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摘要：高速动车组用受电弓安装绝缘子以300毫米高为主，实际运行中受环境条件影响易发生放电等故障，研发400毫米高的高速受电弓绝缘子成为当务之急。
关键词：受电弓；绝缘子 HCEP；高速动车组
1.设计方案
本设计采用环氧树脂和硅微粉作为复合绝缘子的原料（HECP），由于硅橡胶所具有的对表面污染的固有疏水性特点，该材料被认为是运用在户外的最佳绝缘材料，但物理性能是其最致命的弱点，因此不适用于做有较高机械载荷要求的工程材料，而HCEP系统结合了两者的特点，既具备工程环氧材料优良性能，又能提高的固有疏水性、转移疏水性和还原疏水性。
2.设计计算
2.1 伞的最小间距及伞的个数
绝缘子结构中的伞有增强电气性能和防污双重作用，多个伞的结构将使爬电距离大增强，所以伞之间需要设计适当的间距，根据有关文献，一般要求伞间距离C≥30mm，取C=40，从爬距等方面综合考虑，伞裙取7个。
2.2伞直径
依据绝缘子的电气性能、防污要求及技术条件中提出的要求，采用大小的结构从上至下依次为第1伞至第7伞，各伞直径第1、7伞300mm、第 3、5伞280mm、第2、4、6伞230mm。大小伞伸出之差：Pi=Ri- Ri-1 。一般要求Pi≥15mm，对于环氧复合绝缘子，因自洁性好，故Pi值可比瓷绝缘子高。
2.3伞倾角
伞倾角对制品自洁性及机械强度都有一定影响。根据材料自洁能力强这一特点及相关经验值，综合考虑机械强度及脱模，选择伞的上倾角为8°，下倾角为2°。
2.4主体设计
因绝缘子受力从上至下，受到的弯距离逐渐增大，所以绝缘子主体设计为圆锥体，锥度为4°，从上至下截面积逐渐增大。
2.5内孔设计
为减轻制品重量，同时减少制品厚薄处之差，以使复合材料微结构均匀，减少内应力，在不影响机械强度前提下，主体底部采用空心结构，内孔采用头部为R21.5的半球形锥体，锥度为4°。
2.6底座设计
为满足安装要求，底座需预埋2个内孔?19黄铜嵌件，以便将绝缘子固定，综合考虑机械强度要求，底座选择椭圆体结构，底面为长径120mm、短径90mm的椭圆体，高为30mm，根据安装要求，嵌件在底座椭圆体长径上对称分布，距椭圆体中心距离90mm，嵌件至缘子底座边缘最小距离为12mm。
2.7嵌件设计
根据安装需要，上端面预埋M12的黄铜螺母，底座预埋2个内径?19黄铜嵌件，考虑强度要求及经济实用性，嵌件1、嵌件2均采用拉制的普通黄铜棒，分别为棒HPb59-1拉?16、棒HPb59-1拉?32 。
2.8伞群设计
（1）伞伸出（p1-p2） 外径为300mm>200mm，p1-p2>15mm，符合伞群设计的要求，
（2）伞间距与伞伸出之比（s：p） 伞间距s为80mm，伞伸出p为92.6mm，s/p=0.89，杆径大于110mm，根据伞群设计的要求，比值较正常值的偏离为无偏离。
（3）伞间最小距离c为60.7mm，根据伞群设计的要求，c较正常值的偏离为较小偏离。
（4）爬电比距之比（l：d）绝缘件上的两点之间的直线空气距离d为94.3mm，被测两点间的爬电距离l为359.25mm，比值为3.8，根据伞群设计的要求，较正常值的偏离为无偏离。
（5）伞倾角a为8o，根据伞群设计的要求，较正常值的偏离为无偏离。
（6）爬电系数CF等于I/A I是绝缘子的总爬电距离，计算为1409.3mm，A是绝缘子的干弧距离，即电气间隙为358，I/A=3.93，较正常值的偏离为无偏离。
3.电气性能计算
3.1爬电距离
根据绝缘子外形计算得出：爬电距离=1409.3≥1050满足技术要求。
3.2机械强度计算
3.2.1材料性能指标 CEP/HCEP的机械强度指标为：拉伸强度：HCEP 80-100Mpa/CEP 85-95Mpa，抗弯强度： HCEP130-150Mpa/CEP120-130Mpa。
