王芹鳳 于德偉

摘 要：通過分析受電弓絕緣子的污閃故障產(chǎn)生的原因，提出改進(jìn)方案，并通過進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對改進(jìn)進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)分析故障原因?yàn)橛觎F天氣由于環(huán)境的影響導(dǎo)致絕緣性能下降，通過增加絕緣距離，加大引起閃絡(luò)故障的關(guān)鍵參數(shù)——最小電氣間隙，從根源上避免故障的發(fā)生。通過采用高分子硅橡膠材料保證加強(qiáng)絕緣部分的電氣和機(jī)械性能，適應(yīng)高速動(dòng)車組在高速運(yùn)行時(shí)的環(huán)境要求而又不影響絕緣子的強(qiáng)度和安全，同時(shí)經(jīng)過高壓閃絡(luò)試驗(yàn)對改進(jìn)后的高壓絕緣子進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：絕緣子 最小電氣間隙 爬電距離 最大耐受電壓

中圖分類號：U225.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0222-02

受電弓絕緣子是列車特高壓系統(tǒng)最重要的部件之一，絕緣子的狀態(tài)好壞直接影響到列車的安全運(yùn)行，近期京滬線上300 km等級高速動(dòng)車組頻頻發(fā)生受電弓對車體放電事故，尤其雨霧天氣情況更是嚴(yán)重。300 km及以上速度等級的高速動(dòng)車組在雨霧天氣或表面覆蓋污物的情況下，導(dǎo)致動(dòng)車組車頂受電弓支撐絕緣子下降，從而引起絕緣子污閃。

受電弓絕緣子是帶電的將干線受電弓與車體進(jìn)行電氣隔離的設(shè)備，它將弓網(wǎng)系統(tǒng)與車體進(jìn)行電氣隔離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)受電弓與車體的機(jī)械連接。污閃故障是由于絕緣子的電氣隔離功能被減弱引起的。

1 原因分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

300 km及以上速度動(dòng)車組受電弓絕緣子外形如圖1所示，絕緣子制造材料為環(huán)氧樹脂，電氣性能參數(shù)如下。

最小電氣間隙：353 mm，最小爬電距離1097 mm，額定耐受電壓90 kV（有效值），污穢耐受電壓30 kV。

1.2 原因分析

1.2.1 電氣間隙

GB/T21413.1-2008鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛電氣設(shè)備第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則規(guī)定了海拔1400 m以下的電氣間隙310 mm，更高一級別為370 mm，即使最為苛刻的BSEN 50124-1-2001鐵路應(yīng)用 絕緣配合第1部分：基本要求。電工電子設(shè)備的電氣間隙和爬電距離（英文）標(biāo)準(zhǔn)也是310 mm。該受電弓支撐絕緣子最小電氣間隙353 mm，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2.2 爬電距離

TB/T 3077.2-2006電力機(jī)車車頂絕緣子第2部分：復(fù)合絕緣子規(guī)定25 kV等級爬電距離大于750 mm，GB/T21413.1-2008中規(guī)定PD4爬比為25 mm（對應(yīng)爬電距離750 mm），BSEN 50124-1-2001中規(guī)定PD4爬比為30 mm（對應(yīng)爬電距離900 mm）。

1.2.3 引起污閃的原因

受電弓絕緣子有兩個(gè)功能即電隔離和機(jī)械連接，污閃主要是由于電隔離功能被減弱引起的，當(dāng)受電弓支撐絕緣子表面覆蓋污物時(shí)，絕緣子的絕緣性能下降，當(dāng)表面污物達(dá)到一定程度時(shí)或使用環(huán)境惡化時(shí)（像雨霧天氣），引起絕緣子絕緣性能下降，從而導(dǎo)致污閃現(xiàn)象。

2 絕緣子性能的改進(jìn)方案

將絕緣子高度100 mm的金屬凸臺部分改造為與絕緣子傘裙同類的絕緣性能高的材料，提高絕緣子的絕緣性能，增大電氣間隙，可以有效提高絕緣子的閃絡(luò)電壓和污穢起霧閃絡(luò)電壓。

改造方案如下：將金屬凸臺用35 kV等級傘裙冷縮套管進(jìn)行密封，對套管與絕緣子第一個(gè)傘裙接鑲位置用室溫固化橡膠膏進(jìn)行加強(qiáng)處理。

