申冀蘇

（中鐵電氣化鐵路運營管理有限公司海南維管段，北京101200）

1 概述

絕緣子是電氣化鐵路接觸網(wǎng)的重要組成部分，近年來因絕緣子問題影響電氣化鐵路接觸網(wǎng)正常供電的事件數(shù)不勝數(shù)，為降低絕緣子問題對電氣化鐵路運輸?shù)挠绊懀娱L絕緣子的使用壽命，作者研究、分析了絕緣子使用壽命的幾個因素。

2 影響絕緣子使用壽命的因素

2.1 設(shè)計方面

2.1.1 傘裙形狀

絕緣子的傘裙結(jié)構(gòu)比較簡單，傘的下表面無棱，是光滑的，可分為等徑傘和大小傘兩大類。傘裙結(jié)構(gòu)的不同將很大程度上影響產(chǎn)品的性能，大小傘結(jié)構(gòu)的絕緣子其兩個大傘之間的距離比等徑傘結(jié)構(gòu)的絕緣子兩傘之間的距離要大，因此耐覆冰雪和耐雨閃的性能較好，并可有效避免傘間電弧橋絡(luò)。[1]這里所涉及的絕緣子均采用大小傘相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。

小結(jié)：傘裙形狀、傘間距、傘伸出選擇不當(dāng)，未充分考慮耐雨閃、耐冰雪等要求，會導(dǎo)致發(fā)生傘間電弧橋絡(luò)現(xiàn)象或絕緣子泄露距離不足，縮短使用壽命。

2.1.2 絕緣材質(zhì)

①陶瓷是將無機非金屬材料的粉末粘結(jié)塑型后，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)定型制成的一種非均勻固體材料。然而陶瓷作為非均質(zhì)材料，存在大量的內(nèi)部缺陷，長期使用過程中這些缺陷會逐步擴展，導(dǎo)致機械性能下降。此外，由于絕緣子上瓷件、鐵帽、鋼架膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力，同樣會使得缺陷擴散，導(dǎo)致絕緣子失效。[2]②玻璃是由石英砂、白云石、長石、石灰石和其它化工原料經(jīng)過高溫熔融成液體后冷凝而成的一種均質(zhì)非晶體。根據(jù)化學(xué)成分的不同，玻璃絕緣子也可進一步分為石英玻璃、鈉鈣玻璃、鉛玻璃、硼硅玻璃等。玻璃絕緣子其不足之處是，由于表面為高能面，有親水性，玻璃絕緣子在被水浸潤后會形成連續(xù)水膜，形成導(dǎo)電通路，抗污閃能力差，易發(fā)生污閃現(xiàn)象。③復(fù)合絕緣子或稱有機絕緣子。常見的復(fù)合絕緣子主要由環(huán)氧樹脂與硅橡膠作為其絕緣材料。當(dāng)復(fù)合絕緣子在線運行一段時間后，由于放電或污物的作用，其疏水性會出現(xiàn)下降，在一定條件下會部分或完全得到恢復(fù)。硅橡膠絕緣子電氣性能和憎水性都很好，但在使用過程中出現(xiàn)性能退化后，難以通過現(xiàn)場檢測的手段發(fā)現(xiàn)。

小結(jié)：瓷絕緣子、鋼化玻璃絕緣子、硅橡膠絕緣子具有各自的優(yōu)缺點，設(shè)計時若不充分考慮線路實際情況，選擇不當(dāng)，一是會增加線路建設(shè)成本，二是惡劣條件下設(shè)備絕緣性能不滿足實際需要，容易發(fā)生絕緣閃絡(luò)等，降低使用壽命。

2.1.3 爬電距離

針對污穢等級劃分，考慮到污濕特征、等值附鹽密度和運行經(jīng)驗等方面的因素，分成了0-Ⅳ五個等級，0、Ⅰ、Ⅱ級污穢等級區(qū)域要求泄露距離不小于1400mm，Ⅲ、Ⅳ級污穢等級區(qū)域要求泄露距離不小于1600mm，在海拔超過1000m 的地區(qū)泄露距離應(yīng)按規(guī)定增大。[3]

