繩 賀

(中鐵建電氣化局集團(tuán)科技有限公司 河北高碑店 074000)

1 前言

分段絕緣器是磁浮接觸軌系統(tǒng)中的重要組成部分，其主要作用是把供電線路分隔成獨(dú)立的供電區(qū)。一般情況下，磁浮機(jī)車(chē)受電靴帶電滑行通過(guò)，如果其中一側(cè)供電區(qū)出現(xiàn)故障或者需要停電檢修，分段絕緣器就能夠使部分接觸軌斷電，而不影響其他供電區(qū)的正常工作，從而使供電區(qū)運(yùn)行的可靠性和靈活性大幅提高[1－2]。

2 磁浮接觸軌系統(tǒng)中分段絕緣器常見(jiàn)故障分析

磁浮接觸軌系統(tǒng)中分段絕緣器的接觸面設(shè)置有槽道，受電靴長(zhǎng)期摩擦產(chǎn)生的導(dǎo)電微粒在槽道內(nèi)沉積，而導(dǎo)電微粒存在連通導(dǎo)電的風(fēng)險(xiǎn)，使得絕緣器存在喪失其絕緣功能的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)槽道對(duì)于受電靴的磨損和絕緣器的磨損也不容忽視。

目前，我國(guó)已建成多條磁浮線路，由于磁浮機(jī)車(chē)的受電靴為碳滑板，受電靴在接觸軌的表面滑行時(shí)會(huì)在凹槽里堆積碳粉，時(shí)間久后絕緣器的表面和凹槽就會(huì)通過(guò)堆積的碳粉連接成為一個(gè)導(dǎo)電體，將導(dǎo)致絕緣器電分段的性能消失。

正常情況下，各個(gè)供電分區(qū)獨(dú)立供電，正極帶電、負(fù)極不帶電。當(dāng)相鄰兩供電分區(qū)的正極分段絕緣器絕緣性能喪失，兩個(gè)供電分區(qū)的其中一個(gè)供電分區(qū)停電，停電的供電分區(qū)正極會(huì)通過(guò)分段絕緣器與帶電的供電分區(qū)正極形成通路，導(dǎo)致停電的供電分區(qū)帶電。因變電所內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)的出線端高壓帶電顯示裝置連接在正負(fù)極銅排之間，電壓通過(guò)高壓帶電顯示裝置引至負(fù)極，這樣就會(huì)帶來(lái)施工的風(fēng)險(xiǎn)。

3 磁浮接觸軌系統(tǒng)中分段絕緣器優(yōu)化措施

(1)優(yōu)化分段絕緣器結(jié)構(gòu)

目前，磁浮列車(chē)普遍使用裝配碳滑板的受電靴，受電靴通過(guò)分段絕緣器時(shí)，碳滑板與分段絕緣器的上表面直接摩擦，并在摩擦面上形成一層致密的碳膜。試驗(yàn)證明，在干燥的狀態(tài)下，附著碳膜的分段絕緣器扔呈現(xiàn)較高的電阻值；但在表面淋水潮濕的狀態(tài)下，其表面會(huì)放電，產(chǎn)生燒灼的現(xiàn)象。

鑒于目前存在的問(wèn)題，通過(guò)改型設(shè)計(jì)、材質(zhì)的選用、技術(shù)等方面進(jìn)行研究，確定使用雙層設(shè)計(jì):第一層為受電靴滑行面，此設(shè)計(jì)為相互交叉斷開(kāi)結(jié)構(gòu)，避免了在使用過(guò)程中產(chǎn)生的碳粉聚集導(dǎo)致串電。第二層為凹槽設(shè)計(jì)，一方面的作用使第一層斷開(kāi)結(jié)構(gòu)連接成為一整體；另一方面的作用是增加兩端帶電體之間的爬電距離，防止串電。分段絕緣器整體涂敷優(yōu)鎖防腐漆，碳粉僅僅依附在分段絕緣器表面，雨水沖刷即可清潔分段絕緣器表面，從而總體實(shí)現(xiàn)免維護(hù)功能。

(2)表層處理

固體表面的濕潤(rùn)過(guò)程可分為鋪展、浸潤(rùn)和沾濕3種，而發(fā)生在分段絕緣器表面污層的濕潤(rùn)主要由污層的吸濕性、霧的冷凝以及水分子在污層擴(kuò)散造成。當(dāng)分段絕緣器表面受潮時(shí)，由于霧的冷凝和水分子與表面的碰撞在相同條件下是一致的，因此，造成分段絕緣器表面受潮的影響因素主要取決于污層的吸濕能力以及水分子在污層中的擴(kuò)散能力。

