学术报告

这篇文章是关于研究电气化铁路接触网正馈线(BXN-25型)绝缘子覆冰状态下电场特性的一项原创性研究。以下是对文章的详细报告：

主要作者与研究机构

文章的主要作者包括Yuantao Liu、Shanpeng Zhao, Yanzhe Li, Youpeng Zhang和Sihua Wang，均隶属于兰州交通大学自动化与电气工程学院以及甘肃省轨道交通电气自动化工程实验室。文章发表于期刊《Energy Reports》（2023年，第9卷，972–979页），并基于2022年9月9日至11日在日本京都同志社大学举行的第九届“国际电力与能源系统工程会议（CPESE 2022）”的研究内容完成。

学术背景

电气化铁路接触网的正馈线绝缘子作为接触网的重要组成部分，其性能对整个接触网系统的运行安全至关重要。特别是在西部寒冷潮湿的环境中，绝缘子表面容易出现覆冰现象，这种现象会导致绝缘性能下降甚至发生闪络事故。然而，关于接触网正馈线绝缘子覆冰状态下的电场分布与绝缘特性的研究尚处于实验阶段，未完全解决。研究的目的是通过有限元法模拟接触网BXN-25型绝缘子的不同覆冰条件，研究其表面电场特性及对绝缘性能的影响，从而为优化绝缘子结构设计及提升其运行安全性提供理论依据。

研究流程与方法

研究总体流程：
研究采用有限元法，主要分为以下几个部分：

1. 建立计算模型：

   • 根据实际情况模拟绝缘子表面的覆冰，分别设置均匀覆冰厚度为3mm、5mm和8mm，以及研究不同长度的冰柱对绝缘子电场分布的影响。
   • 引入准静态电场模型，在介质电阻效应和电容效应同时考虑的情况下，通过差分方程求解绝缘子表面的电场分布。公式中主要涉及关键参数包括：材料电导率(σ)、相对介电常数(εr)、真空介电常数(ε0)、及位移电流密度(j)。

2. 实验条件设置：

   • 模拟高压端绝缘子施加27.5kV（峰值为39kV）电压，低压端接地。在覆冰状态下分析蝉联冰桥长度、冰厚度及冰桥在不同位置对绝缘性能的影响。
   • 所用材料包括空气、金属、电气陶瓷及冰，其相对介电常数和导电率详见Table 1。
     

3. 数量化与比较分析：

   • 通过对覆冰厚度增加、电位分布变化及其与闪络的关系，分析绝缘子表面电场畸变及电气强度的变化；同时对冰桥的位置和冰柱的长度进行多种情景建模。

工作流程细化
（1）绝缘子表面的覆冰厚度研究：
模拟3mm、5mm和8mm冰层的分布条件，通过几何建模与数值分析比较潜在分布和爬电距离的变化，评估厚度变化对绝缘性能的影响。

（2）冰柱长度对绝缘性能的研究：
研究不同长度的冰柱连接绝缘子伞裙数量（2、3、4、5、所有伞裙）。分析冰桥长度（即连接伞裙数）的变化与电场强度分布的关系，揭示冰桥“短接”效果使得绝缘性能急剧下降。

（3）冰桥在绝缘子的不同位置的分布：
通过几何建模模拟冰桥位于高压端、低压端及中间位置的情况下，分析这些分布对电压、电场强度及绝缘子性能的不同影响。

研究结果与逻辑分析

1. 覆冰厚度对绝缘子电场特性的影响：
- 结果表明，覆冰会导致绝缘子爬电距离从原始的1800mm缩短至1500mm，从而显著降低绝缘性能并增加闪络风险。特别是，当冰层厚度达到8mm时，其表面的电场畸变最显著，最大电场强度增加41.4%，达6.73 × 10^5 V/m。

2. 冰柱长度的影响：
- 随着冰柱长度增加，绝缘伞裙的电压分布逐渐降低，且电场强度在冰柱断点处急剧上升，使得绝缘性能大幅下降。当冰柱连接所有伞裙时，最大电场强度达到9.36 × 10^5 V/m，是清洁状况下的2倍。

3. 冰桥位置的影响：
- 当冰桥位于低压端时，绝缘子的电场强度畸变最为显著，电场强度峰值提高了70%。这一情况会增加局部放电的发生风险，并且爬电距离的电压降低也使绝缘性能进一步削弱。

研究结论

该研究揭示了在寒冷潮湿环境中，覆冰对电气化铁路正馈线绝缘子绝缘性能的严重影响。主要结论包括：
- 覆冰厚度越大，电场分布畸变越严重，导致绝缘性能降低，并使闪络更易发生。
- 冰柱的增加引发绝缘电位下降及电场强度快速上升，削弱绝缘性能。
- 冰桥位于低压端时，对绝缘子的影响最大，易诱发局部放电。

研究价值与亮点

本次研究结合大规模实测数据，首次系统性评价了不同覆冰条件下绝缘子电场分布的变化，为解决绝缘性能下降问题提供了有力的理论支撑。在工程实践中，这一研究成果可指导覆冰环境下的接触网绝缘子设计，也为绝缘子抗冰保护及防闪络措施的优化提供科学依据。

研究亮点包括：
1. 运用有限元法结合覆冰实验，首次量化了不同变量（覆冰厚度、冰桥位置及长度）对绝缘子的系统影响。
2. 研究首次揭示低压端冰桥对电场畸变及放电风险的敏感性。

结语

该研究通过构建详细的数学模型和采用创新性的仿真分析，在电气化铁路线路的绝缘保护研究中具有重要的理论价值和实际工程意义，同时也为其他高压传输系统在极端环境下的设计和优化提供了宝贵的参考意见。