郭旭剛，郭晨曦，楊斯泐

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

鐵路供電技術(shù)

動(dòng)車組車頂絕緣子預(yù)防性試驗(yàn)研究*

郭旭剛，郭晨曦，楊斯泐

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

大范圍的低溫大霧天氣嚴(yán)重影響到動(dòng)車組車頂高壓外絕緣，對(duì)動(dòng)車組的安全、正點(diǎn)運(yùn)行造成干擾。動(dòng)車組作為運(yùn)動(dòng)的高壓電氣裝備，要保證它的安全運(yùn)行就必須按照高壓電氣設(shè)備的相應(yīng)規(guī)律進(jìn)行必要的預(yù)防性試驗(yàn)，現(xiàn)針對(duì)車頂絕緣子進(jìn)行了預(yù)防性試驗(yàn)研究。

動(dòng)車組；高壓電氣設(shè)備；車頂絕緣子；預(yù)防性試驗(yàn)

隨著近年來(lái)投入運(yùn)行動(dòng)車組數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，社會(huì)影響越來(lái)越大，對(duì)動(dòng)車組可靠性的要求越來(lái)越高。2011年12月以來(lái)，全國(guó)大范圍的低溫大霧天氣嚴(yán)重影響到動(dòng)車組車頂高壓外絕緣，發(fā)生了多起車頂絕緣閃絡(luò)、高壓互感器炸裂、牽引變壓器高壓進(jìn)線套管或高壓電纜T型接頭炸裂、斷路器真空滅弧室絕緣失效等事故，甚至由于高壓絕緣事故引發(fā)了接觸網(wǎng)斷線，對(duì)動(dòng)車組的安全、正點(diǎn)運(yùn)行造成干擾。目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車組的絕緣設(shè)計(jì)沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，既使是同一個(gè)電壓等級(jí)，選取的耐受電壓水平也存在較大的差異。比如，不同的動(dòng)車牽引主變壓器高壓側(cè)的額定雷電沖擊耐壓就有125，150，170，185 k V等多個(gè)取值。國(guó)外的情況也基本類似。

T B/T 3077中規(guī)定車頂絕緣子的結(jié)構(gòu)高度為400 m m，是綜合了各方面因素之后做出的選擇。目前，CRH2、CRH5等系列車型已經(jīng)采用了符合T B/T 3077要求的受電弓支持絕緣子，運(yùn)行過(guò)程中的絕緣事故明顯減少。但是CRH 380系列車型考慮到空氣阻力的影響，絕緣子的結(jié)構(gòu)高度有所減小，在遇到低溫（-3～-7℃）大霧的天氣［1］，絕緣事故率明顯上升。因此有必要研究適用于CRH 380系列車型的新型絕緣子，以改善車頂絕緣狀況。

作為運(yùn)動(dòng)的車頂高壓電氣設(shè)備，要保證它的安全運(yùn)行就必須按照高壓電氣設(shè)備的相應(yīng)規(guī)律進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

1　動(dòng)車組高壓絕緣事故調(diào)查與分析

動(dòng)車組高壓電氣系統(tǒng)的可靠性對(duì)于整個(gè)動(dòng)車組的可靠運(yùn)行具有重要意義。動(dòng)車組車頂高壓系統(tǒng)的主要部件有絕緣子、高壓電纜、高壓互感器、避雷器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)和牽引變壓器，高壓系統(tǒng)的可靠性與每個(gè)高壓部件的可靠性息息相關(guān)。因此提高動(dòng)車組車頂高壓電氣系統(tǒng)的可靠性應(yīng)具體到每一個(gè)車頂高壓部件，本文針對(duì)車頂高壓絕緣子進(jìn)行分析與研究。

目前車頂使用絕緣子主要是硅橡膠復(fù)合絕緣子和聚脂類絕緣子。硅橡膠復(fù)合絕緣子具有良好的機(jī)電性能和優(yōu)越的抗污閃能力，但是硅橡膠本身比較柔軟，抗撕裂性能差，自身不能作為結(jié)構(gòu)材料用，只能作外殼，其機(jī)械性能需要通過(guò)與其復(fù)合的支撐件來(lái)保證，因而在高速情況下傘裙有可能發(fā)生舞動(dòng)搭邊、撕裂和折斷等現(xiàn)象，而且作為機(jī)械支撐的芯棒存在脆斷的風(fēng)險(xiǎn)。聚酯類絕緣子需噴涂防污閃材料，不需噴憎水涂料，建議維護(hù)辦法是使用中性水進(jìn)行清洗，若污垢不易清理可用中性水加中性清潔劑進(jìn)行清理，比例不超過(guò)10∶1。資料［1］顯示在雨、雪、霧等惡劣天氣時(shí)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的頻率會(huì)明顯升高，因此除注重車頂絕緣子日常維護(hù)之外，在雨、雪、霧等惡劣天氣時(shí)應(yīng)增加對(duì)于車頂絕緣子的檢查頻次。

