2010 年 12 月 电 工 技 术 学 报 Vol.25 No. 12第 25 卷第 12 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Dec. 2010

高速气流对绝缘子表面放电特征的影响

刘学忠 高超 邓显波 曹利强 陈晓聪（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049）

摘要 为了研究高速气流环境下绝缘子的表面放电特征，建立了高速气流环境下绝缘子放

电试验的微型风洞试验系统，进行了两种典型结构的绝缘子试样的工频放电试验，结果表明绝

缘子的放电具有多通道滑闪和非沿面放电等特征。基于计算流体力学可压缩 Navier-Stokes方程和有限元数值分析，计算并得到了绝缘子周围气流的速度和压强分布特性，特别是绝缘子侧风

面的高流速和低气压特征。研究分析认为高速气流的吹弧效应对绝缘子放电通道或电弧的形态

起主导作用，以及低气压效应对滑闪或放电的起始位置起决定作用，而边界层效应则保持沿绝

缘子表面延伸的电弧不受吹弧效应影响。

关键词：绝缘子 高速气流 非沿面放电 风洞 有限元分析中图分类号： TM854

Influence of High-Speed Airflow on Surface Discharge Characteristics of Insulator

Liu Xuezhong Gao Chao Deng Xianbo Cao Liqiang Chen Xiaocong

（State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Abstract The simulative test system with the mini wind tunnel and high voltage power supply was developed for investigating the discharge characteristics of insulator in the high-speed airflow circumstances. The discharge tests of two downscaled insulators under different high airflow speed and power frequency high voltage are conducted. The test results show that the discharge characteristics of insulators under the high-speed airflow present the multi discharge passages and non-surfaced discharges. Based on the compressible Navier-Stokes equation of computational fluid dynamics and finite element analysis method, airflow velocity and pressure distributions around insulator are computed. The high airflow speed and low airflow pressure in the sideward of insulator is presented. According to these results, it is confirmed that the blowout effect of high-speed airflow plays a leading role in the conformation of discharge passages or arcs and the low pressure airflow dominates the flashover or discharge initial location. And then, the boundary layer effect along the insulator surface keeps the discharge passage prolongation from the blowout.

Keywords：Insulators, high-speed airflow, non-surfaced discharge, wind tunnel, finite element analysis

