田升平

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

近年來，隨著我國地鐵事業(yè)的快速發(fā)展，地鐵供電設(shè)備的可靠性對運(yùn)輸安全的影響越來越大。接觸網(wǎng)是地鐵的核心供電設(shè)施，承擔(dān)著向列車傳輸電能的任務(wù)。復(fù)雜的線路工況以及多變的氣象環(huán)境，導(dǎo)致接觸網(wǎng)部件故障時(shí)有發(fā)生，直接威脅列車的安全運(yùn)行。而絕緣子是接觸網(wǎng)中廣泛使用的重要部件，它們實(shí)現(xiàn)了帶電體與接地體、供電線相間的電氣絕緣功能。

瓷絕緣子一般具有極長的使用壽命，不同于復(fù)合絕緣子有較為明確的狀態(tài)評估方法[1-3]，電力及鐵路行業(yè)通常極少對運(yùn)行中的高壓瓷絕緣子進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)分析，一般采用故障修的維護(hù)策略，即壞一只換一只。但地鐵接觸網(wǎng)瓷絕緣子運(yùn)行強(qiáng)度高、環(huán)境惡劣，日常僅更換故障絕緣子，并無進(jìn)一步的檢修措施，瓷絕緣子一旦出現(xiàn)故障將直接影響地鐵運(yùn)營安全。伴隨對早期投運(yùn)損壞絕緣子更換比例的增加，利用更換下來的瓷絕緣子進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)分析，對于地鐵安全運(yùn)營具有重要意義。

在目前的絕緣子研究分析中，瓷絕緣子的試驗(yàn)特性以及相應(yīng)的運(yùn)行狀況研究較少，更多的研究重點(diǎn)在基于溫度的紅外檢測[4-5]、表面污穢[6]、放電[7]和機(jī)械破壞等單一試驗(yàn)，無法對瓷絕緣子整體狀況進(jìn)行分析。另外，難以通過物理角度分析瓷絕緣子材料老化特性，加大了其運(yùn)行狀態(tài)的分析難度。

針對如圖1所示南方某城市27.5 kV交流制式地鐵接觸網(wǎng)瓷絕緣子，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對所選的投運(yùn)時(shí)間分別為1981年、2003年、2019年(新)的3組配方及工藝一致的樣品進(jìn)行電氣及機(jī)械等性能試驗(yàn)，對比分析3組樣品的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，確定瓷絕緣子的整體運(yùn)行狀態(tài)及檢修維護(hù)策略。

圖1 27.5 kV交流制式地鐵接觸網(wǎng)棒形瓷絕緣子運(yùn)行工況

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)依據(jù)與方法

架空輸電線路及接觸網(wǎng)中瓷絕緣子的設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命多在30年以上。27.5 kV制式接觸網(wǎng)瓷絕緣子在運(yùn)行中要持續(xù)承受機(jī)車通過時(shí)的振動(dòng)、導(dǎo)線自重、導(dǎo)線舞動(dòng)及絕緣子和各部件熱脹冷縮等帶來的機(jī)械應(yīng)力；同時(shí)，需要耐受工作電壓及系統(tǒng)換相暫態(tài)過電壓和雷電過電壓的作用，長期運(yùn)行后不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定程度的材料老化或損傷[8]。

瓷絕緣子的老化主要受制造工藝、機(jī)電負(fù)荷及運(yùn)行環(huán)境等多種因素影響。由于運(yùn)行可靠性需要進(jìn)行極限參數(shù)破壞性試驗(yàn)，通用的架空輸電線路瓷絕緣子通常僅進(jìn)行離線抽樣檢測，通過分析當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及失效率數(shù)據(jù)，進(jìn)而判定是否允許繼續(xù)運(yùn)行或?qū)ν谓^緣子進(jìn)行更換[9]。

