于治國(guó)，王曉明，常 波，張啟哲，王勝輝，律方成

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島2661111; 2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

0 引言

截止到2020年底，我國(guó)高鐵總里程已突破3.0萬公里[1-6]。車頂復(fù)合支柱絕緣子是動(dòng)車組牽引供電系統(tǒng)中最為重要的外絕緣設(shè)備之一，其性能直接影響動(dòng)車組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-12]。車頂絕緣子在運(yùn)行過程中長(zhǎng)期受到積污、光照以及風(fēng)沙等因素的影響，可能會(huì)降低絕緣子沿面閃絡(luò)電壓，危害動(dòng)車組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1,13-18]。自2008年京津城際高速鐵路開通以來，國(guó)內(nèi)動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過了10年，運(yùn)維人員在動(dòng)車組運(yùn)行過程發(fā)現(xiàn)車頂絕緣子時(shí)有損壞情況發(fā)生。因此，研究動(dòng)車組車頂絕緣子性能隨服役年限增加的衰退規(guī)律對(duì)于提高動(dòng)車組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于動(dòng)車組車頂絕緣子性能隨服役年限增加的性能變化十分關(guān)注。文獻(xiàn)[19]總結(jié)了目前動(dòng)車車頂絕緣子的研究進(jìn)展并對(duì)其未來的研究方向進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[20]研究了運(yùn)行里程對(duì)動(dòng)車組車頂絕緣子工頻閃絡(luò)電壓的影響，指出隨運(yùn)行里程的增加，絕緣子的干閃電壓無明顯變化，濕閃電壓和污閃電壓隨運(yùn)行里程的增加而下降。文獻(xiàn)[21-22]針對(duì)電力系統(tǒng)在網(wǎng)運(yùn)行的絕緣子進(jìn)行憎水性研究，研究表明，隨著老化時(shí)間的增加，復(fù)合絕緣子傘裙的憎水性逐漸變差。文獻(xiàn)[23-24]通過研究絕緣子在不同相對(duì)濕度下絕緣子表面泄漏電流的變化特性，得出不同相對(duì)濕度下泄漏電流滿足線性關(guān)系，但當(dāng)絕緣子從臨界飽和到過飽和受潮變化時(shí)，最大泄漏電流會(huì)突然躍升。文獻(xiàn)[25-27]指出目前京廣、京滬等地區(qū)的高速鐵路高壓外絕緣設(shè)備入網(wǎng)考核的額定雷電沖擊閃絡(luò)電壓值為125 kV，西部高海拔地區(qū)的為170 kV。文獻(xiàn)[28-29]指出當(dāng)接觸網(wǎng)遭遇雷擊時(shí)，雷擊電壓幅值超過動(dòng)車組車頂外絕緣設(shè)備閃絡(luò)耐受電壓值時(shí)，絕緣子將發(fā)生沿面閃絡(luò)或空氣擊穿，影響動(dòng)車組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

基于上述研究現(xiàn)狀可知，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于服役年限對(duì)車頂絕緣子性能衰退的影響研究相對(duì)較少，筆者選取了國(guó)內(nèi)某知名動(dòng)車組生產(chǎn)廠家現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了不同年限的車頂絕緣子為研究對(duì)象(服役年限分別為3年、4年、5年、6年和10年)，開展如下3方面試驗(yàn)：絕緣子憎水性測(cè)試，絕緣電阻測(cè)試以及雷電沖擊試驗(yàn)。相關(guān)研究得到了車頂絕緣子的性能衰退特性，可為動(dòng)車組車頂絕緣子的服役可靠性提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 憎水性試驗(yàn)

絕緣子憎水性是反映絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。隨著服役年限的增加，其憎水性可能出現(xiàn)下降，從而導(dǎo)污穢閃絡(luò)電壓的降低，危害電氣系統(tǒng)運(yùn)行安全。對(duì)絕緣子開展憎水性測(cè)試，可評(píng)估被試絕緣子傘裙的材料性能和電氣性能。

