余學(xué)林 上海鐵路局合肥供電段

隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展，列車速度提高，高鐵不斷投入運(yùn)行，車體周圍高速氣流等環(huán)境發(fā)生改變，由此產(chǎn)生的絕緣問(wèn)題逐漸突出。

絕緣子是牽引供電系統(tǒng)最主要的高壓絕緣器件之一，起到支撐和絕緣作用，其表面發(fā)生閃絡(luò)將影響鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)。根據(jù)使用場(chǎng)所，牽引供電系統(tǒng)的絕緣子可分為變電所用絕緣子、接觸網(wǎng)腕臂支撐絕緣子和列車車頂高壓絕緣子。不同類型絕緣子的使用場(chǎng)所如表1所示。

表 1絕緣子類型與使用場(chǎng)所

變電所及接觸網(wǎng)腕臂支撐絕緣子閃絡(luò)將導(dǎo)致線路饋線斷路器頻繁跳閘、線路供電中斷、甚至引發(fā)系統(tǒng)停運(yùn)等事故；列車車頂絕緣子閃絡(luò)將導(dǎo)致閃絡(luò)事故頻發(fā)、列車降速晚點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至燒斷接觸網(wǎng)導(dǎo)線，影響行車安全。高速列車運(yùn)行速度提升，對(duì)牽引供電系統(tǒng)的絕緣配置提出了更高的要求。為了提高牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，保證鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，高速鐵路絕緣子閃絡(luò)原因分析和措施制定非常必要。

1 鐵路絕緣子工作環(huán)境及特點(diǎn)

1.1 絕緣子運(yùn)行環(huán)境

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、接觸網(wǎng)系統(tǒng)、列車、鋼軌回流系統(tǒng)組成。牽引變電所將電力系統(tǒng)220 kV/110 kV高壓電轉(zhuǎn)換成適用于鐵路系統(tǒng)的單相工頻27.5 kV交流電；電能通過(guò)接觸網(wǎng)系統(tǒng)傳輸?shù)搅熊?；列車通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)導(dǎo)線滑動(dòng)電接觸獲取列車運(yùn)行所需的能量；牽引電流通過(guò)鋼軌回流系統(tǒng)返回牽引變電所。圖1給出了AT供電方式的結(jié)構(gòu)原理圖。通過(guò)1:1自耦變壓器（AT變壓器）將非工作臂的接觸網(wǎng)壓升高到55 kV，降低了接觸網(wǎng)的電流，減小了線路損耗，而在列車運(yùn)行的供電臂段仍然維持27.5 kV的工作電壓。

圖1 AT供電方式示意圖

由于牽引供電系統(tǒng)的主要負(fù)荷--列車處于快速移動(dòng)狀態(tài)，各供電臂的負(fù)荷差異大，容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)的三相負(fù)荷不平衡，負(fù)序電流增大。為了克服這一缺陷，減少對(duì)公共電網(wǎng)的影響，牽引供電網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)相序輪換，相鄰供電臂分別與牽引變壓器A、B相相連，為了防止相間短路，相鄰供電臂之間要在電氣上進(jìn)行隔離，稱為電分相，隔離區(qū)段稱為分相絕緣段，如圖2所示。

圖2 電分相結(jié)構(gòu)圖

1.2 牽引供電系統(tǒng)絕緣子工作特點(diǎn)

根據(jù)我國(guó)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)際工況，牽引供電系統(tǒng)絕緣子的工作環(huán)境具有如下特點(diǎn)：

（1）分相過(guò)電壓沖擊頻繁

從上文圖2中可以看出，當(dāng)列車通過(guò)分相段區(qū)域時(shí)，將經(jīng)歷“帶電--失電--帶電”過(guò)程。在該過(guò)程中，由于列車運(yùn)行導(dǎo)致系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)改變。各狀態(tài)之間切換，出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象，圖3給出了某線路列車通過(guò)分相段時(shí)的過(guò)電壓波形。由于我國(guó)電氣化鐵路平均每隔20 km～30 km就設(shè)置一分相絕緣段，列車運(yùn)行過(guò)程將頻繁通過(guò)分相區(qū)，造成車頂過(guò)電壓頻繁發(fā)生（平均每隔15 min-20 min發(fā)生一次），該過(guò)程成為牽引供電系統(tǒng)絕緣子必須承受的一種正常工況。

圖3 列車通過(guò)關(guān)節(jié)時(shí)分相過(guò)電壓波形圖

（2）絕緣子結(jié)構(gòu)尺寸受限

為了提高列車受流質(zhì)量，必須保證接觸網(wǎng)導(dǎo)線張力和導(dǎo)高精度,因此絕緣子長(zhǎng)度不宜過(guò)大。受車頂布局空間的限制，同時(shí)為了減小列車運(yùn)行時(shí)的阻力，提高列車受流穩(wěn)定性，必須降低車頂高壓部件高度，車頂高壓絕緣子的高度和傘裙尺寸受限。