文獻(xiàn)[8]對運(yùn)行3～25年的懸式瓷絕緣子進(jìn)行抽樣檢測，通過工頻擊穿電壓試驗(yàn)、沖擊擊穿試驗(yàn)、機(jī)電破壞試驗(yàn)和材料微觀分析試驗(yàn)，獲得老化絕緣子的電氣、機(jī)械特性及材料性能。文獻(xiàn)[9]通過抽樣試驗(yàn)對高壓懸式瓷絕緣子機(jī)電性能評估并制定更換策略。文獻(xiàn)[10-11]抽樣選取了運(yùn)行25～30年的懸式瓷絕緣子，試驗(yàn)了剩余電氣、機(jī)械強(qiáng)度，分析了其老化現(xiàn)象及失效機(jī)理。上述研究雖然是針對輸電線路盤型懸式瓷絕緣子，但其研究方法值得借鑒。

針對瓷絕緣子樣品擬定各種電氣試驗(yàn)和機(jī)械試驗(yàn)，依據(jù)相應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最終給出不同年限、不同類型瓷絕緣子的運(yùn)行性能分析結(jié)果，并確定在役絕緣子的運(yùn)行策略。

2.2 絕緣子信息

選用的瓷絕緣子分為平腕臂和斜腕臂用兩種棒形瓷絕緣子。該絕緣子運(yùn)行環(huán)境為南方沿海城市，濕度、溫度、鹽霧密度較高，試驗(yàn)中不考慮高海拔環(huán)境以及絕緣子覆冰問題。

為了提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，選擇7個(gè)同一運(yùn)行年份下的同批次同型號(hào)瓷絕緣子，總計(jì)42只腕臂用瓷絕緣子作為試驗(yàn)研究對象。絕緣子樣品信息如表1、表2所示。

表1 平腕臂用棒形瓷絕緣子樣品信息

表2 斜腕臂用棒形瓷絕緣子樣品信息

3 絕緣子試驗(yàn)

針對腕臂瓷絕緣子的運(yùn)行工況，將試驗(yàn)分為外觀特性、機(jī)械性能及電氣性能三部分。由于每組絕緣子的數(shù)量有限，因此基于非破壞性-破壞性的原則進(jìn)行試驗(yàn)。首先進(jìn)行外觀特性、鋅層厚度、絕緣電阻率等基礎(chǔ)項(xiàng)目；然后依次進(jìn)行工頻干耐壓/閃絡(luò)、泄漏電流、工頻濕耐壓/閃絡(luò)、雷電沖擊、人工污穢等電氣試驗(yàn)；最后每組選擇4只絕緣子進(jìn)行機(jī)械破壞試驗(yàn)，另外3只絕緣子先進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，再進(jìn)行破壞試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)方案

3.1 外觀特性試驗(yàn)

外觀試驗(yàn)是判斷絕緣子狀態(tài)的首要項(xiàng)目，可決定絕緣子能否繼續(xù)運(yùn)行。外觀試驗(yàn)包括釉面觀察、金具等部件鋅層厚度檢查等?，F(xiàn)場取樣發(fā)現(xiàn)絕緣子外觀良好，金具及傘裙釉層狀況較為良好，無明顯污穢。

3.1.1 釉面缺損試驗(yàn)

平腕臂絕緣子釉面缺損很少，表3為斜腕臂絕緣子釉面缺損結(jié)果。隨著運(yùn)行年限增長，釉面缺損近似線性增長。由于斜腕臂絕緣子更靠近地面，遭遇飛石飛濺等現(xiàn)象，從而造成釉面缺損幾率更高。

表3 釉面缺損面積測試結(jié)果

根據(jù)Insulatorsforoverheadlineswithanominalvoltageabove1000V-Part1:Ceramicorglassinsulatorunitsfora.c.systems-Definitions，testmethodsandacceptancecriteria(IEC 60383-1: 1993)規(guī)定[12]，瓷絕緣子總釉面不應(yīng)超過:100+D×F/2 000 mm2，單個(gè)釉面不應(yīng)超過:50+D×F/20 000 mm2，其中D為絕緣子最大直徑，F(xiàn)為絕緣子爬電距離。實(shí)測總釉面以及單個(gè)釉面缺失面積分別為287.58 mm2和68.76 mm2，實(shí)際釉面缺損遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求。釉面試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但隨著使用時(shí)間的增加，釉面損傷也有明顯增高。