1.1 被測(cè)試品

本研究所選擇的動(dòng)車組高壓隔離開關(guān)用絕緣子，共有5片大傘裙，4片小傘裙，其結(jié)構(gòu)高度為400 mm，大傘裙直徑為180 mm，小傘裙直徑為150 mm，爬電距離為1 050 mm，試品結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 試品結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)選取不同服役年限的10只絕緣子，為了后續(xù)表述方便，將絕緣子進(jìn)行編號(hào)，1-2是服役3年的絕緣子，3-4是服役4年的絕緣子，5-6是服役5年的絕緣子，7-8是服役6年的絕緣子，9-10是服役10年的絕緣子。

1.2 試驗(yàn)方法

選取不同服役年限的硅橡膠車頂復(fù)合硅橡膠絕緣子，采用噴水分級(jí)法測(cè)試絕緣子的憎水性。試驗(yàn)時(shí)，其水壺中盛裝去離子水，噴壺口距離絕緣子約25 cm，對(duì)絕緣子均勻噴灑水霧20 s～30 s。圖2為絕緣子表面水珠的典型分布情況。在噴水結(jié)束后10 s內(nèi)觀察水珠在試品表面的分布情況并進(jìn)行憎水性判別。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可以看出，在所有被試絕緣子中，服役年限為3年的絕緣子憎水性最好，為HC3級(jí)。與服役年限為3年的絕緣子相比，服役年限為4年、5年和6年的絕緣子憎水性普遍下降，傘裙邊緣形成小塊的水膜，憎水性等級(jí)為HC4-HC5，服役10年的絕緣子則出現(xiàn)了大片的水膜，其憎水性等級(jí)為HC5。

圖2 硅橡膠絕緣子憎水性圖像

2 絕緣電阻測(cè)試

絕緣電阻檢測(cè)法是目前評(píng)判絕緣子絕緣性能最直接和簡(jiǎn)便的方法。剛生產(chǎn)的未投入運(yùn)行的絕緣子一般絕緣電阻值非常大，但是當(dāng)絕緣子投入運(yùn)行后，由于車頂環(huán)境復(fù)雜，隨著動(dòng)車組服役年限的增加，可導(dǎo)致絕緣子的表面狀態(tài)發(fā)生變化，因此有必要對(duì)絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

依據(jù)DL/T 596《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》和DL 474.1《現(xiàn)場(chǎng)絕緣電阻試驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則》，本研究前期用量程為2 500 V的兆歐表進(jìn)行電阻測(cè)量，結(jié)果絕緣子電阻很大，兆歐表無法測(cè)量。后采用施加直流高壓，測(cè)量其泄漏電流從而間接得到絕緣電阻的方法進(jìn)行電阻性能測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)施加的電壓為85 kV，通過數(shù)字微安表測(cè)量絕緣子表面的泄漏電流，由歐姆定律計(jì)算得到絕緣子的絕緣電阻。

2.1 試驗(yàn)接線和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)回路由高壓直流電源、絕緣子、數(shù)字微安表和計(jì)算機(jī)組成。高壓直流電源最高輸出電壓為100 kV，時(shí)漂精度0.1 %/h，溫漂精度0.1/℃，紋波系數(shù)為5‰，符合試驗(yàn)的要求。絕緣子接地端通過導(dǎo)線與數(shù)字微安表串聯(lián)。數(shù)字微安表采集泄漏電流數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算機(jī)，試驗(yàn)回路示意圖見圖3。

圖3 試品回路示意圖

在進(jìn)行泄漏電流測(cè)量前，按照GB/T 26218.1-2010 《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第1部分：定義、信息和一般原則》，對(duì)絕緣子進(jìn)行清洗。絕緣子清洗后放于室內(nèi)自然陰干后，用塑料布包裹，封存待用。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)所用絕緣子與憎水性試驗(yàn)所用是同一批絕緣子，不同服役年限下潔凈絕緣子的泄漏電流見圖4。