按設(shè)計(jì)要求動(dòng)車組壽命一般在25年以上，根據(jù)目前發(fā)現(xiàn)的這些故障，很多是由于目前我國(guó)動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、制造、配件選型、維護(hù)機(jī)制等方面還不是很完善，因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，源頭質(zhì)量問(wèn)題（包括設(shè)計(jì)不合理、制造缺陷、配件選型不合理等）都是導(dǎo)致故障的主要原因。

同時(shí)應(yīng)該對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和統(tǒng)計(jì)出的故障及時(shí)采取解決辦法，提高動(dòng)車組車頂高壓部件的質(zhì)量，加強(qiáng)日常維護(hù)和保養(yǎng)以提高動(dòng)車組車頂高壓電氣系統(tǒng)的可靠性。另外，對(duì)于車頂高壓部件燒損的問(wèn)題，應(yīng)該盡量減少尖端放電的可能、增加絕緣子的絕緣性能、提高設(shè)備質(zhì)量。

2　動(dòng)車組車頂絕緣子概況

根據(jù)目前動(dòng)車組車頂絕緣子類型和形式，對(duì)絕緣子的電氣性能、物理性能和力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)新型絕緣子、運(yùn)行一定時(shí)間后的絕緣子老化性能進(jìn)行測(cè)試。動(dòng)車組使用的絕緣子類型主要有受電弓支持用、母線支持用、隔離開(kāi)關(guān)用等，按使用材質(zhì)分有瓷質(zhì)絕緣子、聚酯類絕緣子和復(fù)合絕緣子3大類，如圖1和圖2所示。

圖1　動(dòng)車組車頂復(fù)合絕緣子（紅色外套），普通玻璃盤形絕緣子，城鐵D C 1 500 V聚酯絕緣子

圖2　動(dòng)車組車頂受電弓支持用聚酯類絕緣子

絕緣子的失效可分為內(nèi)部擊穿和外絕緣閃絡(luò)。外澆裝的瓷質(zhì)支柱絕緣子為不可擊穿型，只有內(nèi)澆裝的瓷絕緣子才可能發(fā)生內(nèi)擊穿。復(fù)合絕緣子由于存在界面問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程中如果界面工藝處理不當(dāng)，則運(yùn)行過(guò)程中可能受潮，絕緣性能逐漸下降，達(dá)到一定程度時(shí)，在工作電壓下也會(huì)發(fā)生內(nèi)部擊穿。更多情況下，絕緣子失效主要是由外絕緣發(fā)生閃絡(luò)造成的。

3　絕緣子的預(yù)防性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

動(dòng)車組車頂絕緣子的預(yù)防性試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［2-6］進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。

對(duì)抽樣絕緣子進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法如表1所示。

表1　絕緣子預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

4　絕緣子預(yù)防性試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

根據(jù)動(dòng)車組不同型號(hào)和材質(zhì)的車頂絕緣子在典型線路上的運(yùn)行情況，調(diào)查絕緣子使用中的老化規(guī)律，尤其是要掌握硅橡膠復(fù)合絕緣子憎水性喪失特性，為硅橡膠絕緣子退出運(yùn)行判據(jù)提供依據(jù)。本文僅給出典型案例的測(cè)試結(jié)果，選取兩家公司的絕緣子進(jìn)行抽檢試驗(yàn)。

4.1某公司產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果

某公司共提供8只產(chǎn)品，均為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，其中5只產(chǎn)品為經(jīng)過(guò)運(yùn)行使用，測(cè)試結(jié)果如下。

（1）界面和金屬附件連接區(qū)試驗(yàn)

未運(yùn)行的產(chǎn)品經(jīng)熱機(jī)試驗(yàn)后的陡波試驗(yàn)出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象，產(chǎn)品經(jīng)解剖后發(fā)現(xiàn)下附件處芯棒有明顯放電灼燒痕跡，芯棒整體有裂紋，未能滿足M D C L為8 k N的界面試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖3～圖5。

圖3　樣品解剖后電弧燒灼痕跡

圖4　樣品解剖后上、下附件電弧燒灼痕跡

圖5　樣品解剖后芯棒上的貫穿放電通道

（2）芯棒材料試驗(yàn)

10只直徑φ60 m m的芯棒樣品，長(zhǎng)度范圍在（9.9～10.2）m m（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（10±0.5）m m）放入盛有1%質(zhì)量的品紅乙醇溶液的玻璃容器中的鋼球上16 min（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)大于15 min）后，經(jīng)檢查，運(yùn)行后產(chǎn)品的芯棒樣品有貫穿滲透現(xiàn)象，呈現(xiàn)滲透點(diǎn)，未能滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