3 可行性分析

3.1 傘裙冷縮套管材料性能分析

傘裙冷縮套管材料為廣泛應(yīng)用于高壓絕緣和電力防污閃的硅橡膠，該材料采用硅和天然橡膠通過重新進(jìn)行分子排布，保證分子成四點(diǎn)網(wǎng)狀交聯(lián)排列，從而保證材料即具很高的機(jī)械性能，又有很好的彈性。同時(shí)甲基基團(tuán)均勻排布在主鏈結(jié)構(gòu)的正上方的分子結(jié)構(gòu)，保證了該硅橡膠具有很好的憎水性能。

耐熱性：硅橡膠為無色至乳白色的彈性體，二甲基硅橡膠、甲基乙烯硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠比重為0.96～0.99，甲基三氟丙基乙烯基硅橡膠比重為1.3左右，硅橡膠主鏈結(jié)構(gòu)為Si-O鍵組成，Si-O鍵能較高達(dá)451 kJ/mol，總而言之，硅橡膠具有較高的熱穩(wěn)定性，在150℃～180 ℃下可以極長期的使用，在200℃～250 ℃下性能變化僅發(fā)生在高溫作用的初期（如250 ℃為前5d），此后性能幾乎無變化。硅橡膠的耐寒性很好，可以在-60 ℃或更低的溫度下使用，硅橡膠一般在-30 ℃時(shí)性能發(fā)生變化，即隨溫度降低硬度、抗張強(qiáng)度及壓縮永久變形值有所增加，伸長率則降低，但這些變化是可逆的，溫度升高后便能回復(fù)。

機(jī)械強(qiáng)度：硅橡膠的分子量即使達(dá)到50～70萬時(shí)，其柔性仍遠(yuǎn)較其他有機(jī)橡膠好，這是由于它的甲基是繞Si—軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氫原子占有相當(dāng)廣闊的，因而與相鄰分子的距離較大，分子間相互吸引力較小，故而無配合填充劑的硫化膠抗張強(qiáng)度很低，小于1 MPa，伸長率約60%。雖然硅橡膠的補(bǔ)強(qiáng)效率遠(yuǎn)較其他橡膠為高，但是由于硅橡膠的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性等性能仍較一般有機(jī)橡膠差，在配料的各組份事宜的情況下，硅橡膠硫化膠機(jī)械性能可以獲得較高的水平，如甲基乙烯基硅橡膠的硫化膠，最高可達(dá)10 MPa以上，抗撕強(qiáng)度可達(dá)350～690 kn/m。

電氣性能：有機(jī)硅橡膠的多數(shù)品種雖然含有少量的乙烯基，但它們?nèi)詫儆陲柡拖鹉z，主鏈由硅-氧鍵構(gòu)成，從而具有良好的耐候性和耐臭氧性。有機(jī)硅橡膠的疏水性很高，在潮濕的環(huán)境下工作，介電性能改變很小；高壓蒸汽的環(huán)境下時(shí)，將發(fā)生水解和解聚作用。硅橡膠的電絕緣性能優(yōu)良，在所有的使用環(huán)境溫度下，介電性能都比較穩(wěn)定，即使在突發(fā)事件的高溫下，介電性能降低也較少且仍能保持良好的絕緣性能指標(biāo)。

3.2 阻燃性能

選用熱穩(wěn)定性較高的無鹵阻燃劑，通過阻燃劑之間的協(xié)效，使甲基乙烯基硅橡膠的阻燃性能達(dá)到所需要求，且滿足在高溫條件下使用。采用阻燃劑PAN和ETT復(fù)配，在60份時(shí)可以達(dá)到FV-0阻燃級、氧指數(shù)38.9%。在此基礎(chǔ)上添加少量氧化鋅和硼酸鋅作為阻燃協(xié)效劑，能有效提高對硅橡膠的阻燃效率，當(dāng)阻燃劑減少到55份時(shí)，垂直燃燒通過FV-0級，氧指數(shù)38.7%，同時(shí)所制阻燃材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到4.6 MPa，拉斷伸長率520%、撕裂強(qiáng)度達(dá)到20 kN/m，而且具有優(yōu)良的耐熱性。經(jīng)200 ℃×24 h熱空氣老化后，拉伸強(qiáng)度和拉伸長率保持率為83.5%、70.3%。