3.1.2 憎水性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用Guidanceonthemeasurementofhydrophobicityofinsulatorsurfaces(IEC TS 62073: 2016)規(guī)定[13]的噴霧法。從20 cm ± 10 cm的距離開始噴灑。表面應(yīng)暴露在霧中10～20 s，在此期間噴灑的水量應(yīng)足夠使水滴落在傘裙上。在噴涂完成后10 s內(nèi)進(jìn)行疏水性測量。測量時(shí)應(yīng)能清楚地看到沿絕緣體及其周圍疏水性的變化，具體試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 表面釉層憎水性測試結(jié)果

對照標(biāo)準(zhǔn)，HC1-HC7憎水性遞減，由試驗(yàn)結(jié)果可知，2019年新絕緣子憎水性較高，運(yùn)行較長時(shí)間后憎水性下降，但憎水性本身與運(yùn)行時(shí)間無明顯相關(guān)性，主要由表面污穢導(dǎo)致憎水性下降。

3.1.3 鋅層厚度試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[12]的磁力試驗(yàn)法測定鍍層質(zhì)量，要求試驗(yàn)絕緣子鍍鋅層厚度不小于70 μm。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，平均鋅層厚度遠(yuǎn)大于70 μm，不同類型不同使用年限絕緣子均滿足要求。

表5 鍍鋅層測試結(jié)果

由2.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知，長期運(yùn)行造成瓷絕緣子釉面有一定程度退化、鋅層厚度降低，但依然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此需要進(jìn)行后續(xù)電氣及機(jī)械性能試驗(yàn)，分析絕緣子其它性能是否劣化嚴(yán)重。

3.2 電氣性能試驗(yàn)

3.2.1 絕緣電阻試驗(yàn)

參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[14]，27.5 kV絕緣子的絕緣電阻應(yīng)大于300 MΩ。

實(shí)際工況下，在絕緣子未發(fā)生外絕緣擊穿以及零值絕緣子的情況下可以保證極高的絕緣電阻。因此，從表6所示的實(shí)測結(jié)果可知絕緣電阻遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。絕緣電阻隨著運(yùn)行時(shí)間先快速下降，而后緩慢下降。經(jīng)過所有電氣試驗(yàn)后，再測量絕緣電阻，均大于1 TΩ，也遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 絕緣電阻測試結(jié)果 TΩ

3.2.2 雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[15]對雷電沖擊波的要求，該試驗(yàn)的實(shí)際雷電波形為波前時(shí)間1.2 μs，半波峰 501.2 μs。待測的每只絕緣子進(jìn)行15次200 kV雷電沖擊耐受試驗(yàn)。所有試驗(yàn)絕緣子均未發(fā)生閃絡(luò)及擊穿現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 雷電沖擊電壓電流波形

3.2.3 工頻耐壓試驗(yàn)

工頻耐壓試驗(yàn)包括干耐壓以及濕耐壓。試驗(yàn)條件如下。室溫：td=28.5 ℃，tw=23.2 ℃；大氣壓力為101.2 kPa；水電阻率為100 Ω·m，雨水量為1.2 mm/min；工頻干耐受及濕耐受系數(shù)Kt=1.009。

根據(jù)工頻耐壓試驗(yàn)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)[16]規(guī)定：試驗(yàn)時(shí)，先施加約75%的規(guī)定試驗(yàn)電壓，然后以每秒約2%試驗(yàn)電壓的速率上升至規(guī)定的110 kV耐受電壓，保持1 min，不應(yīng)發(fā)生閃絡(luò)或絕緣體擊穿，然后迅速降壓。試驗(yàn)60 s后未破壞則滿足耐受試驗(yàn)要求。

在工頻濕耐壓試驗(yàn)前，需要用規(guī)定的電阻率和溫度的水噴淋樣品，在規(guī)定的容差范圍內(nèi)至少不間斷預(yù)淋15 min。試驗(yàn)電壓應(yīng)為試驗(yàn)時(shí)大氣條件校正過的規(guī)定的工頻濕耐受電壓。

工頻耐受電壓試驗(yàn)結(jié)果表明：施加110 kV電壓1 min后未出現(xiàn)閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象。

3.2.4 工頻閃絡(luò)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，先施加約75%的規(guī)定閃絡(luò)電壓，然后以每秒約2%試驗(yàn)電壓的速率上升至閃絡(luò)，閃絡(luò)電壓以5個(gè)連續(xù)測定的閃絡(luò)值的算數(shù)平均值計(jì)算。