圖6　芯棒材料試驗(yàn)前后對(duì)比

（3）傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)

傘套材料均出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，并且有嚴(yán)重蝕損現(xiàn)象，未能滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4.2某公司產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果

某公司本批次送樣10只，其中1只為事故損壞的絕緣子；4只新絕緣子，5只為運(yùn)行后絕緣子。

圖7　傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)后情況

（1）界面和金屬附件連接區(qū)試驗(yàn)

4只新絕緣子中3只樣品經(jīng)熱機(jī)、水煮試驗(yàn)后，進(jìn)行陡波電壓試驗(yàn)，其中1只樣品在負(fù)極性第19次擊穿，其典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片如圖8所示；

圖8　新絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片

5只運(yùn)行后絕緣子中3只樣品經(jīng)熱機(jī)、水煮試驗(yàn)后，進(jìn)行陡波電壓試驗(yàn)，其中2只分別在負(fù)極性第6次和正極性第22次擊穿，其典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片分別如圖9和圖10所示；

圖9　運(yùn)行后絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片

圖10　運(yùn)行后絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片

（2）傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)

取新絕緣子1只樣品中傘套材料的5片試樣，表面經(jīng)打磨處理，用蒸餾水清洗干凈后，采用恒壓法進(jìn)行漏電起痕和電蝕損試驗(yàn)，其中前3片試樣分別在178 min、124 min、107 min過(guò)流中斷，如圖11所示。

圖11　新絕緣子傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)

取運(yùn)行后絕緣子1只樣品中傘套材料的5片試樣，表面經(jīng)打磨處理，用蒸餾水清洗干凈后，采用恒壓法進(jìn)行漏電起痕和電蝕損試驗(yàn)，其中5片試樣均過(guò)流中斷，如圖12所示。

圖12　運(yùn)行后絕緣子傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)

4.3憎水性恢復(fù)特性試驗(yàn)結(jié)果

憎水性是指固體材料的一種表面性能，水在憎水性的固體表面形成的是一種相互分離的水滴或者水珠狀態(tài)，而不是連續(xù)的水膜或者水片狀態(tài)。憎水性狀態(tài)用靜態(tài)接觸角θ和憎水性分級(jí)（H C：H ydrophobcity Class）來(lái)表示。

測(cè)量復(fù)合絕緣子憎水性的噴水分級(jí)法［7］是由瑞典輸配電研究所（the S wedish Transmission Research Institute，S T RI）提出的。該方法操作簡(jiǎn)單，用普通噴壺對(duì)試品表面噴灑水霧，觀察水分在試品表面的分布情況，對(duì)比分級(jí)判據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)圖片，得出絕緣子表面的憎水性狀況。該方法用H C（H ydrophobcity Class）等級(jí)來(lái)表征絕緣子表面的憎水性狀態(tài)。S T RI G uide-92/1將硅橡膠表面的憎水性分為H C1～H C7級(jí)：H C1～H C3級(jí)為憎水性狀態(tài)，其中H C1級(jí)對(duì)應(yīng)憎水性最強(qiáng)的狀態(tài)（即絕緣子表面形成分布均勻的完全規(guī)則的球狀水珠）；H C4級(jí)為中間過(guò)渡狀態(tài)（即絕緣子表面形成分離的水珠和連續(xù)的水膜共存的狀態(tài)）；H C5～H C7級(jí)為親水性狀態(tài)，其中H C7級(jí)分別對(duì)應(yīng)憎水性最差的狀態(tài)（即絕緣子表面形成完全的水膜）。

在IE C/T S 62073-2003中，“H C等級(jí)”被重新命名為“W C等級(jí)”（W ettability Class），但W C各等級(jí)所對(duì)應(yīng)的絕緣子表面濕潤(rùn)狀態(tài)與H C等級(jí)所對(duì)應(yīng)的完全一致。與S T RI G uide-92/1不同的是：IE C/T S 62073 -2003將W C1～W C2規(guī)定為憎水性狀態(tài)，將W C3～W C5規(guī)定為中間過(guò)渡狀態(tài)，而將W C6～W C7規(guī)定為親水性狀態(tài)，本文采用W C等級(jí)這一概念。

復(fù)合絕緣子的憎水性和憎水遷移性取決于材料本身，受運(yùn)行時(shí)間的影響。憎水性是衡量復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能的重要指標(biāo)，復(fù)合絕緣子憎水性和憎水遷移性是復(fù)合絕緣子具有優(yōu)異耐污閃性能的基礎(chǔ)。水珠大小和表面粗糙度對(duì)憎水性影響顯著，水珠越大，靜態(tài)接觸角受重力影響越大，測(cè)量誤差越大，表面越粗糙，靜態(tài)接觸角越大，當(dāng)粗糙度達(dá)到一定時(shí)靜態(tài)接觸角趨于穩(wěn)定。