3.2.2 绝缘子强度校核计算
（1）最大拉伸负荷计算：底部两个孔为固定点，顶部施加16KN的拉力。整个绝缘子所受的最大拉伸强度为：17.6MPa< CEP 85MPa/HCEP 80MPa
（2）最大弯曲负荷计算：底部为支撑面，顶部椭圆长径方向施加16KN力。整个绝缘子所受的最大弯曲强度为：50.35MPa< CEP 120MPa/HCEP 130Mpa。底部为支撑面，顶部椭圆短径方向施加16KN力。整个绝缘子所受的最大弯曲强度为：48.67MPa< CEP 120MPa/HCEP 130MPa
（3）风载强度计算：车速达到400Km/h，风速12级风受力分析
根据伯努利方程得出的风-压关系，风的动压为：wp=0.5·ro·v? （1）
其中wp为风压[kN/m?]，ro为空气密度[kg/m?]，v为风速[m/s]。
由于空气密度（ro）和重度（r）的关系为 r=ro·g， 因此有：ro=r/g。
在（1）中使用这一关系，得到 wp=0.5·r·v?/g （2）
此式为标准风压公式。在标准状态下（气压为1013 hPa， 温度为15°C）， 空气重度 r=0.01225 [kN/m?]。纬度为45°处的重力加速度g=9.8[m/s?]，
由以上公式得出12级风+400km/h时的风压为：13000Pa
固定面施加风压：13000Pa计算结果：最大抗弯强度：为28.30MPa< CEP 120MPa/HCEP 130MPa
（4）最大抗扭强度计算：施加力矩 2000N.m，计算结果：最大应力为：57.04MPa
（5）最大抗压强度计算：底部为支撑面施加力40KN，最大应力为：44.02MPa
4.结论
根据以上计算结果，高速动车组400毫米高绝缘子的机械性能可以满足动车组在400公里/小时的运行要求，采用环氧树脂材料的绝缘子在物理性能上优于硅橡胶绝缘子，尤其在抗击打能力、雾霾天气下的污闪放电得到了根本上的改善，提高了高速动车组对恶劣条件下的适应能力。
关键词：受电弓；绝缘子 HCEP；高速动车组
1.设计方案
本设计采用环氧树脂和硅微粉作为复合绝缘子的原料（HECP），由于硅橡胶所具有的对表面污染的固有疏水性特点，该材料被认为是运用在户外的最佳绝缘材料，但物理性能是其最致命的弱点，因此不适用于做有较高机械载荷要求的工程材料，而HCEP系统结合了两者的特点，既具备工程环氧材料优良性能，又能提高的固有疏水性、转移疏水性和还原疏水性。
2.设计计算
2.1 伞的最小间距及伞的个数
绝缘子结构中的伞有增强电气性能和防污双重作用，多个伞的结构将使爬电距离大增强，所以伞之间需要设计适当的间距，根据有关文献，一般要求伞间距离C≥30mm，取C=40，从爬距等方面综合考虑，伞裙取7个。
2.2伞直径
依据绝缘子的电气性能、防污要求及技术条件中提出的要求，采用大小的结构从上至下依次为第1伞至第7伞，各伞直径第1、7伞300mm、第 3、5伞280mm、第2、4、6伞230mm。大小伞伸出之差：Pi=Ri- Ri-1 。一般要求Pi≥15mm，对于环氧复合绝缘子，因自洁性好，故Pi值可比瓷绝缘子高。
2.3伞倾角
伞倾角对制品自洁性及机械强度都有一定影响。根据材料自洁能力强这一特点及相关经验值，综合考虑机械强度及脱模，选择伞的上倾角为8°，下倾角为2°。
2.4主体设计
因绝缘子受力从上至下，受到的弯距离逐渐增大，所以绝缘子主体设计为圆锥体，锥度为4°，从上至下截面积逐渐增大。
2.5内孔设计
为减轻制品重量，同时减少制品厚薄处之差，以使复合材料微结构均匀，减少内应力，在不影响机械强度前提下，主体底部采用空心结构，内孔采用头部为R21.5的半球形锥体，锥度为4°。
2.6底座设计