1 引言

随着铁路机车的大规模提速，新型电力机车运

行速度超过 300km/h，这意味着高速电力机车车顶

绝缘子及接触网支持绝缘子必然要经受高速气流的

影响。在电力机车上通常发生车顶绝缘子的闪络事

故，据统计这种事故现象 95%以上是在列车低速行

驶或停车时，由于绝缘子表面积污或覆冰等原因而

发生沿绝缘子外表面的闪络 [1-2]，在我国较为恶劣

国家自然科学基金资助项目（ 50477028）。

收稿日期 2009-07-01 改稿日期 2009-09-25

第 25 卷第 12 期 刘学忠等 高速气流对绝缘子表面放电特征的影响 17

环境条件的北方地区难免发生这样的事故。

国外在高速电力机车的设计上，通常在车顶绝

缘子前部加导流罩改变流经绝缘子的气流方向，或

把所有车顶绝缘子都下沉在导流罩水平高度以下位

置。这些措施虽然大大减弱了高速气流对机车车顶

绝缘子的影响，但是在隧道中高速气流对车顶绝缘

子特别是接触网支持绝缘子的影响仍然存在。

本文作者针对高速电力机车 车顶绝缘子周围的

气流场特征，曾基于计算流体力学可压缩 Navier-Stokes 方程 [3]和有限元分析方法 进行了气流场分布

的仿真计算 [4-5]，得到在高速气流环境下绝缘子周围

形成气流速度和压强的极不均匀分布特性，提出绝

缘子周围低气压区域的产生可能对放电产生影响的

初步假设。朱进等研究者 [6]进行了车顶柱式复合绝

缘子风洞试验，研究了在高风速下绝缘子伞裙的挠

度形变。这些研究 都没有涉及高速气流下绝缘子电

气特性的试验，目前还未见有关于高速气流对绝缘

子电气性能影响方面的其他报道，为此本文对绝缘

子在高速气流的风洞环境中的表面放电特征进行模

拟试验研究和进一步地仿真计算分析。

2 试验装置及试样

为了试验研究绝缘子在高速气流环境中的放电

特征，需要一套风洞测量系统，国内现有的风洞装

置虽能模拟产生高风速，但不能接入高压电源，改

造和试验的费用都很高，为此本文在实验室搭建了

用于绝缘子电气性能试验的微型风洞装置，其结构

组成如图 1 所示。该装置的试验腔内入口气流速度

为 0～150m/s，试验腔内径为 120mm。经设计计 算[7]和流体场模拟分析，确定该试验腔中 允许的绝

图 1 绝缘子电气试验用微型风洞装置结构示意图

1—进气阀 2—风机 3—旁通阀 4—主气阀

5—整流装置 6—稳定段 7—收缩段 8—试验腔

9—高压试验电源 10—安装法兰 11—全压探针

12—水银测压管 13—接地端 14—试样固定座

15—上下电极 16—透明绝缘风洞管

17—绝缘子试样

Fig.1 Setup of mini wind tunnel for

insulator discharge test

缘子试品最大尺寸为 60mm×60mm×60mm，配备

的试验电源为 50kV/5kVA 工频试验变压器，并配

备数码摄像机连续记录绝缘子放电的电弧特征。

为本研究制备的绝缘子试样为 两种典型结构的

瓷质绝缘子，一种为无伞裙的 A 型绝缘子，另一

种为具有三伞裙 B 型绝缘子，其主径及高度与

A 型绝缘子相同，如图 2 所示。

（a）A 型绝缘子 （b）B 型绝缘子

图 2 风洞试验用两种典型结构 瓷质绝缘子示意图

Fig.2 Schematic diagrams of two downscaled

porcelain insulator samples

3 绝缘子表面放电特征试验

3.1 静态无气流环境下在无气流的试验环境中，分别对两种绝缘子试

样进行工频放电试验，实验室环境温度为 25℃，相

对湿度为 25%，应用数码摄像机记录绝缘子放电过

程的电弧特征。当电压连续升高达到起始滑闪电压时，

一般沿绝缘子表面出现 1～2 条（次）滑闪后，接着

就发生沿面放电。最后的放电通道一般是一条明亮的

电弧，且直接贯穿上下电极间的最短空气间隙距离，

电弧的起始位置是沿电极圆周边缘随机分布的，如

图 3 所示。其中，A 型绝缘子没有伞裙结构，放电电

弧沿绝缘子圆柱表面贯穿上下电极，而 B 型绝缘子

由于伞裙的存在，放电电弧跨过伞裙边沿贯穿上下

电极，这些放电现象与传统的支柱型绝缘子的干闪络

特征没有差别，放电路径均为空气间隙的最短路径。