（3）高速氣流沖擊

隨著我國(guó)高速鐵路的迅速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)速度已達(dá)到350 km/h，試驗(yàn)速度達(dá)到了486.1 km/h，高速列車車體附近的氣流速度接近100 m/s，遠(yuǎn)高于目前陸地上最高等級(jí)風(fēng)速（12級(jí)風(fēng)，33 m/s）。高速氣流沖擊對(duì)列車車頂和線路腕臂支撐絕緣子的機(jī)械、電氣性能提出了更高的要求。同時(shí)高速氣流沖擊使得車頂高壓絕緣子傘裙舞動(dòng)、變形，甚至發(fā)生撕裂破損，電氣強(qiáng)度大大降低。

（4）工作環(huán)境惡劣

車頂高壓絕緣子工作于“受電弓--接觸網(wǎng)”系統(tǒng)（弓網(wǎng)系統(tǒng)）下方，弓網(wǎng)高速滑動(dòng)摩擦中產(chǎn)生的金屬粉塵會(huì)散落、吸附在車頂高壓絕緣子表面，造成絕緣子電氣強(qiáng)度顯著降低。重污染地區(qū)沿線煤灰、粉塵量更大，絕緣子的積污問(wèn)題更加突出。隨著我國(guó)中遠(yuǎn)距離高速鐵路的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)（例如京滬線、京廣線），高速列車車頂高壓絕緣子必須承受沿線各種氣候環(huán)境的變化，對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。

（5）維護(hù)難度大

與電力系統(tǒng)線路相比，列車在電氣化鐵路線路上頻繁通過(guò)，絕緣子的維護(hù)、清掃只能在有限的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，維護(hù)時(shí)間短；另一方面，我國(guó)高速鐵路多采用高架橋結(jié)構(gòu)，線路架設(shè)高，而且受限于現(xiàn)場(chǎng)條件，，絕緣子維護(hù)難度大。

2 絕緣子閃絡(luò)主要原因及防護(hù)措施

高速路絕緣子閃絡(luò)嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，造成絕緣子閃絡(luò)原因主要有以下幾種：

2.1 過(guò)電壓造成對(duì)絕緣子閃絡(luò)

列車過(guò)分相時(shí)產(chǎn)生分相過(guò)電壓，弓網(wǎng)分離時(shí)產(chǎn)生離線過(guò)電壓。電力機(jī)車過(guò)分相處的過(guò)電壓多次造成車頂間隙放電、絕緣子擊穿、車載微機(jī)死機(jī)、牽引變電所牽引供電系統(tǒng)過(guò)電壓嚴(yán)重時(shí)，跳閘會(huì)導(dǎo)致設(shè)備絕緣損壞，甚至直接燒損接觸網(wǎng)導(dǎo)線，影響鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)。電力機(jī)車過(guò)關(guān)節(jié)式電分相時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓分析表明，列車在“帶電--失電”和“失電--帶電”過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，過(guò)電壓幅值與發(fā)生過(guò)電壓時(shí)的接觸網(wǎng)電壓相位角的大小相關(guān)。電力機(jī)車通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相產(chǎn)生過(guò)電壓的原因是由于機(jī)車通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相時(shí)引起等值電路的參數(shù)發(fā)生變化，使電路發(fā)生高階振蕩產(chǎn)生過(guò)電壓，那么解決問(wèn)題的思路也應(yīng)該從改變電路的參數(shù)人手。通過(guò)在中性段安裝阻容保護(hù)器，改變電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)，讓振蕩電路變成無(wú)振蕩電路，能夠有效地抑制電力機(jī)車通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。

2.2 高速氣流場(chǎng)造成絕緣子閃絡(luò)電壓變化

列車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生高速氣流，引起車頂高壓設(shè)備周圍氣壓、氣流變化，高速氣流沖刷絕緣子表面時(shí)導(dǎo)致電荷累積和絕緣子形變，引起絕緣子傘裙表面電場(chǎng)畸變。圖4給出了高速氣流場(chǎng)對(duì)絕緣子周圍氣壓分布的影響，可以看出，受高速氣流的影響，絕緣子迎風(fēng)與背風(fēng)處形成高氣壓區(qū)，而在側(cè)風(fēng)處形成低氣壓區(qū)。

圖4 風(fēng)速為97.2 m/s時(shí)絕緣子周圍氣壓分布截面圖

高速氣流場(chǎng)對(duì)絕緣子表面放電形態(tài)的影響，受低氣壓、吹弧和邊界層效應(yīng)的影響，絕緣子閃絡(luò)顯現(xiàn)出多通道放電和非沿面閃絡(luò)等特征。通過(guò)研究風(fēng)速、風(fēng)向?qū)^緣子臨界閃絡(luò)電壓的影響，得出結(jié)論是氣流場(chǎng)導(dǎo)致絕緣子表面電荷積累是影響絕緣子閃絡(luò)電壓的重要因素。

