甄德印

(中國(guó)鐵路總公司　工程質(zhì)量安全監(jiān)督局, 北京 100844)

電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)中，接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)是安全運(yùn)行的薄弱部位，常常因各種原因造成絕緣子污閃放電，一般情況，隔離開(kāi)關(guān)瞬時(shí)放電后能自動(dòng)恢復(fù)絕緣，接觸網(wǎng)跳閘后能再次送電成功，恢復(fù)正常運(yùn)行。但某鐵路局多次發(fā)生因開(kāi)關(guān)絕緣子污閃放電，燒損電動(dòng)開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等設(shè)備設(shè)施的問(wèn)題，造成電動(dòng)開(kāi)關(guān)無(wú)法遠(yuǎn)程操作，影響了列車(chē)運(yùn)行。因此，需認(rèn)真分析原因，制定相應(yīng)防范措施。

1　故障分析

1.1　故障概況及相關(guān)設(shè)備信息

2016年3月24日07時(shí)19分某變電所某供電臂216斷路器跳閘，電流速斷保護(hù)動(dòng)作，跳閘信息：電流2 864 A，電壓21 628 V，阻抗5.34，阻抗角∠56.9°。巡視人員巡視發(fā)現(xiàn)，該接觸網(wǎng)供電臂上226#支柱隔離開(kāi)關(guān)絕緣子出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重放電現(xiàn)象(圖1)，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)箱燒損嚴(yán)重(圖2)，遠(yuǎn)動(dòng)控制箱燒損嚴(yán)重(圖3)。后續(xù)故障分析過(guò)程中，了解到向開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)提供電源的供電裝置(變壓器低壓開(kāi)關(guān))及變電所控制屏內(nèi)遠(yuǎn)動(dòng)控制光纜端頭(圖4)也被燒損。為便于分析，相關(guān)設(shè)備示意如圖5。

圖1　226#支柱隔離開(kāi)關(guān)絕緣子

圖2　電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)箱

圖3　運(yùn)動(dòng)控制箱

其中GW為接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)；M為操作機(jī)構(gòu)電機(jī)；R1為接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)接地電阻；R2為遠(yuǎn)動(dòng)控制箱接地電阻；R3為10 kV貫通線變壓器接地電阻。

相關(guān)設(shè)備信息：利用接地電阻表測(cè)得接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)接地電阻(也是支柱接地電阻)為8.2 Ω，滿足規(guī)范不大于10 Ω的要求；隔離開(kāi)關(guān)絕緣子放電原因?yàn)槲坶W放電，226#支柱距離變電所13.652 km；接觸網(wǎng)單位阻抗0.38 Ω/km,阻抗角70°。

圖4　運(yùn)動(dòng)控制光纜端頭

圖5　相關(guān)設(shè)備示意圖

1.2　隔離開(kāi)關(guān)污閃分析

顯然，隔離開(kāi)關(guān)絕緣子污閃是操作機(jī)構(gòu)燒損的源頭性原因，對(duì)其進(jìn)行分析既有利于找出防止污閃的措施，也有利于操作機(jī)構(gòu)燒損分析。

污閃發(fā)生過(guò)程大致如下[1-2]：絕緣子表面的污穢受潮濕潤(rùn)后，污穢層中的鹽分等高導(dǎo)電率溶質(zhì)溶解，絕緣子的表面電阻大大降低，在電壓作用下，流經(jīng)絕緣子表面的泄漏電流顯著增加，泄漏電流產(chǎn)生熱量加熱污穢層。污穢層沿絕緣子表面的分布是不均勻的，使絕緣子表面各部分的電流密度不一樣，受熱也是不均勻的。在電流密度大且污穢層較薄的地方，水分迅速蒸發(fā)，形成電阻較大的干燥區(qū)，它與電阻較小的濕潤(rùn)區(qū)串聯(lián)，承擔(dān)的電壓降大大增加，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣擊穿(電離)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，干燥區(qū)就會(huì)發(fā)生局部電弧放電。由于局部電弧通道的電阻較低，故通道中的泄漏電流較大，局部放電通道端部附近的表面也迅速受熱烘干，再進(jìn)一步的發(fā)展就有兩種可能性：一種是當(dāng)污穢較輕或絕緣子的泄露距離(簡(jiǎn)稱(chēng)：爬距)較長(zhǎng)，其余串聯(lián)濕潤(rùn)部分的電阻還比較大，干燥區(qū)域擴(kuò)大將使泄漏電流減小，當(dāng)局部放電通道的長(zhǎng)度增加到一定程度時(shí)，其承擔(dān)的電壓已不足以維持這樣長(zhǎng)的局部電弧放電，放電將熄滅；另一種是當(dāng)污穢嚴(yán)重或絕緣子泄露距離較小時(shí)，其余濕潤(rùn)部分的電阻小一些，局部放電通道中的電流較大，通道中會(huì)產(chǎn)生熱游離，則局部電弧將繼續(xù)伸長(zhǎng)，發(fā)展到沿整個(gè)絕緣表面，形成污閃。

通過(guò)分析可知：加大絕緣子爬弧距離、提高絕緣子防污性能以及對(duì)絕緣子污物及時(shí)清理可以大大減少污閃發(fā)生，自然也就大大降低操作機(jī)構(gòu)燒損的概率。