圖4 不同服役年限下潔凈絕緣子的泄漏電流

由圖4可以看出，隨著動(dòng)車組服役年限的增加，車頂絕緣子的泄漏電流略有上升，但是變化幅度不大，絕緣電阻基本維持在2.024 GΩ～2.778 GΩ。

3 雷電沖擊試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

自然界中負(fù)極性雷占總雷電數(shù)的90%以上，但是正極性雷更容易造成閃絡(luò)，因此本試驗(yàn)采用了兩種極性雷電波分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。為盡可能接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，試驗(yàn)采用4塊厚度為3 mm、長(zhǎng)和寬均為1 m的薄鐵板拼接成一長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)以模擬列車車頂。采用沖擊高壓發(fā)生器產(chǎn)生1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊波，波形誤差滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，分壓器分壓比為3 048∶1，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的接線見圖5。

圖5 雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)的接線照片

根據(jù)GB/T 16927.2-2013的試驗(yàn)和測(cè)量方法，絕緣子U50%采用升降法測(cè)定，首先預(yù)估車頂絕緣子的閃絡(luò)電壓值U0，電壓升降級(jí)差為預(yù)期電壓峰值的3%以內(nèi)；第一次加壓幅值為U0，若閃絡(luò)，電壓降低一個(gè)極差，若不閃絡(luò)，電壓升高一個(gè)極差，直到找到第一個(gè)有效數(shù)據(jù)，依次試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行25組，50%閃絡(luò)電壓由下式計(jì)算：

(1)

標(biāo)準(zhǔn)誤差用式(2)計(jì)算：

(2)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)的溫度為18.5 ℃，相對(duì)濕度為35.1%，其發(fā)生沿面閃絡(luò)時(shí)的典型照片見圖6。

圖6 絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的照片

不同服役年限下50%閃絡(luò)電壓值見表1。為了便于比較，將負(fù)極性電壓取其絕對(duì)值，絕緣子閃絡(luò)電壓隨服役年限的變化規(guī)律見圖7。

從表1可以看出來，隨著服役年限的增加，絕緣子50%閃絡(luò)電壓值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，且標(biāo)準(zhǔn)誤差率均小于5%，試驗(yàn)結(jié)果可信。從圖7可以看出來，絕緣子正極性50%閃絡(luò)電壓遠(yuǎn)小于負(fù)極性50%閃絡(luò)電壓，不同服役年限的高壓隔離開關(guān)用絕緣子正負(fù)極性50%閃絡(luò)電壓均通過了雷電沖擊耐受試驗(yàn)，符合TB/T 3077-2017 《機(jī)車車輛車頂絕緣子》中，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊耐受電壓峰值大于185 kV的技術(shù)要求。

表1 不同服役年限下的絕緣子閃絡(luò)電壓數(shù)據(jù)

圖7 50%閃絡(luò)電壓值隨服役年限的變化趨勢(shì)

由于各絕緣子試品沒有存在內(nèi)部的絕緣缺陷，在雷電沖擊電壓作用下發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，沒有發(fā)生絕緣子內(nèi)部的擊穿，閃絡(luò)屬于絕緣子高壓端和低壓端的空氣擊穿。擊穿電壓主要取決于絕緣子的結(jié)構(gòu)尺寸。此項(xiàng)雷電沖擊電壓試驗(yàn)也表明服役了10年的絕緣子仍然符合入網(wǎng)要求。

4 結(jié) 論

本研究對(duì)不同服役年限下高壓隔離開關(guān)用絕緣子進(jìn)行了憎水性測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試和雷電沖擊試驗(yàn)，分析了服役年限對(duì)于絕緣子性能衰退的影響，得出如下結(jié)論：

1)服役年限為3年的絕緣子憎水性最好，為HC3級(jí)，服役年限為4年、5年和6年的絕緣子憎水性普遍下降，憎水性等級(jí)為HC4-HC5，服役10年的絕緣子憎水性等級(jí)則為HC5。

2)隨著動(dòng)車組服役年限的增加，車頂絕緣子的泄漏電流略有上升，但是變化幅度不大，絕緣子體積電阻基本維持在2.024 GΩ～2.778 GΩ。

3)車頂絕緣子在雷電沖擊電壓作用下發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，沒有發(fā)生絕緣子內(nèi)部的擊穿，閃絡(luò)屬于絕緣子高壓端和低壓端的空氣擊穿。服役了10年的高壓隔離開關(guān)用絕緣子均通過了185 kV雷電沖擊耐受試驗(yàn)，仍然符合符合入網(wǎng)的要求。