18 电 工 技 术 学 报 2010 年 12 月

（a）A 型绝缘子

（b）B 型绝缘子

图 3 静态气流环境条件下绝缘子试样 放电通道形态

Fig.3 Discharge passage in static

airflow circumstance

3.2 高速气流环境下在微型风洞试验腔中形成入口气流速度为

68～136m/s（即 0.2～0.4Ma）的气流环境，实验室

环境温度为 25℃，相对湿度为 50%。对两种绝缘

子试样分别进行表面放电试验，应用数码摄像机记

录绝缘子放电过程的电弧特征。 试验发现，在高速

气流速度环境中，各种绝缘子放电的 电弧形态与静

态无气流时的电弧形态 有明显差别，总体上 绝缘子

的放电通道显现出两种形态，即多通道滑闪和非沿

面放电。

（1）多通道滑闪。当外施电压达到起始滑闪

电压后，在沿绝缘子表面侧后 区域出现多条线状滑

闪电弧，导电通道呈 浅色，且弧径较细小，如图

4 所示。其中在 A 型绝缘子的外表面上， 在拍摄的

一帧图像里至少有 6 条导电通道可见，并贯穿上下

电极，其中部分通道从一个端点出发， 滑闪电弧分

成两路甚至多路，滑闪电弧完全沿表面爬电偏移角

度较小；在 B 型绝缘子的外表面上， 由于伞裙的

存在，滑闪电弧从端部向伞裙延伸 ，并沿绝缘子表

面爬电的路径，当滑闪电弧跨越两个伞裙时，滑闪

电弧路径呈倾斜状，出现随气流飘移的现象。

（a）A 型绝缘子

（b）B 型绝缘子

图 4 高速气流环境下绝缘子试样多 通道放电形态

Fig.4 Multi discharge passages of insulators

in high-speed airflow circumstance

（2）非沿面放电。当外施电压继续升高达到

最高放电电压，此时的放电电流超过 0.1A，放电

通道沿绝缘子正侧面或侧后面起弧 ，并向绝缘子

侧后面或背风面 顺气流方向漂移 和延伸，电弧发

散而形成非沿面放电 ，如图 5 所示。其中 A 型绝

缘子的放电区域主要为背风面， 只有极少数放电

通道出现在正侧面的位置； B 型绝缘子的放电通道

主要在背风面，电弧亮度呈现 内强外弱。就两种

绝缘子的非沿面放电情况相比而言，后者的非沿面

放电更加突出。

（a）A 型绝缘子

第 25 卷第 12 期 刘学忠等 高速气流对绝缘子表面放电特征的影响 19

（b）B 型绝缘子

图 5 高速气流环境下绝缘子试样非沿面放电形态

Fig.5 Non-surfaced discharge passages of insulators

in high-speed airflow circumstance

4 绝缘子放电机理分析

为了把绝缘子的放电特征与绝缘子周围的流体

场分布特性联系起来，本文 基于计算流体力学可压

缩 Navier-Stokes 方程和应用有限元数值分析，以

图 1 所示的微型风洞的绝缘腔边界及以上两种小型

绝缘子为模型，仿真计算给定入口气流速度下绝缘

子周围的流体场，得到在高速气流环境中绝缘子表

面附近气流速度与压强的分布特性。图 6 和图 7 分

别给出了绝缘子在入口气流速度为 102m/s 时周围

气流场的速度和压强分布图，其绝缘子表面附近的

流体场分布特征与前期针对高速车顶绝缘子的仿真

计算 [4-5]基本一致，即绝缘子的侧风面呈现高气流速

度和低气压特征。

（a）A 型绝缘子（主径横截面）

（b）B 型绝缘子 （c）B 型绝缘子

（主径横截面） （伞裙横截面）

图 6 绝缘子周围气流场 中速度分布图

Fig.6 Airflow speed distributions around insulator

（a）迎风面区域

通过分析研究在高速气流环境中绝缘子表面及

周围的流体参数分布，特别是与绝缘子放电电弧特

性相关的气流速度和压强参数，认为绝缘子在高速

气流环境中的放电受到吹弧、低气压及边界层效应

的影响。

4.1 吹弧效应数值仿真计算发现，两种绝缘子入口气流速度

在 68～136m/s 时，绝缘子主径及伞裙周围气流速

20 电 工 技 术 学 报 2010 年 12 月

度分布的特征基本一致。从图 6 中可以看出，在