3.3 絕緣子風(fēng)壓分析

首先計(jì)算出絕緣傘裙有效迎風(fēng)面積，按照動(dòng)車最大行駛速度為300 km/h計(jì)算相對風(fēng)速V，就可計(jì)算絕緣傘裙所承受的風(fēng)力。風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努利方程得出風(fēng)-壓關(guān)系，風(fēng)的動(dòng)壓為：

wp=0.5·ro·v2 （1）

其中wp為風(fēng)壓（kN/m2）；ro為空氣密度（kg/m3），v為風(fēng)速（m/s）。

計(jì)算時(shí)采用環(huán)境條件為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（1013 hPa，溫度為15 ℃），空氣重度r=0.01225（kN/m3）。緯度為45°處的重力加速度g=9.8 m/s2時(shí)，可以計(jì)算出整個(gè)絕緣傘裙所受壓力。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由于空氣密度和ro與重度r的關(guān)系為r=ro·g，因此，有ro=r/g。將這一關(guān)系帶入公式（1）中得到：

wp=0.5·r·v2 （2）

將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的參數(shù)代入公（2）可得出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的風(fēng)壓公式：

wp=v2/1600（kN/m2） （3）

此式為用風(fēng)速估計(jì)風(fēng)壓的通用公式。應(yīng)當(dāng)指出的是，空氣重度和重力加速度隨緯度和海拔高度而變。一般來說，r/g在高原上要比在平原地區(qū)小，也就是說同樣的風(fēng)速在相同的溫度下，其產(chǎn)生的風(fēng)壓在高原上比在平原地區(qū)小。

列車在設(shè)計(jì)時(shí)速350 km時(shí)的速度97.22 m/s，自然風(fēng)速33 m/s代入（3）式中：

wp=v2/1600=10.60（kN/m2）

3.4 絕緣傘裙的有效受風(fēng)面積計(jì)算

絕緣傘裙如圖2所示，受風(fēng)面積以正面風(fēng)壓、斷面受風(fēng)為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，硅橡膠絕緣傘裙收縮到Φ60直徑的金屬支撐棒上后，傘裙的成型直徑為160 mm，傘裙根部厚度設(shè)計(jì)為16 mm，邊緣設(shè)計(jì)厚度為8 mm，傘裙高度120 mm，計(jì)算受風(fēng)面積為0.01232 m2。

傘裙絕緣部分在列車以300 kM/h速度行駛時(shí)正面斷面所受風(fēng)壓力為：wp=10.60（kN/m2）×0.01232= 0.13058 kN=13.058（Kg）

3.5 校驗(yàn)傘裙絕緣件的抗張強(qiáng)度

抗張強(qiáng)度=抗拉強(qiáng)度=0.13058 kN/ 0.01232=10.60（kPa）

該傘裙絕緣件采用甲基乙烯基硅橡膠的硫化膠，在配料的各組份選擇合適的情況下，柜橡膠硫化膠的機(jī)械強(qiáng)度可以獲得較高的水平，其抗張強(qiáng)度可達(dá)11～ 13 MPa，抗撕強(qiáng)度為20 kN/cm。

3.6 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算及分析可知，該絕緣傘裙安裝在動(dòng)車組以300 km/h速度行駛時(shí)所承受的正面風(fēng)壓遠(yuǎn)小于額定值，不會(huì)對動(dòng)車組的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對處理后的絕緣子進(jìn)行閃絡(luò)試驗(yàn)，第一次試驗(yàn)，閃絡(luò)電壓為144 kV，放電路徑為絕緣子的最短電氣間隙。

對處理后的絕緣子進(jìn)行，第二次閃絡(luò)試驗(yàn)，閃絡(luò)電壓為145 kV，閃絡(luò)放電位置與第一次相同（見圖3）。

對改進(jìn)前后的受電弓支撐絕緣子進(jìn)行污穢起霧閃絡(luò)試驗(yàn)，在絕緣子表面涂灰密1.0 mg/cm2，鹽密0.15 mg/cm2，進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為，加強(qiáng)絕緣處理前的污穢起霧閃絡(luò)電壓為37.5 kV，加強(qiáng)絕緣處理后的絕緣子的污穢起霧閃絡(luò)電壓升高至為42 kV。

5 結(jié)論

對受電弓支撐絕緣子進(jìn)行絕緣處理后，絕緣子的閃絡(luò)電壓由119 kV提高到144 kV，絕緣處理后的絕緣子閃絡(luò)電壓提升20%。污穢起霧閃絡(luò)電壓由37.5提高到42 kV，絕緣加強(qiáng)后的支撐絕緣子的污穢起霧閃絡(luò)電壓提高4.5 kV。最小電氣間隙由353提高到405 mm。絕緣能力提升了一個(gè)等級（最小電氣間隙370 mm，耐受閃絡(luò)電壓104 kV）。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T21413.1-2008鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛電氣設(shè)備第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則[S].

[2]BSEN 50124-1-2001鐵路應(yīng)用 絕緣配合第1部分：基本要求 電工電子設(shè)備的電氣間隙和爬電距離（英文）[S].