由表7的試驗(yàn)結(jié)果可知，絕緣子閃絡(luò)電壓遠(yuǎn)高于規(guī)定的110 kV耐受電壓，且閃絡(luò)電壓隨工作時(shí)間增長無明顯下降。

表7 工頻閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

3.2.5 泄漏電流試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[15]規(guī)定，所有樣品均應(yīng)保持初始表面狀態(tài)。對樣品施加25 kV電壓20 min，在蒸汽霧條件下測量泄漏電流。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果

3.2.6 人工污穢耐受試驗(yàn)

依據(jù)Artificialpollutiontestsonhigh-voltageceramicandglassinsulatorstobeusedona.c.systems(IEC 60507: 2013)[17]，在該標(biāo)準(zhǔn)5 Salt fog method中明確規(guī)定了固體層法的試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到南方沿海地區(qū)實(shí)際以鹽霧、灰為主要污穢來源，因此依據(jù)鹽霧進(jìn)行定人工污穢耐受試驗(yàn)。污穢密度：SDD/NSDD=0.1/1.0 mg/cm2。施加25 kV電壓60 min。結(jié)果顯示無閃絡(luò)或擊穿發(fā)生。人工污穢耐受試驗(yàn)時(shí)的泄漏電流如表9所示。

表9 人工污穢耐受試驗(yàn)泄漏電流結(jié)果

試驗(yàn)表明，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，絕緣電阻下降，工頻閃絡(luò)擊穿電壓無明顯變化，泄漏電流增長，但瓷絕緣子性能滿足工作要求且有較大的裕度。

對比表8和表9可知，2003年和2019年的絕緣子人工污穢條件下泄漏電流高于原始狀態(tài)絕緣子泄漏電流，相反1981年的絕緣子人工污穢條件下泄漏電流低于原始狀態(tài)絕緣子污穢電流。結(jié)合外觀試驗(yàn)結(jié)果可知，長期運(yùn)行工況對瓷絕緣子表面釉層造成了一定程度損傷，同時(shí)累積污穢是造成絕緣子表面狀態(tài)性能下降的重要因素。

3.3 機(jī)械性能試驗(yàn)

3.3.1 機(jī)械破壞試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[12]選擇試驗(yàn)方案，施加負(fù)荷應(yīng)平穩(wěn)、迅速地從零增加到約為規(guī)定機(jī)械破壞負(fù)荷的75%，然后以每分鐘10%～35%規(guī)定機(jī)械破壞負(fù)荷的速度逐步增加。平腕臂絕緣子抗拉破壞試驗(yàn)時(shí)，絕緣子軸向受力，如圖4所示。斜腕臂絕緣子抗彎破壞試驗(yàn)時(shí)受力方向垂直于絕緣子軸線方向，如圖5所示。

圖4 平腕臂絕緣子抗拉破壞試驗(yàn)

圖5 斜腕臂絕緣子抗彎破壞試驗(yàn)

瓷絕緣子抗拉破壞試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。2019年新絕緣子的破壞載荷均高于表1和表2出廠要求的81.7 kN和4.965 kN，3組絕緣子的機(jī)械性能穩(wěn)定性均較差。其中，2003年批次絕緣子性能有一定程度劣化，但基本滿足出廠載荷要求。針對1981年投運(yùn)情況，平腕臂絕緣子抗拉破壞載荷已降至61.59 kN，但遠(yuǎn)高于最大工作載荷32.68 kN；斜腕臂絕緣子彎曲失效載荷性能仍接近原廠要求的4.965 kN。

圖6 絕緣子機(jī)械破壞試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 機(jī)械疲勞試驗(yàn)

參照鐵標(biāo)規(guī)定[18-19]進(jìn)行瓷絕緣子疲勞試驗(yàn)：分別將瓷絕緣子與腕臂、承力索座、定位器等零件組裝為一套完整的腕臂系統(tǒng)，在承力索座及定位線夾處按照實(shí)際線路工況分別施加工作荷載。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)根據(jù)試驗(yàn)條件，在斜腕臂管上施加等效荷載進(jìn)行試驗(yàn)，等效荷載依據(jù)實(shí)際工況計(jì)算得出，如圖7所示。