分段絕緣器的受潮速度主要影響因素為水珠存留時(shí)間的長(zhǎng)短及水珠與污層間的凝結(jié)力。當(dāng)水珠存留量大、與污層接觸時(shí)間長(zhǎng)，表面憎水性喪失速度較快，水珠對(duì)污層表面壓力增大，會(huì)增加其滲入污層的滲透壓力，水分就易于滲入污層內(nèi)，表面憎水性弱化速度加快。當(dāng)水珠在分段絕緣器表面吸附時(shí)，其重力方向與其吸附力方向相反，當(dāng)水珠與污層接觸時(shí)間短時(shí)，污層接觸面小，易于從污層表面滴落，因而下表面受潮速度緩慢。

為盡量避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生，在高壓絕緣子類產(chǎn)品上都會(huì)涂一層疏水性涂料，但受外界環(huán)境的影響，分段絕緣器表面的涂料會(huì)失去憎水性功能。憎水性功能的喪失會(huì)導(dǎo)致分段絕緣器憎水性下降。如果憎水性的差異表現(xiàn)在不同位置，分段絕緣器局部的憎水性就會(huì)完全喪失。比如在分段絕緣器的噴涂過(guò)程中，在其絕緣部及連接部中間隔層位置出現(xiàn)漏涂現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致憎水性出現(xiàn)較大的差異。不僅如此，人為破壞對(duì)涂層造成的脫落，或污穢在絕緣子表面長(zhǎng)期積累沉降造成的差異，均有可能對(duì)分段絕緣器表面憎水性造成差異。

分段絕緣器表面涂敷高分子納米疏水性絕緣材料(RTV)，可有效抑制導(dǎo)電顆粒等在其表面沉積，具有良好的防污閃功能。涂敷疏水性涂料后，其特殊性質(zhì)會(huì)同化分段絕緣器表面的污穢，致使污穢也具有一定的憎水性。由于憎水性的機(jī)理，在分段絕緣器浸水后，會(huì)阻止放電通道的形成，減小泄漏電流帶來(lái)的不利影響[3]。

4 分段絕緣器性能要求

一個(gè)狀態(tài)良好、運(yùn)行穩(wěn)定的分段絕緣器應(yīng)滿足下列幾點(diǎn)要求:

(1)優(yōu)良的絕緣性能

在日常檢修線路中，檢查分段絕緣器有無(wú)破損、裂紋和燒傷現(xiàn)象。如有以上缺陷，應(yīng)立即進(jìn)行更換處理。

(2)平滑過(guò)渡、穩(wěn)定性好

當(dāng)受電靴正常通過(guò)分段絕緣器時(shí)，分段絕緣器能承受最高設(shè)計(jì)時(shí)速的受電靴沖擊，并且各部件受力狀態(tài)良好，保證分段絕緣器及其連接部件的平滑連接過(guò)渡，無(wú)打靴現(xiàn)象。受電靴在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)各部位的彈性沖擊不可避免，應(yīng)盡量減小與本跨距內(nèi)接觸軌彈性誤差，減小彈性破壞。

(3)轉(zhuǎn)移負(fù)荷過(guò)程中電弧盡量小

受電靴在通過(guò)分段絕緣器時(shí)，由于負(fù)荷的轉(zhuǎn)換及分段兩端存在電位差，因此在通過(guò)分段絕緣器時(shí)產(chǎn)生電弧不可避免，但應(yīng)盡量采取措施減小電弧的危害程度[4－5]。

5 優(yōu)化后分段絕緣器結(jié)構(gòu)形式

分段絕緣器包括絕緣部101、絕緣支撐連接部102。

絕緣部101由E型部件和Π型部件構(gòu)成(不相交的部件構(gòu)成)，受電靴在面1011上滑動(dòng)。接觸面1011平順度好，可有效減小受電靴磨耗；絕緣支撐連接部102保證了分段絕緣器的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。設(shè)置有一定間距的槽道，可有效增大分段絕緣器的爬電距離。

分段絕緣器表面涂敷高分子納米疏水性絕緣材料，可有效抑制導(dǎo)電顆粒等在其表面沉積。分段絕緣器具有自潔功能，可大幅降低日常維護(hù)的工作量。

分段絕緣器通過(guò)開(kāi)孔103，采用螺栓與供電軌連接。分段絕緣器結(jié)構(gòu)及安裝見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 分段絕緣器結(jié)構(gòu)