高速气流环境中绝缘子的表面形成一低流速的边界

层，在边界层之外的迎风面和背风面区域出现低速

气流区域，而在其侧 风面出现高速气流区域。研

究认为，发生表面放电时，当放电电弧的弧径较大

超出了边界层尺寸或电弧延伸到边界层之外时，

即使在绝缘子侧面低气压 区域起弧，在绝缘子侧

风面高速气流吹弧作用下，放电电弧也会沿气流

向侧后方延伸，并远离绝缘子表面形成非沿面放电。

4.2 低气压效应风洞中工频放电试验统计表明，在高速气流环

境中两种绝缘子的滑闪起始位置在绝缘子侧后区域

位置约占 75%概率。由图 7 所示的绝缘子表面附近

气压分布的仿真计算结果进一步表明，在绝缘子的

迎风面和背风面出现高气压区域，而在绝缘子侧表

面附近出现低气压区域，且两种绝缘子在主径及伞

裙周围气压分布的特征也基本一致，仅仅是气压幅

值上的差异。研究认为，由于绝缘子侧表面附近为

低气压区域，必然造成该区域局部气体介质绝缘水

平的下降，从而导致绝缘子的起始滑闪或放电位置

偏重于在其侧表面区域。

4.3 边界层效应绝缘子在流体场中必然存在边界层，在该边界

层内的薄层区域，气流的速度很小，如图 6 所示。

边界层厚度定义为边界层内从速度为零 的表面开始，

沿法线方向至与来流（即入口）速度相等的位置之

间的距离 [8]。本文以入口气流速度为 102m/s 时A 型绝缘子表面四个 区域的速度矢量分布为例 ，来

说明绝缘子边界层 附近的气流特征。图 8 分别给出

沿边界层厚度方向 （即表面法线方向） 距绝缘子表

面 1mm 和 5mm 处薄层上的速度分布仿真计算结果，

其中横坐标 z 为沿绝缘子表面高度方向（即最短爬

电路径方向）距离中心点的尺寸。

（a）距表面 1mm

（b）距表面 5mm

图 8 绝缘子边界层附近气流速度分布

Fig.8 Airflow speed distributions along

boundary layer of insulator

可见在距绝缘子表面 1mm 处薄层内，气流速

度仍然较小，在侧风面区域出现极大值为 30m/s，迎风面和背风面区域速度不超过 10m/s。而在距绝

缘子表面 5mm 处的薄层内，最大气流速度达到

150m/s，已超过入口气流速度。 四个区域的速度分

布规律显现出侧风面区域的速度最大，背风面区域

上、下两端速度较大，中部速度小 ，迎风面区域的

速度较小。这里在气流速度为 102m/s 时绝缘子的

最大边界层厚度近似于 5mm。另外，数值计算得到

在气流速度为 102m/s 时，绝缘子周围区域出现的

最大气流速度为 207m/s，达到入口气流速度的

2 倍，该最大气流速度已处在距绝缘子表面边界层

之外的区域中。试验得到最初的滑闪电弧是紧贴绝

缘子表面延伸，亦就是在边界层内。在边界 层内的

气流速度较低，电离的载流子运动时受气流作用 很

小，而且滑闪时电弧的电流和弧径小、持续时间短，

所以高速气流的吹弧效应对边界层内延伸的电弧必

然产生很小的影响 。B 型绝缘子在滑闪时，部分弧

段跨越伞间而超出边界层，呈现图 4b 中所示的局

部电弧飘移或非沿面的特征。

高速气流对滑闪电压和放电电压的影响，及其

与绝缘子结构的关系正在研究分析中。

5 结论

风洞试验表明在高速气流环境中绝缘子的放电

具有多通道滑闪和非沿面放电等特征 ；数值仿真计

算的分析和研究认为， 绝缘子在高速气流环境中的

放电受到吹弧、低气压及边界层效应的影响，其中

绝缘子侧风面高速气流的吹弧效应对绝缘子放电通

道的形态起主导作用，特别是对具有伞裙结构的绝

第 25 卷第 12 期 刘学忠等 高速气流对绝缘子表面放电特征的影响 21

缘子非常明显，绝缘子侧后面区域的低气压效应对

滑闪或放电起始位置起决定作用，而边界层效应则

保持沿绝缘子表面 延伸的电弧不受吹弧效应影响 。

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作者简介 :刘学忠 男，1962 年生，博士，副教授，主要研究方

向变频电机和风力发电机绝缘、电力设备电磁场仿真计算、高速

电力机车外绝缘等。 高 超 男，1984 年生，硕士研究生，研

究方向气流场对绝缘子表面放电的影响。