雷 棟，張海波，王家偉，潘利科，王欣未，戴文睿，畢元珍

0 引言

隨著社會發(fā)展和我國經(jīng)濟的持續(xù)增長，高速鐵路在我國迎來了發(fā)展高峰。與普速鐵路相比，高速鐵路接觸網(wǎng)的供電影響更為突出。隨著列車速度的提高，接觸網(wǎng)絕緣子表面的受污程度也在加劇，特別是在大霧、融冰、融雪、連綿細雨等惡劣天氣作用下，沉積于絕緣子表面的固體污穢顆粒（氯化鈉、受電弓滑板碳粉末等）被充分濕潤，使絕緣子表面的電阻率大大降低，導致接觸網(wǎng)上絕緣子不僅在過電壓作用下發(fā)生閃絡(luò)，更嚴重的是在正常運行電壓下也會發(fā)生閃絡(luò)，造成停電停車事故，危及鐵路運行安全[1-5]。

近些年，雖然采取了各種措施避免接觸網(wǎng)絕緣子污閃事故，但污閃事故仍時有發(fā)生。如2008年3月5日，蘭州局管內(nèi)金昌車站絕緣子臟污，在雨雪天氣作用下發(fā)生大面積閃絡(luò)，造成供電臂相關(guān)饋線相繼跳閘。2016年5月1日，烏魯木齊局管內(nèi)阿線古爾圖牽引所由于受大霧等惡劣天氣影響，造成相關(guān)饋線多次跳閘，影響正常行車[6]。隨著電力機車及標準動車組的運行速度越來越高，絕緣子污閃帶來的危害也愈來愈嚴重。

絕緣子閃絡(luò)根本原因是其表面覆有污穢，從而使得絕緣子表面泄漏電流過大。除此之外，絕緣子表面長期流過較高泄漏電流會嚴重威脅絕緣子壽命，且對電能也是一種浪費。本文依據(jù)污閃產(chǎn)生的機理，模擬現(xiàn)場運行環(huán)境，開發(fā)一套接觸網(wǎng)用絕緣子污閃測試系統(tǒng)，能夠在實驗室模擬絕緣子的污閃現(xiàn)象，測量并監(jiān)控絕緣子表面泄漏電流，為研究解決絕緣子污閃問題奠定基礎(chǔ)。

1 絕緣子污穢閃絡(luò)機理

絕緣子表面污穢閃絡(luò)機理可以理解為絕緣子、污穢物、濕潤條件以及施加電壓（在實驗室條件下還有電源阻抗）間的一種相互作用。絕緣子表面由各種有機或無機化合物組成的污穢層覆蓋，污穢層在干燥時不導電，呈高阻狀態(tài)。

接觸網(wǎng)用絕緣子發(fā)生污閃首先要經(jīng)過污穢層表面漸變潮濕階段。絕緣子的濕潤一般在惡劣天氣下完成，如細雨、大霧、融冰、融雪等。絕緣子表面污穢層首先吸水受潮，然后在絕緣子表面形成一層水膜，污穢層中部分無機離子化合物物質(zhì)（NaCl、MgCl2等）在潮濕狀態(tài)下電離成離子形態(tài)，使得絕緣子表面的電導率大幅增加，引發(fā)表面泄漏電流增大，閃絡(luò)電壓急速下降，從而發(fā)生污閃現(xiàn)象。但是，當遇到大雨或暴雨天氣時，絕緣子表面雖然也會吸水受潮，但由于雨勢過大，絕緣子表面的污穢容易被沖洗掉，因此大雨或暴雨情況下不容易發(fā)生污閃，但雨水會使絕緣子傘間橋接，造成閃絡(luò)，電壓降低。根據(jù)現(xiàn)場運營經(jīng)驗及實驗室模擬試驗，細雨、大霧、融冰、融雪等惡劣條件下更容易出現(xiàn)污閃事故，其中大霧天氣下出現(xiàn)污閃的概率最大。