1.3　隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱電位抬高量計(jì)算

圖6　供電臂等效電路圖

(3)污閃電?。捍罅吭囼?yàn)研究表明，穩(wěn)定燃燒的交流電弧呈電阻的特性[6-7]，對(duì)于大部分電弧，當(dāng)電弧電流的峰值在1．4～24 kA范圍內(nèi)時(shí)，沿著主弧柱的單位長(zhǎng)度的電壓降與電弧電流無(wú)關(guān)，基本為常數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值為15 V/cm[3-4]。隔離開(kāi)關(guān)絕緣子高度40 cm,電弧長(zhǎng)度約50 cm,故電弧電壓U2=15×50=700 V。

(4)接地極電位抬升計(jì)算如下：

圖7　相量關(guān)系圖

1.4　機(jī)構(gòu)箱燒損分析

接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)污閃放電，電流沿隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)桿、接地線、接地極進(jìn)入大地，造成接地極R1上部電位(也是隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱電位)抬升較大，通過(guò)1.3中計(jì)算得知，操作機(jī)構(gòu)箱電位抬升到7 663 V,而箱內(nèi)控制電纜、端子排及電氣設(shè)備運(yùn)行電位為220 V(相線部分)和0 V(零線部分)。隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱與內(nèi)部控制線路、端子排、電氣設(shè)備形成巨大電位差，而電纜線、端子排、電氣設(shè)備額定耐壓僅1 000 V左右,勢(shì)必出現(xiàn)操作箱內(nèi)線纜、端子排反向擊穿放電，造成燃弧燒損；擊穿后的控制電纜又將高電位帶到遠(yuǎn)動(dòng)控制箱內(nèi)，燒損電源開(kāi)關(guān)等設(shè)備；通過(guò)電源電纜，高電位又傳到變壓器低壓開(kāi)關(guān)，造成開(kāi)關(guān)絕緣擊穿燒損；通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)控制光纜鎧帶，高壓傳到牽引變電所，光纜端頭鎧帶對(duì)控制屏接地放電，引起燃弧燒損。

2　對(duì)　策

根據(jù)開(kāi)關(guān)操作箱等設(shè)備燒損的原因，可采取以下對(duì)策：

(1)提高隔離開(kāi)關(guān)防污閃性能

開(kāi)關(guān)絕緣子污閃是操作機(jī)構(gòu)燒損的源頭性原因，采取對(duì)隔離開(kāi)關(guān)絕緣子加大爬弧距離、涂刷防污涂料、及時(shí)清理污物等措施，可有效降低開(kāi)關(guān)絕緣子污閃發(fā)生的概率。

(2)降低開(kāi)關(guān)操作箱接地電阻

降低開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)接地電阻可以降低操作機(jī)構(gòu)箱電位抬升，使其控制在1 000 V以下，防止操作箱內(nèi)反向擊穿放電。但是，通過(guò)以上分析可知，若使電壓抬升由7 000 V多降至1 000 V以下，需大大降低接地電阻，接地裝置需有較大的改造。

(3)切斷操作箱高電位的來(lái)源通道

將GW開(kāi)關(guān)接地裝置與操作機(jī)構(gòu)箱進(jìn)行絕緣隔離，不讓開(kāi)關(guān)箱出現(xiàn)高電勢(shì)。采取措施：①隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)桿用絕緣材料或中間加絕緣；②操作箱與支柱絕緣安裝；③隔離開(kāi)關(guān)接地引下線采用絕緣電纜；④隔離開(kāi)關(guān)接地極單獨(dú)設(shè)置，距離操作機(jī)構(gòu)箱接地極大于15 m。

(4)操作機(jī)構(gòu)箱、遠(yuǎn)動(dòng)控制箱內(nèi)電源線、控制線裝設(shè)浪涌保護(hù)器

裝設(shè)浪涌保護(hù)器后，一旦操作箱、遠(yuǎn)動(dòng)控制箱有高電位，浪涌保護(hù)器瞬時(shí)導(dǎo)通，使得電源線、控制線電壓和操作機(jī)構(gòu)箱等電位，不會(huì)出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象，不會(huì)造成設(shè)備燒損。

(5)將操作機(jī)構(gòu)箱接地、遠(yuǎn)動(dòng)控制箱接地、變壓器接地采用絕緣電纜聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)等電位

該措施起到水漲船高的效果，操作機(jī)構(gòu)箱、遠(yuǎn)動(dòng)控制箱、變壓器開(kāi)關(guān)箱電位協(xié)調(diào)一致，不會(huì)發(fā)生線纜、設(shè)備與箱體出現(xiàn)較高電位差的現(xiàn)象。

(6)變電所控制光纜裝設(shè)入戶絕緣節(jié)

該措施防止光纜將高電位帶到所內(nèi)燒損室內(nèi)設(shè)備的作用。

(7)裝設(shè)隔離變壓器

變電所附近的隔離開(kāi)關(guān)的操作電源一般來(lái)自變電所內(nèi)交流屏，為防止將高電位帶到所內(nèi)，需在所內(nèi)裝設(shè)隔離變壓器給外部開(kāi)關(guān)操作箱供電。

3　結(jié)束語(yǔ)

闡述了一起接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)燒損故障，分析了產(chǎn)生問(wèn)題的原因，據(jù)此針對(duì)性地提出防范措施，部分措施已經(jīng)被采取，并取得良好效果。文中分析成果對(duì)接觸網(wǎng)運(yùn)行管理和工程設(shè)計(jì)具有較好的實(shí)用價(jià)值。