緣子的在線監(jiān)測系統(tǒng)，對其絕緣狀態(tài)實時監(jiān)測。當(dāng)傘裙積污嚴(yán)重、發(fā)生閃絡(luò)故障或其他缺陷的信息能夠得到最快反饋，對提高動車組高壓系統(tǒng)運行可靠性具有重要意義。