濕潤后的絕緣子表面在交流電場作用下形成泄漏電流。對于局部電導率高的地方，對應(yīng)泄漏電流密度較大，根據(jù)焦耳熱效應(yīng)，會引起該部分絕緣子表面部分污層的水分蒸發(fā)，從而形成干燥帶。一般來說，干燥帶的表面電阻率遠大于其他濕潤污層（剩余污層）表面的電阻率，其承擔了絕緣子上下鋼帽之間的主要電壓。當干燥帶承受的電壓超過其表面放電電壓時，干燥帶就會被電弧貫穿，產(chǎn)生沿面火花放電（橋接電?。?，而此時橋接電弧將跨越干燥帶與剩余污層相串聯(lián)。每經(jīng)過一次橋接電弧放電都產(chǎn)生一個放電脈沖，該泄漏電流放電脈沖的大小因污穢程度及干燥帶相串聯(lián)的剩余污層的電阻不同而不同，通過實驗室測量發(fā)現(xiàn)，該泄漏電流可以達到數(shù)百毫安。隨著橋接電弧的不斷深入，跨接的干燥帶越來越多，橋接電弧與剩余污層電阻越來越小，泄漏電流不斷增大，最終導致污閃事故發(fā)生。為了更好理解絕緣子復雜的污閃產(chǎn)生機理，可以通過橋接電弧放電模型來分析，如圖1所示。

圖1 橋接電弧放電模型

由圖1可知，整個橋接路徑L由兩部分組成，長度為la的橋接電弧和剩余污層串聯(lián)而成。當上下兩電極之間施加電壓U時，分別由橋接電弧和剩余污層來分擔電壓。假設(shè)橋接電弧的起弧電壓為Ua，則當外施電壓超過Ua時，橋接電弧持續(xù)發(fā)展，并隨著時間及剩余污層電阻的變化而加長，當外施電壓小于Ua時，則電弧無法產(chǎn)生。

由根據(jù)戴維南定理可得

式中：Ua為橋接電弧兩端的電壓，I為流過剩余污層的電流，Rb為剩余污層的電阻。

根據(jù)電弧部分壓降可得

式中：A、n為橋接電弧常數(shù)。

由此，可計算單位長度電弧電阻ra為

通過以上分析可知，閃絡(luò)發(fā)生的可能性隨泄漏電流的升高而增大，因此對于閃絡(luò)的預警應(yīng)著重研究泄漏電流，泄漏電流的大小、分布起著至關(guān)重要的作用。

2 污閃測試系統(tǒng)的研制

污閃測試系統(tǒng)主要由三大部分組成：高壓試驗回路，實現(xiàn)工頻交流高電壓的輸出，并控制電壓大小及調(diào)壓速度；起霧系統(tǒng)，短時間形成鹽霧室，模擬現(xiàn)場起霧環(huán)境；泄漏電流測試系統(tǒng)，實現(xiàn)絕緣子表面泄漏電流的采集及波形顯示。污穢測試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 污閃測試系統(tǒng)

2.1 高壓試驗回路

高壓試驗回路主要由調(diào)壓器、變壓器、分壓器、保護電阻、高壓套管、過流保護回路組成，其原理如圖3所示。

圖3 高壓系統(tǒng)原理

由于污閃現(xiàn)象是一個循序漸進的過程，由表面持續(xù)放電、橋接至最后貫通，進行污閃試驗時要求高壓設(shè)備應(yīng)能夠承受較高的短路電流（Isc），其中短路電流和最高泄漏電流脈沖應(yīng)滿足：

式中：Isc為短路電流方均根值，Ihmax為泄漏電流峰值。根據(jù)現(xiàn)場測試經(jīng)驗，選擇變壓器容量為500 kV·A，最高輸出電壓為120 kV。

按照GB/T 4858—2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子人工污穢試驗》規(guī)定：試驗電壓的波形為正弦波，頻率為45～55 Hz，在試驗電壓下短路電流應(yīng)不小于10～15 A（方根平均值）；電阻與電抗之比（R/X）等于或小于0.1；電容電流與短路電流之比應(yīng)在0.001～0.1范圍內(nèi)。根據(jù)參數(shù)要求，最終選擇整個高壓系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗小于20%，系統(tǒng)阻抗以電抗值為主，電阻值為輔，試驗變壓器X/R≥10，且回路中應(yīng)有適量的電容電流。

