高速铁路绝缘子闪络原因分析及对策

2014-05-04余学林上海铁路局合肥供电段

上海铁道增刊 2014年2期

余学林上海铁路局合肥供电段

随着电气化铁路的快速发展，列车速度提高，高铁不断投入运行，车体周围高速气流等环境发生改变，由此产生的绝缘问题逐渐突出。

绝缘子是牵引供电系统最主要的高压绝缘器件之一，起到支撑和绝缘作用，其表面发生闪络将影响铁路运输系统正常运营。根据使用场所，牵引供电系统的绝缘子可分为变电所用绝缘子、接触网腕臂支撑绝缘子和列车车顶高压绝缘子。不同类型绝缘子的使用场所如表1所示。

表 1绝缘子类型与使用场所

变电所及接触网腕臂支撑绝缘子闪络将导致线路馈线断路器频繁跳闸、线路供电中断、甚至引发系统停运等事故；列车车顶绝缘子闪络将导致闪络事故频发、列车降速晚点，严重时甚至烧断接触网导线，影响行车安全。高速列车运行速度提升，对牵引供电系统的绝缘配置提出了更高的要求。为了提高牵引供电系统运行的可靠性，保证铁路运输系统的安全稳定运营，高速铁路绝缘子闪络原因分析和措施制定非常必要。

1 铁路绝缘子工作环境及特点

1.1 绝缘子运行环境

电气化铁路牵引供电系统主要由牵引变电所、接触网系统、列车、钢轨回流系统组成。牵引变电所将电力系统220 kV/110 kV高压电转换成适用于铁路系统的单相工频27.5 kV交流电；电能通过接触网系统传输到列车；列车通过受电弓与接触网导线滑动电接触获取列车运行所需的能量；牵引电流通过钢轨回流系统返回牵引变电所。图1给出了AT供电方式的结构原理图。通过1:1自耦变压器（AT变压器）将非工作臂的接触网压升高到55 kV，降低了接触网的电流，减小了线路损耗，而在列车运行的供电臂段仍然维持27.5 kV的工作电压。

图1 AT供电方式示意图

由于牵引供电系统的主要负荷--列车处于快速移动状态，各供电臂的负荷差异大，容易导致电力系统的三相负荷不平衡，负序电流增大。为了克服这一缺陷，减少对公共电网的影响，牵引供电网要实现相序轮换，相邻供电臂分别与牵引变压器A、B相相连，为了防止相间短路，相邻供电臂之间要在电气上进行隔离，称为电分相，隔离区段称为分相绝缘段，如图2所示。

图2 电分相结构图

1.2 牵引供电系统绝缘子工作特点

根据我国铁路运输系统的实际工况，牵引供电系统绝缘子的工作环境具有如下特点：

（1）分相过电压冲击频繁

从上文图2中可以看出，当列车通过分相段区域时，将经历“带电--失电--带电”过程。在该过程中，由于列车运行导致系统电路拓扑结构和电气参数改变。各状态之间切换，出现过电压现象，图3给出了某线路列车通过分相段时的过电压波形。由于我国电气化铁路平均每隔20 km～30 km就设置一分相绝缘段，列车运行过程将频繁通过分相区，造成车顶过电压频繁发生（平均每隔15 min-20 min发生一次），该过程成为牵引供电系统绝缘子必须承受的一种正常工况。

图3 列车通过关节时分相过电压波形图

（2）绝缘子结构尺寸受限

为了提高列车受流质量，必须保证接触网导线张力和导高精度,因此绝缘子长度不宜过大。受车顶布局空间的限制，同时为了减小列车运行时的阻力，提高列车受流稳定性，必须降低车顶高压部件高度，车顶高压绝缘子的高度和伞裙尺寸受限。

（3）高速气流冲击

随着我国高速铁路的迅速发展，运营速度已达到350 km/h，试验速度达到了486.1 km/h，高速列车车体附近的气流速度接近100 m/s，远高于目前陆地上最高等级风速（12级风，33 m/s）。高速气流冲击对列车车顶和线路腕臂支撑绝缘子的机械、电气性能提出了更高的要求。同时高速气流冲击使得车顶高压绝缘子伞裙舞动、变形，甚至发生撕裂破损，电气强度大大降低。

（4）工作环境恶劣

车顶高压绝缘子工作于“受电弓--接触网”系统（弓网系统）下方，弓网高速滑动摩擦中产生的金属粉尘会散落、吸附在车顶高压绝缘子表面，造成绝缘子电气强度显著降低。重污染地区沿线煤灰、粉尘量更大，绝缘子的积污问题更加突出。随着我国中远距离高速铁路的开通运营（例如京沪线、京广线），高速列车车顶高压绝缘子必须承受沿线各种气候环境的变化，对其环境适应性提出了更高的要求。