小結(jié)：未按照污穢等級區(qū)域選擇合適的爬電距離，容易發(fā)生絕緣閃絡(luò)，導(dǎo)致絕緣壽命縮短。

總結(jié)：針對絕緣壽命的設(shè)計方面研究，認(rèn)為影響絕緣壽命的主要因素在于絕緣材質(zhì)的選擇。三種絕緣材料具有各種不同的優(yōu)缺點，機械和電氣性能各不相同。工作條件和使用要求不同時，考慮各種絕緣材料的成本和安全系數(shù)。

2.2 生產(chǎn)方面

2.2.1 絕緣子膠裝問題

絕緣子在膠裝時，在絕緣子的外端部和法蘭的內(nèi)部應(yīng)分別涂上瀝青緩沖層，緩沖水泥膠裝劑膨脹時產(chǎn)生的應(yīng)力，也能緩沖因溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。[4]瀝青緩沖層過薄沒有將導(dǎo)致膠裝劑的膨脹應(yīng)力釋放，這也是造成絕緣子斷裂的主要原因之一。

小結(jié)：在絕緣子膠裝時，瀝青緩沖層厚度不夠或膠合劑水份蒸發(fā)，引起膠裝劑的膨脹應(yīng)力無法釋放或體積收縮，將導(dǎo)致支柱絕緣子斷裂。

2.2.2 先天性裂紋

檢測瓷件裂紋的有效方法是超生波探傷，但是絕緣子在運輸和制造過程中遺留下的細(xì)小裂紋，會在安裝過程或后期的運行過程中，振動會使細(xì)小裂紋形成更大的延伸開裂，最終造成斷裂。定期對絕緣子進行超聲波探傷。

小結(jié)：細(xì)小裂縫靠外觀觀察不容易被發(fā)現(xiàn)，運行中開裂更為嚴(yán)重，最終斷裂。

生產(chǎn)方面總結(jié)：絕緣子在生產(chǎn)過程中的不按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)容易造成絕緣子的隱形缺陷，給安裝后的運行埋下隱患，縮短絕緣子的使用壽命，直接影響絕緣壽命。因此，在絕緣子的生產(chǎn)過程中按生產(chǎn)工藝制造，出廠檢驗要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，確保上線使用產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.3 施工方面

2.3.1 運輸保存

瓷質(zhì)、復(fù)合等材質(zhì)絕緣子部件在材料采購、施工中需對其進行包裝運輸，以確保其不受到外力的磕碰。表面磕碰損傷后，其絕緣性能和機械性能均會不同程度受損，影響絕緣壽命。

小結(jié)：絕緣子在運輸過程中，未對其進行包裝運輸，磕碰損傷后，會影響絕緣壽命。

2.3.2 安裝工序

在安裝施工過程中，施工人員為便于安裝其他零部件，違規(guī)踩踏絕緣子作為支撐點，絕緣子在技術(shù)參數(shù)中抗彎破壞負(fù)荷遠遠低于抗拉負(fù)荷（如圖1），在施工過程中踩踏絕緣子容易造成絕緣子抗彎性能降低，而復(fù)合絕緣子因傘裙較軟，并且復(fù)合絕緣子表面覆有憎水性涂層，違章踩踏，會破壞復(fù)合絕緣子撕裂強度及整體憎水性能，從而影響絕緣壽命。

圖1 絕緣子技術(shù)參數(shù)

小結(jié)：絕緣子在其技術(shù)參數(shù)中抗彎破壞負(fù)荷遠遠低于抗拉負(fù)荷，在施工過程中踩踏絕緣子容易造成絕緣子抗彎性能降低，影響絕緣壽命。

施工方面總結(jié)：運輸時、未采取有效的包裝措施，使其表面磕碰損傷，及施工過程中違章踩踏絕緣子，損壞絕緣子性能，影響絕緣壽命。

2.4 運行維護方面

2.4.1 負(fù)荷受力

機電破壞負(fù)荷試驗是檢測絕緣子的一項重要指標(biāo)。瓷絕緣子隨運行年限不合格率也隨之增加。通過高頻振動疲勞試驗，振動后瓷絕緣子的機電強度明顯下降。據(jù)絕緣子的失效調(diào)查集中于傘裙破壞，主要原因是：運行中的絕緣子在大部分時間里所受的機械負(fù)荷，只是其平均耐受負(fù)荷的一部分，遠遠低于芯棒的耐受負(fù)荷，可以說復(fù)合絕緣子在機械強度方面的可靠性遠優(yōu)于瓷絕緣子。