2.2 起霧系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要模擬現(xiàn)場起霧環(huán)境，目的是通過起霧系統(tǒng)對受污絕緣子表面進行濕潤。霧室中安裝一定數(shù)量的噴霧裝置，噴霧裝置利用壓縮空氣對鹽溶液進行霧化，從而模擬絕緣子處于大霧環(huán)境中。為了保證設(shè)備的耐久性，噴霧裝置及噴嘴選用耐腐蝕的鋼管材質(zhì)。噴霧裝置分空氣噴嘴及溶液噴嘴，按照GB/T 4585—2004要求，溶液噴嘴內(nèi)徑為2.0 mm，空氣噴嘴內(nèi)徑為1.2 mm，噴嘴的外徑均為3.0 mm。為了保證溶液能夠充分霧化，空氣噴嘴和溶液噴嘴中心軸線應(yīng)處于同一水平面，最大偏差不超過0.05 mm。

噴霧裝置應(yīng)與絕緣子平行且分布于絕緣子左右兩側(cè)，不同安裝方式的絕緣子對應(yīng)噴霧裝置不同的排列方式。絕緣子按照接觸網(wǎng)實際工況的斜腕臂安裝。噴霧裝置之間的間隔控制在0.6 m，且噴嘴距絕緣子的軸線垂直距離為3 m，噴嘴方向180°可調(diào)。除此之外，最外側(cè)噴嘴距離絕緣子端部垂直距離應(yīng)大于0.6 m，其中每一個縱列的噴霧裝置數(shù)量N可以按照下式計算：

式中：H為絕緣子長度，m。

通過空氣壓縮機控制噴霧裝置噴嘴的空氣壓強為700 kPa，溶液噴嘴的溶液流量為0.5 dm3。對于污穢室的試驗溫度應(yīng)控制在5～40 ℃，且與溶液噴嘴噴出的氯化鈉溶液溫差不超過15 ℃。

2.3 泄漏電流測試系統(tǒng)

泄漏電流測試系統(tǒng)主要由高精度電流傳感器、濾波保護回路、模數(shù)轉(zhuǎn)換回路、采集回路、測量分析軟件組成。在進行人工污穢試驗時，絕緣子和整個測試系統(tǒng)串聯(lián)連接，泄漏電流通過電流傳感器采集，然后通過濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換回路將信號傳輸?shù)接嬎銠C中，利用測量分析軟件對信號進行處理分析顯示，并實時在線監(jiān)測。應(yīng)用軟件包括客戶端程序和服務(wù)器程序。通過客戶端程序可以對數(shù)據(jù)采集卡進行參數(shù)配置，包括采用率、采用時間、存儲時間等。服務(wù)器程序具體功能包括用戶登錄與管理、數(shù)據(jù)接收和實時顯示、通信管理以及數(shù)據(jù)存儲、回放、分析及報告生成等。泄漏電流測試流程詳見圖4。

圖4 泄漏電流測試流程

測量分析軟件通過調(diào)節(jié)采樣率實現(xiàn)不同的采樣點，并對提取的特征參數(shù)（泄漏電流瞬時脈沖、脈沖最大值、周期內(nèi)電流有效值、基波電流、波形畸變率等）進行分析及繪制擬合曲線。除此之外，該軟件還能夠控制高壓的輸出，包括電壓峰值的精確控制、調(diào)壓速度、耐壓時間、波形的顯示方式，變壓器及調(diào)壓器的輸入輸出狀態(tài)等。系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 泄漏電流測試系統(tǒng)界面

3 結(jié)語

絕緣子污閃產(chǎn)生的過程是一個電場、磁場、熱場、氣流場交合作用的復雜過程，再加上高速列車運行過程中碳滑板產(chǎn)生的粉末分布不均，沿海鐵路絕緣子表面的附鹽密度的不斷變化，使得污閃出現(xiàn)的規(guī)律更加難以摸索。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試及試驗，本文所述電氣化鐵路接觸網(wǎng)用絕緣子污閃測試系統(tǒng)可以按照GB/T 4585—2004及IEC 60507標準進行人工污穢耐受試驗、污閃電壓試驗、泄漏電流測試。通過試驗測試的數(shù)據(jù)能夠找出附鹽密度和絕緣子污閃電壓的關(guān)系、不同積污條件對絕緣子閃絡(luò)電壓的影響、受污條件下絕緣子泄漏電流的分布規(guī)律等，為該領(lǐng)域的研究提供試驗手段，為解決電氣化鐵路接觸網(wǎng)絕緣子污閃問題奠定基礎(chǔ)。