（5）维护难度大

与电力系统线路相比，列车在电气化铁路线路上频繁通过，绝缘子的维护、清扫只能在有限的时间内进行，维护时间短；另一方面，我国高速铁路多采用高架桥结构，线路架设高，而且受限于现场条件，，绝缘子维护难度大。

2 绝缘子闪络主要原因及防护措施

高速路绝缘子闪络严重影响铁路运输系统的安全稳定运营，造成绝缘子闪络原因主要有以下几种：

2.1 过电压造成对绝缘子闪络

列车过分相时产生分相过电压，弓网分离时产生离线过电压。电力机车过分相处的过电压多次造成车顶间隙放电、绝缘子击穿、车载微机死机、牵引变电所牵引供电系统过电压严重时，跳闸会导致设备绝缘损坏，甚至直接烧损接触网导线，影响铁路系统的正常运营。电力机车过关节式电分相时产生的过电压分析表明，列车在“带电--失电”和“失电--带电”过程都会产生过电压，过电压幅值与发生过电压时的接触网电压相位角的大小相关。电力机车通过关节式电分相产生过电压的原因是由于机车通过关节式电分相时引起等值电路的参数发生变化，使电路发生高阶振荡产生过电压，那么解决问题的思路也应该从改变电路的参数人手。通过在中性段安装阻容保护器，改变电路的结构参数，让振荡电路变成无振荡电路，能够有效地抑制电力机车通过关节式电分相时产生的过电压。

2.2 高速气流场造成绝缘子闪络电压变化

列车高速运行时产生高速气流，引起车顶高压设备周围气压、气流变化，高速气流冲刷绝缘子表面时导致电荷累积和绝缘子形变，引起绝缘子伞裙表面电场畸变。图4给出了高速气流场对绝缘子周围气压分布的影响，可以看出，受高速气流的影响，绝缘子迎风与背风处形成高气压区，而在侧风处形成低气压区。

图4 风速为97.2 m/s时绝缘子周围气压分布截面图

高速气流场对绝缘子表面放电形态的影响，受低气压、吹弧和边界层效应的影响，绝缘子闪络显现出多通道放电和非沿面闪络等特征。通过研究风速、风向对绝缘子临界闪络电压的影响，得出结论是气流场导致绝缘子表面电荷积累是影响绝缘子闪络电压的重要因素。

通过风洞试验数据研究表明在强风影响下，在高速铁路运行中，风向角为900情况下，绝缘子闪络电压受吹弧冷却及表面积聚电荷的双重影响，对复合绝缘子来说，吹弧效应较强，闪络电压随风速增大而升高；对瓷质绝缘子来说，闪络电压开始随风速增大而上升，但风速超过20 m/s后，闪络电压呈现明显下降趋势，稳定在无风时闪络电压的约87%。说明复合绝缘子在高速铁路中能够有效提高闪络电压，应该在电力机车和接触网线路中推广使用，但也要同时考虑绝缘子的机械强度符合高速铁路大张力的要求。

2.3 污秽造成绝缘子闪络电压降低

在线运行的绝缘子，自然环境中，受到SO2、氦氧化物以及颗粒性尘埃等大气环境的影响，在其表面逐渐沉积了一层污秽物。在天气干燥的情况下，这些表面带有污秽物的绝缘子保持着较高的绝缘水平，其放电电压和洁净、干燥状态时接近。然而，当遇有雾、露、毛毛雨以及融冰，融雪等潮湿天气时，绝缘子表面污秽物吸收水分，使污层中的电解质溶解、电离，导致污层电导增加。这时，绝缘子的表面泄漏电流就会增加，由于绝缘子的形状、结构尺寸的影响，以及绝缘子表而污层分布不均和潮湿程度不同等因素，使绝缘子表面各部位的电流密度不同，其结果在电流密度比较大的部位形成了干燥带。例如悬式绝缘子的钢脚附近，棒式支柱绝缘子裙和芯捧交接处。干燥带的形成促使绝缘子表面电压分布更加不均匀，干燥带承担较高的电压。当电场强度足够大时，将产生辉光放电，继而产生局部电弧。当局部电弧不断发生和发展达到和超过临界状态时，电弧贯穿两极，形成对地闪络。

选用爬距大绝缘子对泄漏电流进行限制，使闪络电压得到提高。在绝缘子的表面喷涂RTV涂料，RTV涂料的憎水性以及憎水迁移性都比较的良好，可有效解决绝缘子污闪问题。同时缩短清扫周期，加大清扫力度，确保绝缘的洁净度，是确保发生污闪的最有效措施。