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究表明在強(qiáng)風(fēng)影響下，在高速鐵路運(yùn)行中，風(fēng)向角為900情況下，絕緣子閃絡(luò)電壓受吹弧冷卻及表面積聚電荷的雙重影響，對(duì)復(fù)合絕緣子來(lái)說(shuō)，吹弧效應(yīng)較強(qiáng)，閃絡(luò)電壓隨風(fēng)速增大而升高；對(duì)瓷質(zhì)絕緣子來(lái)說(shuō)，閃絡(luò)電壓開(kāi)始隨風(fēng)速增大而上升，但風(fēng)速超過(guò)20 m/s后，閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，穩(wěn)定在無(wú)風(fēng)時(shí)閃絡(luò)電壓的約87%。說(shuō)明復(fù)合絕緣子在高速鐵路中能夠有效提高閃絡(luò)電壓，應(yīng)該在電力機(jī)車和接觸網(wǎng)線路中推廣使用，但也要同時(shí)考慮絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度符合高速鐵路大張力的要求。

2.3 污穢造成絕緣子閃絡(luò)電壓降低

在線運(yùn)行的絕緣子，自然環(huán)境中，受到SO2、氦氧化物以及顆粒性塵埃等大氣環(huán)境的影響，在其表面逐漸沉積了一層污穢物。在天氣干燥的情況下，這些表面帶有污穢物的絕緣子保持著較高的絕緣水平，其放電電壓和潔凈、干燥狀態(tài)時(shí)接近。然而，當(dāng)遇有霧、露、毛毛雨以及融冰，融雪等潮濕天氣時(shí)，絕緣子表面污穢物吸收水分，使污層中的電解質(zhì)溶解、電離，導(dǎo)致污層電導(dǎo)增加。這時(shí)，絕緣子的表面泄漏電流就會(huì)增加，由于絕緣子的形狀、結(jié)構(gòu)尺寸的影響，以及絕緣子表而污層分布不均和潮濕程度不同等因素，使絕緣子表面各部位的電流密度不同，其結(jié)果在電流密度比較大的部位形成了干燥帶。例如懸式絕緣子的鋼腳附近，棒式支柱絕緣子裙和芯捧交接處。干燥帶的形成促使絕緣子表面電壓分布更加不均勻，干燥帶承擔(dān)較高的電壓。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，將產(chǎn)生輝光放電，繼而產(chǎn)生局部電弧。當(dāng)局部電弧不斷發(fā)生和發(fā)展達(dá)到和超過(guò)臨界狀態(tài)時(shí)，電弧貫穿兩極，形成對(duì)地閃絡(luò)。

選用爬距大絕緣子對(duì)泄漏電流進(jìn)行限制，使閃絡(luò)電壓得到提高。在絕緣子的表面噴涂RTV涂料，RTV涂料的憎水性以及憎水遷移性都比較的良好，可有效解決絕緣子污閃問(wèn)題。同時(shí)縮短清掃周期，加大清掃力度，確保絕緣的潔凈度，是確保發(fā)生污閃的最有效措施。

2.4 絕緣子閃絡(luò)的防護(hù)措施

針對(duì)高速鐵路絕緣子閃絡(luò)問(wèn)題，結(jié)合本文以上分析，提出以下防護(hù)措施。

（1）抑制過(guò)電壓幅度：在接觸網(wǎng)分相中性段安裝阻容保護(hù)器，改變電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（2）提高高速鐵路絕緣子閃絡(luò)電壓：采用復(fù)合絕緣子。

（3）提高防污能力：合理、有效地增加絕緣子爬距，優(yōu)化傘群結(jié)構(gòu)和布局。在絕緣子表面涂覆RTV防污材料，采用硅橡膠材料，提高憎水性能。

（4）加強(qiáng)維護(hù)管理：規(guī)范絕緣子壽命維護(hù)管理，定期清掃、抽檢，及時(shí)更換。

3 結(jié)束語(yǔ)

電氣化鐵路絕緣子閃絡(luò)嚴(yán)重影響鐵路系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，對(duì)人員和設(shè)備的安全帶來(lái)威脅。本文分析了高速鐵路的絕緣子的運(yùn)行環(huán)境及工作特點(diǎn)；分析高速鐵路絕緣子閃絡(luò)特性的影響因素；并針對(duì)發(fā)生絕緣子閃絡(luò)現(xiàn)象提出防范措施。

由于我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，隧道、高架橋比例大幅提高，牽引供電系統(tǒng)過(guò)電壓特性及絕緣子的工作環(huán)境有了新的變化，需要對(duì)絕緣子閃絡(luò)抑制措施開(kāi)展更加深入的研究，以保證牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)。

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