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        不同服役年限下動(dòng)車組高壓隔離開關(guān)用絕緣子運(yùn)行性能研究

        2022-10-24 02:57:30于治國(guó)王曉明張啟哲王勝輝律方成
        電瓷避雷器 2022年5期

        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。

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