小結(jié)：隨著運行時間增加，在不斷的弓網(wǎng)震動及環(huán)境和電場的作用下，瓷質(zhì)絕緣子的負(fù)荷絕緣子的電氣強度和機械強度會逐步降低，影響絕緣壽命。

2.4.2 清掃方式

目前維護中采用的絕緣清掃方式主要有抹布擦拭、水沖洗、中性絕緣子清潔溶劑擦拭等三種方式。一是水沖洗主要利用沖洗機進行，沖洗時需將水壓控制在一定的范圍內(nèi)，若水壓過大會沖壞絕緣子，減少壽命。二是抹布擦拭硅橡膠絕緣子時需輕輕擦拭，撣去表面灰塵，若用力擦拭，會破壞硅橡膠絕緣子表面氧化膜，降低憎水性，縮短壽命。三是清掃溶劑只能用于瓷質(zhì)絕緣子，若錯誤用于硅橡膠絕緣子，由于清洗劑帶酸性，會腐蝕絕緣子，破壞機械性能、降低電氣性能，縮短壽命。

2.4.3 清掃周期

依據(jù)現(xiàn)行的高速鐵路、普速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則中規(guī)定（如圖2），Ⅰ、Ⅱ級污穢等級區(qū)段清掃周期為3 年，Ⅲ級及以上污穢等級區(qū)段清掃周期為1 年，分段、分相絕緣器為6 個月。周期的過長，在小雨、霧等氣象條件下，絕緣子表面形成污層，污層中的電解質(zhì)成分會充分溶解在水中，在絕緣子表面形成導(dǎo)電通路，大大降低了絕緣子的電氣強度，導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)。

小結(jié)：絕緣子處于外部環(huán)境中，不及時進行絕緣清掃，隨著運行時間增加，自然環(huán)境中的污染物會在絕緣子表面形成導(dǎo)電通路，降低了其電氣強度，縮短使用壽命。

2.4.4 放電未及時發(fā)現(xiàn)。絕緣子因自身材料的原因，部分放電后絕緣子表面現(xiàn)象不明顯，一旦發(fā)生絕緣子閃絡(luò)或內(nèi)部損壞，故障巡查時不易觀察，無法及時更換，使得絕緣子帶病運行，縮短了其使用壽命。

小結(jié)：閃絡(luò)后絕緣子表面現(xiàn)象不明顯，無法及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致絕緣子帶病運行，縮短了其使用壽命。

圖2 絕緣子污穢等級

2.4.5 檢測試驗

①檢測項目。主要包括振動試驗、疲勞試驗、力學(xué)試驗三種。振動試驗：模擬零部件在現(xiàn)場的工作狀態(tài)，檢查零部件相關(guān)機械性能、變形、破損及松動的試驗，選取零部件最大工作荷重，采用正弦振動波形，振動幅度為正負(fù)35mm，一個試驗周期200 萬次。疲勞試驗：模擬零部件在現(xiàn)場的荷載條件，檢查零部件在交變載荷作用下機械性能、變形、破損的試驗，試驗載荷在現(xiàn)場載荷的70%～130%之間周期變化，一個試驗周期50 萬次力學(xué)試驗：包括破壞荷重試驗、耐拉伸荷重試驗、滑動荷重試驗。②檢測結(jié)果。檢測試驗懸式復(fù)合絕緣子2 支，承力索、接觸線懸式落錨絕緣子各1 支，位置選擇環(huán)境污染較嚴(yán)重區(qū)段，分別進行濕閃試驗和耐拉伸荷重試驗（如圖3）。

圖3 懸式絕緣子試驗參數(shù)

經(jīng)檢測，懸式絕緣子所檢項目均符合鐵標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及要求。

小結(jié)：絕緣部件經(jīng)檢測試驗，全部合格。

運行維護方面總結(jié)：復(fù)合絕緣子在機械強度方面的可靠性遠優(yōu)于瓷絕緣子，一般情況下機械失效很少發(fā)生，大部分事故是由于傘裙破壞。

2.5 外部環(huán)境方面

2.5.1 可溶性污染物

絕緣子污閃過程大致是：分散在大氣中的塵埃，在重力、風(fēng)力以及絕緣子周圍電場力等的作用下，便沉積到絕緣子表面，使絕緣子受到污染。絕緣子表面沉積的電解質(zhì)愈多，在充分潮濕的條件下電離的離子數(shù)愈多，表面電導(dǎo)增加愈大，閃絡(luò)電壓就愈低。受重力、風(fēng)力的作用，塵埃沉積到各片絕緣子表面及每片絕緣子的上、下表面的機率是不同的。[6]