圖7 絕緣子疲勞試驗(yàn)方法

疲勞試驗(yàn)條件 試驗(yàn)荷載及幅值：最大工作荷重±30 %；平腕臂用絕緣子施加載荷為9.8 kN，斜腕臂用絕緣子施加載荷為307 N·m；交變波形：正弦波；疲勞頻率：1 Hz；疲勞次數(shù)：50萬次。

試驗(yàn)后再分別做拉伸破壞荷載及彎曲破壞荷載試驗(yàn)，方法同2.3.1節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 絕緣子疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)后的拉伸破壞荷載及彎曲破壞荷載整體上略低于未經(jīng)疲勞試驗(yàn)的荷載，但絕緣子性能仍滿足最大工作負(fù)載要求。

4 絕緣子性能分析

綜合試驗(yàn)結(jié)果可知，平腕臂和斜腕臂用棒形瓷絕緣子電氣性能劣化較少，機(jī)械性能下降明顯但整體滿足絕緣子長期運(yùn)行要求。平腕臂用絕緣子受力較大，機(jī)械性能下降更嚴(yán)重，而斜腕臂用絕緣子更靠近地面，導(dǎo)致絕緣子釉層破損程度高且積灰多，泄漏電流等電氣性能下降更為嚴(yán)重。

瓷絕緣子由絕緣件和金屬附件用膠合劑膠合或機(jī)械卡裝而成。其使用壽命與強(qiáng)度、環(huán)境、應(yīng)力水平等存在著必然的聯(lián)系。瓷絕緣子具有較低的老化率。造成瓷絕緣子壽命下降的因素主要包括電損傷以及機(jī)械損傷。

電損傷主要是由于雷電沖擊、操作過電壓等引發(fā)的電氣故障以及絕緣子污穢或覆冰造成閃絡(luò)。電損傷導(dǎo)致絕緣子釉層破損、金屬附件造成外觀破損、內(nèi)部損傷，并且有數(shù)據(jù)支持絕緣子表層損傷對絕緣子強(qiáng)度下降有最為明顯的作用。

機(jī)械損傷主要是長時(shí)間的工作環(huán)境，如機(jī)械載荷以及熱震、溫度循環(huán)或檢修作業(yè)或其他外力因素導(dǎo)致的機(jī)械損傷或機(jī)械疲勞。

5 結(jié)論

(1)27.5 kV交流制式地鐵線路最長已運(yùn)行近40年的接觸網(wǎng)瓷絕緣子各方面性能有一定程度退化，但仍有較高的安全裕度，滿足長期工作要求。

(2)長期運(yùn)行造成瓷絕緣子釉面有一定程度退化、鋅層厚度降低，但依然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。瓷絕緣子電氣性能均滿足要求，但斜腕臂絕緣子由于運(yùn)行工況惡劣導(dǎo)致釉面損傷較多，電氣性能下降相對較大。同時(shí)累積污穢也是絕緣子電氣性能下降的重要因素。

(3)絕緣子機(jī)械性能穩(wěn)定性均較差并呈現(xiàn)較大的離散性。平、斜腕臂絕緣子抗拉及抗彎強(qiáng)度隨著運(yùn)行年限增加呈波動(dòng)下降趨勢。疲勞試驗(yàn)后的平、斜腕臂絕緣子抗拉及抗彎強(qiáng)度與運(yùn)行年限存在一定相關(guān)性。但絕緣子各方面機(jī)械工作性能整體上仍遠(yuǎn)高于最大工作荷載的要求。

(4)依據(jù)重要性排序，機(jī)械性能、電氣性能及外觀特性依次影響到瓷絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)。由于機(jī)械性能試驗(yàn)中絕緣子的破壞強(qiáng)度結(jié)果具有較大離散性，日常檢修中應(yīng)加強(qiáng)瓷絕緣子機(jī)械性能的定期抽樣試驗(yàn)。

(5)對運(yùn)行中的瓷絕緣子采用目視、紅外和電暈成像等技術(shù)進(jìn)行在線檢測[20-21]，并配合針對機(jī)械性能的定期抽樣試驗(yàn)結(jié)果，可更好地指導(dǎo)長期運(yùn)行的接觸網(wǎng)瓷絕緣子更換維護(hù)策略的制定。