为满足安装要求，底座需预埋2个内孔?19黄铜嵌件，以便将绝缘子固定，综合考虑机械强度要求，底座选择椭圆体结构，底面为长径120mm、短径90mm的椭圆体，高为30mm，根据安装要求，嵌件在底座椭圆体长径上对称分布，距椭圆体中心距离90mm，嵌件至缘子底座边缘最小距离为12mm。
2.7嵌件设计
根据安装需要，上端面预埋M12的黄铜螺母，底座预埋2个内径?19黄铜嵌件，考虑强度要求及经济实用性，嵌件1、嵌件2均采用拉制的普通黄铜棒，分别为棒HPb59-1拉?16、棒HPb59-1拉?32 。
2.8伞群设计
（1）伞伸出（p1-p2） 外径为300mm>200mm，p1-p2>15mm，符合伞群设计的要求，
（2）伞间距与伞伸出之比（s：p） 伞间距s为80mm，伞伸出p为92.6mm，s/p=0.89，杆径大于110mm，根据伞群设计的要求，比值较正常值的偏离为无偏离。
（3）伞间最小距离c为60.7mm，根据伞群设计的要求，c较正常值的偏离为较小偏离。
（4）爬电比距之比（l：d）绝缘件上的两点之间的直线空气距离d为94.3mm，被测两点间的爬电距离l为359.25mm，比值为3.8，根据伞群设计的要求，较正常值的偏离为无偏离。
（5）伞倾角a为8o，根据伞群设计的要求，较正常值的偏离为无偏离。
（6）爬电系数CF等于I/A I是绝缘子的总爬电距离，计算为1409.3mm，A是绝缘子的干弧距离，即电气间隙为358，I/A=3.93，较正常值的偏离为无偏离。
3.电气性能计算
3.1爬电距离
根据绝缘子外形计算得出：爬电距离=1409.3≥1050满足技术要求。
3.2机械强度计算
3.2.1材料性能指标 CEP/HCEP的机械强度指标为：拉伸强度：HCEP 80-100Mpa/CEP 85-95Mpa，抗弯强度： HCEP130-150Mpa/CEP120-130Mpa。
3.2.2 绝缘子强度校核计算
（1）最大拉伸负荷计算：底部两个孔为固定点，顶部施加16KN的拉力。整个绝缘子所受的最大拉伸强度为：17.6MPa< CEP 85MPa/HCEP 80MPa
（2）最大弯曲负荷计算：底部为支撑面，顶部椭圆长径方向施加16KN力。整个绝缘子所受的最大弯曲强度为：50.35MPa< CEP 120MPa/HCEP 130Mpa。底部为支撑面，顶部椭圆短径方向施加16KN力。整个绝缘子所受的最大弯曲强度为：48.67MPa< CEP 120MPa/HCEP 130MPa
（3）风载强度计算：车速达到400Km/h，风速12级风受力分析
根据伯努利方程得出的风-压关系，风的动压为：wp=0.5·ro·v? （1）
其中wp为风压[kN/m?]，ro为空气密度[kg/m?]，v为风速[m/s]。
由于空气密度（ro）和重度（r）的关系为 r=ro·g， 因此有：ro=r/g。
在（1）中使用这一关系，得到 wp=0.5·r·v?/g （2）
此式为标准风压公式。在标准状态下（气压为1013 hPa， 温度为15°C）， 空气重度 r=0.01225 [kN/m?]。纬度为45°处的重力加速度g=9.8[m/s?]，
由以上公式得出12级风+400km/h时的风压为：13000Pa
固定面施加风压：13000Pa计算结果：最大抗弯强度：为28.30MPa< CEP 120MPa/HCEP 130MPa
（4）最大抗扭强度计算：施加力矩 2000N.m，计算结果：最大应力为：57.04MPa
（5）最大抗压强度计算：底部为支撑面施加力40KN，最大应力为：44.02MPa
4.结论
根据以上计算结果，高速动车组400毫米高绝缘子的机械性能可以满足动车组在400公里/小时的运行要求，采用环氧树脂材料的绝缘子在物理性能上优于硅橡胶绝缘子，尤其在抗击打能力、雾霾天气下的污闪放电得到了根本上的改善，提高了高速动车组对恶劣条件下的适应能力。