小結(jié)：絕緣子附著可溶性污染物，在潮濕條件下，可溶性污染物電解質(zhì)發(fā)生電離，最后導(dǎo)致閃絡(luò)，影響絕緣壽命。

2.5.2 不溶性物質(zhì)

通過研究不同的灰及灰密對絕緣子污閃特性的影響表明，絕緣子表面沉積的鹽及鹽密相同，且沉積了同種成分的灰室，灰密愈大，吸附水份愈多，電解質(zhì)電離得愈充分，導(dǎo)電離子數(shù)愈多，得到的污閃電壓就愈低。因此，當(dāng)灰密增大到一定程度時，絕緣子的污閃電壓不再隨灰密的增大而降低，基本趨于穩(wěn)定。[6]

小結(jié)：絕緣子在日常運行中表面附著不溶性物質(zhì)，在潮濕的環(huán)境下不溶性物質(zhì)吸附水份，使絕緣子的污閃電壓降低，影響絕緣子壽命。

2.5.3 環(huán)境溫度

研究表面，高濕度天氣使得本來絕緣性能良好的絕緣子表面相當(dāng)于加了一層導(dǎo)電體，使其憎水性降低，會導(dǎo)致復(fù)合絕緣子濕工頻耐受電壓值降低10%～30%，工頻污穢耐受電壓值降低幅值達30%～40%，[8]從而導(dǎo)致絕緣性能下降，引起絕緣子閃絡(luò)。相同的污穢程度絕緣子污閃電壓與環(huán)境溫度成反比。由于溫度升高，物質(zhì)的溶解度增大，電解液粘度降低，離子運動速度增加，污層電阻降低。

小結(jié)：潮濕天氣應(yīng)加強對絕緣子的清掃，否則引起絕緣子污穢耐受電壓降低。

2.5.4 大風(fēng)沙塵天氣

①瓷質(zhì)絕緣子。飛揚的砂、石沖擊或者打磨設(shè)備瓷套及絕緣子外表面，損壞絕緣子釉質(zhì)，影響電氣絕緣性能。同時，大量的沙塵會造成設(shè)備瓷套及絕緣子表面積灰嚴(yán)重，也會降低絕緣子表面絕緣性能。[9]②復(fù)合絕緣子。絕緣子的表面濕潤時更易積污，在氣候干燥地區(qū)，天氣多為飛沙氣候，絕緣子環(huán)境處在揚沙狀態(tài)，沙塵不易沉積在絕緣子上，強風(fēng)沙天氣中瓷質(zhì)絕緣子和復(fù)合絕緣子的積污特性并無本質(zhì)區(qū)別。

小結(jié)：大風(fēng)沙地區(qū)，復(fù)合絕緣子比瓷絕緣子更加合適，類型選擇錯誤，極易縮短絕緣子的使用壽命。

2.5.5 鳥類

①鳥糞閃絡(luò)。一種情況是鳥糞污液短路了空氣絕緣引起閃絡(luò)，二是鳥糞沾附在絕緣子傘裙表面，在環(huán)境濕度增加，如在霧雨天氣下，絕緣子表面絕緣電阻下降，絕緣電流急劇上升而引發(fā)的沿面閃絡(luò)。②鳥啄絕緣子。一些鳥類如黑卷尾、喜鵲、烏鴉和灰椋鳥等習(xí)性會啄損復(fù)合絕緣子的傘裙，傘裙的破壞會影響絕緣子的絕緣性能下降，影響設(shè)備的運行安全。③鳥類本身短路。體型較大的鳥類或鳥類張開翅膀時，短接絕緣子，縮短了空氣間隙距即絕緣爬距，造成空氣擊穿，引起接觸網(wǎng)線路跳閘。④鳥窩短接。當(dāng)鐵路線路周邊樹木較少時，鳥類會在棘輪補償裝置、格構(gòu)式鋼柱、硬橫梁等位置筑巢，鳥類在筑窩過程中或在鳥窩搭建后，鳥類銜的樹枝或鐵線等，會縮短空氣間隙，引起接觸網(wǎng)線路跳閘。