分別從某公司的灰色和紅色絕緣子樣品上割取傘材料進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)傘材料的憎水性通常特性、憎水性遷移特性、憎水性減弱特性和憎水性恢復(fù)特性。檢測(cè)方法和判據(jù)可參見(jiàn)D L/T 864，不符合要求時(shí)應(yīng)進(jìn)行復(fù)涂。

經(jīng)過(guò)憎水性減弱特性后的灰色和紅色樣片，用濾紙吸去表面水分，放置在試驗(yàn)室環(huán)境下靜置48 h，取出樣片后測(cè)量樣品的憎水性能，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2和表3，測(cè)試結(jié)果照片見(jiàn)圖13和圖14。

表2　灰色樣片憎水性恢復(fù)特性試驗(yàn)結(jié)果，樣號(hào)8測(cè)試結(jié)果

圖13　灰色樣片憎水性恢復(fù)角度和憎水性恢復(fù)分級(jí)

表3　紅色樣片憎水性恢復(fù)特性試驗(yàn)結(jié)果，樣號(hào)9測(cè)試結(jié)果

圖14　紅色樣片憎水性恢復(fù)角度和憎水性恢復(fù)分級(jí)

同時(shí)進(jìn)行了絕緣子憎水性遷移特性試驗(yàn)，結(jié)果表明復(fù)合絕緣子的憎水性遷移特性對(duì)高速動(dòng)車組外絕緣不再是防污閃的最重要特性，傘裙造型對(duì)外絕緣的影響更加突出，今后絕緣子設(shè)計(jì)制造應(yīng)予以重視。

5　結(jié)束語(yǔ)

由上述預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同廠家和不同型號(hào)的產(chǎn)品經(jīng)熱機(jī)試驗(yàn)后的陡波試驗(yàn)出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象；傘套材料均出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，并且有嚴(yán)重蝕損現(xiàn)象，且運(yùn)行后產(chǎn)品的芯棒呈現(xiàn)滲透點(diǎn)，未能滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；復(fù)合絕緣子的憎水性恢復(fù)特性均有不同程度喪失，這是由于復(fù)合絕緣子的運(yùn)行環(huán)境不同于地面靜態(tài)運(yùn)行方式造成的，灰色產(chǎn)品的憎水性各檢測(cè)的特性良好，明顯優(yōu)于紅色產(chǎn)品的相關(guān)性能。

所以加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程控制至關(guān)重要，同時(shí)應(yīng)提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。同時(shí)我國(guó)高速動(dòng)車組高壓電氣系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)還處于空白期，有必要編寫相應(yīng)的檢修試驗(yàn)導(dǎo)則來(lái)指導(dǎo)動(dòng)車組高壓設(shè)備的預(yù)防性試驗(yàn)和診斷試驗(yàn)，為完善動(dòng)車組檢修規(guī)程提供技術(shù)依據(jù)。

［1］ 郭晨曦，焦文根.霜狀冰對(duì)電力機(jī)車高壓外絕緣的影響［J］.鐵道機(jī)車車輛：2009，29（1）：13-16.

［2］ G B/T 20142-2006.標(biāo)稱電壓高于1000 V的交流架空線路用線路柱式復(fù)合絕緣子—定義、試驗(yàn)方法及接收準(zhǔn)則［S］.

［3］ G B/T 775.2-2003.絕緣子試驗(yàn)方法第2部分：電氣試驗(yàn)方法［S］.

［4］ JB/T 10944-2010.電氣絕緣用玻璃纖維增強(qiáng)擠拉型材—復(fù)合絕緣子芯棒［S］.

［5］ D L/T 864-2004.標(biāo)稱電壓高于1000 V交流架空線路用復(fù)合絕緣子使用導(dǎo)則［S］.

［6］ T B/T 3077.2-2006.電力機(jī)車車頂絕緣子第2部分：復(fù)合絕緣子［S］.

［7］ ST RI Guide 92-1.H ydrophobicity Classification Guide［Z］.S wedish Transmission Research Institute，1992.

Research on Preventive Test of High-speed EMU Roof Insulator

G U O X ugang，G U O Chenxi，Y A N G Sile
（Loco m otive and Car Research Institute，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

A wide range of cold fog weather seriously affects the pressure outside the EMU roof insulation，w hich causes disruption to safety and punctual running of High-speed EMU.In order to ensure the safe operation of High-speed EMU，itis necessary to take preventive test according to the corresponding rules of high voltage electrical.The research on preventive test of High-Speed EMU roofinsulator will be discussed in this paper.

electric m ultiple units（EMU）；high voltage electric divice；roof insulator；preventive test

U225.4+3

B

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.15

1008-7842（2015）05-0067-05

*鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目（J2013J001）

郭旭剛（1986—）男，研究實(shí)習(xí)員（2015-05-14）