圖2 分段絕緣安裝使用示意

6 分段絕緣器的材料選擇

當(dāng)受電靴在分段絕緣器的滑行部分運(yùn)行時(shí)(見(jiàn)圖3)，由于相互摩擦對(duì)滑行部分產(chǎn)生的磨耗較大，這就需選擇摩擦系數(shù)小的材質(zhì)作為分段絕緣器的母材。除需對(duì)摩擦系數(shù)的考慮外，分段絕緣器在磁浮線路中會(huì)受到熱膨脹力，這就要求母材需具有一定的力學(xué)性能。綜上，母材選取聚四氟乙烯和G11環(huán)氧板進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 分段絕緣示意

(1)聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，簡(jiǎn)寫(xiě)為PTFE)為以四氟乙烯作為單體聚合制得的聚合物，白色蠟狀，半透明，耐熱及耐寒性優(yōu)良，可在－180℃～260℃長(zhǎng)期使用。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，幾乎不溶于所有的溶劑，耐候性好，有塑料中最佳的老化壽命；不黏附，是固體材料中表面張力最小者，不黏附任何物質(zhì)；同時(shí)，聚四氟乙烯具有耐高溫的特點(diǎn)，且摩擦系數(shù)極低，是固體材料中摩擦系數(shù)最低者[6－8]。

在通過(guò)拉力試驗(yàn)測(cè)試下，以聚丙乙烯為材質(zhì)的分段絕緣器在10.62 kN作用力下，外觀上無(wú)破壞；分段絕緣器絕緣部分由原來(lái)的200.3 mm變?yōu)?03.74 mm，卸載至0后回至200.4 mm。但由于此材質(zhì)的分段絕緣器形變量偏大，其滑行部分的強(qiáng)度低，受電靴在通過(guò)時(shí)易產(chǎn)生擠壓形變，對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響。綜合考量，雖然此材質(zhì)絕大多數(shù)參數(shù)均滿足要求，但其關(guān)鍵部位的力學(xué)強(qiáng)度不夠，不能作為分段絕緣器的首選母材(見(jiàn)圖4)。

圖4 分段絕緣拉力測(cè)試

(2)G11環(huán)氧板材料機(jī)械性能高、耐潮性、耐高溫；優(yōu)良的阻燃性達(dá)到UL94V-0級(jí)；優(yōu)良的加工性能，可根據(jù)不同的圖紙加工成不同的樣式，且易切割；良好的吸水率，吸水系數(shù)幾乎為零，24 h的浸水也只有0.09%，滿足各種載荷下的受力要求，同時(shí)滿足電氣絕緣性能要求。實(shí)際的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表2。

表2 分段絕緣器電學(xué)性能

通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)可看出，分段絕緣器的電學(xué)性能及力學(xué)性能都能滿足實(shí)際線路運(yùn)行需要，并且滑行部分的強(qiáng)度也能保證受電靴正常運(yùn)行。

7 分段絕緣器機(jī)械及電學(xué)性能

分段絕緣器作為供電系統(tǒng)的重要部件，其機(jī)械和電學(xué)性能必須滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。國(guó)家權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品相關(guān)性能進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1；電學(xué)性能檢測(cè)主要檢測(cè)項(xiàng)目包括絕緣電阻、泄漏電流、雷電全波沖擊耐受電壓試驗(yàn)、工頻干耐受電壓、工頻濕耐受電壓、人工污穢工頻耐受電壓試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表1和表2可以看出此產(chǎn)品相關(guān)性能均合格，可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用要求。

8 結(jié)束語(yǔ)

磁浮供電系統(tǒng)中分段絕緣器是供電線路的絕緣設(shè)備，其主要作用是對(duì)各供電分區(qū)的電氣進(jìn)行分隔和機(jī)械連接，是供電系統(tǒng)中的重要組成部分。設(shè)置在兩電分段區(qū)間，一旦發(fā)生串電事故，很可能會(huì)引發(fā)維修人員的觸電危險(xiǎn)。因此，必須要對(duì)分段絕緣器的常見(jiàn)故障進(jìn)行研究，找出引發(fā)故障的原因，制定優(yōu)化措施，優(yōu)化分段絕緣器的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)日常維護(hù)等，以此來(lái)降低分段絕緣器的故障發(fā)生頻率，保證磁浮機(jī)車(chē)運(yùn)行暢通。