小結(jié)：鳥害能對絕緣子的壽命造成影響，若不充分考慮各方面的因素并采取對應(yīng)的措施，會造成絕緣閃絡(luò)，縮短其壽命。

2.5.6 雷電

接觸網(wǎng)遭受雷擊的頻度與線路所處地區(qū)的年平均雷電日數(shù)有關(guān)，我國根據(jù)雷電日的數(shù)量分為4 個等級：年平均雷電日在20d 及以下地區(qū)為少雷區(qū)，年平均雷電日在20～40d 及以下地區(qū)為多雷區(qū)，年平均雷電日在40～60d 及以下地區(qū)為高雷區(qū)，年平均雷電日在60d 以上地區(qū)為強雷區(qū)。雷擊接觸網(wǎng)線材時接觸網(wǎng)產(chǎn)生過電壓的值達到絕緣子的沖擊放電電壓時形成絕緣子閃絡(luò)。[10]

小結(jié)：雷電引發(fā)絕緣子閃絡(luò)，影響絕緣壽命。

2.5.7 覆冰

因接觸網(wǎng)絕緣子一直暴露在自然環(huán)境中，絕緣子表面本身又起到類似凝結(jié)核的作用，氣溫降低至0℃以下，水滴在液態(tài)過冷后會發(fā)生形變，凝結(jié)成霧凇、雨凇狀態(tài)，依附在絕緣子上，當(dāng)達到一定的積累量后，形成了覆冰現(xiàn)象，絕緣子的絕緣能力下降，會引起絕緣子閃絡(luò)。

小結(jié)：絕緣子在運行過程中，在一定的環(huán)境條件下，絕緣子表面會形成覆冰現(xiàn)象，減低絕緣子的絕緣能力，影響絕緣壽命。

外部環(huán)境方面總結(jié)：在外部環(huán)境方面，由于在絕緣子的污層分布不均勻或者處在惡劣氣象環(huán)境下，是影響絕緣壽命的的主要因素。

3 結(jié)論

通過以上統(tǒng)計可以看出，設(shè)計中部分選材的不合理、未考慮現(xiàn)場安裝環(huán)境，施工過程中的運輸期間的磕碰，踩踏，及混合牽引區(qū)段、外部環(huán)境污層分布不均勻，及絕緣子運行過程中的環(huán)境、惡劣氣象，是影響絕緣壽命的的重要因素；運行維護中，絕緣部件負(fù)荷受力、日常清掃的周期、方式的不合理，及放電未及時發(fā)現(xiàn)，是影響絕緣壽命的的主要因素；而生產(chǎn)加工過程的工藝質(zhì)量，是影響絕緣壽命的輕微因素。

4 延長絕緣壽命的措施

4.1 絕緣部件采購時，選用取得相關(guān)資質(zhì)，產(chǎn)品達標(biāo)的廠家。

4.2 施工過程中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計不合理或影響絕緣部件正常運行處所時，及時與設(shè)計預(yù)案院反饋溝通，進行設(shè)計變更，延長絕緣壽命。并嚴(yán)格按施工規(guī)范和工藝施工，嚴(yán)禁踩踏絕緣部件，發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷及時進行處理，避免進一步惡化。

4.3 加強維護管理，規(guī)范絕緣子壽命維護管理，抽檢、周期清掃、發(fā)現(xiàn)問題及時更換，為有效防止覆冰、雷擊等對絕緣性能的影響，一是更換為復(fù)合材料絕緣子，復(fù)合材料絕緣子有良好的憎水性；二是將大爬電絕緣子應(yīng)用在重污區(qū)、重雷區(qū)等惡劣運行環(huán)境地段；三是加強絕緣管理，通過科技攻關(guān)，不斷總結(jié)摸索絕緣子附鹽密度與清掃周期、清掃時間之間的關(guān)系，科學(xué)掌握絕緣清掃的規(guī)律，切實提高供電可靠性。

4.4 匹配絕緣子運行地段，優(yōu)化絕緣子本體的設(shè)計，一是提高憎水性能，在絕緣子表面涂覆RTV 防污材料，二是調(diào)整傘裙布局和結(jié)構(gòu)。