新疆盐碱风沙环境绝缘子防护研究

李银生

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室，西安 710043）

我国新疆地区盐碱地分布广袤，大风频发，造成电气化铁道绝缘损坏，成为电气化铁道牵引供电系统故障的主要因素，见图1. 本文拟结合新疆地区的风沙气候环境，并采用理论分析、电磁场有限元软件Ansoft仿真试验、现场工程试验等相结合的方法对新疆风沙对绝缘子性能的破坏情况进行分析，以提高接触网绝缘系统抗风沙性能.

1 新疆地区影响绝缘性能的主要因素

图1 兰新线盐湖地区绝缘子污闪电击痕迹Fig.1 The hints of flashover and shock on insulators of Lan-Xin Railway near the salt lake

1.1 绝缘污闪的外部条件

绝缘子污闪的发展需经历四个过程：污秽的沉积、污秽的受潮、电弧发展、最终闪络［1-2］. 瓷绝缘子积污是污闪发生的前提，污秽物的性质、污染程度、大气环境均是影响污染的主要外部条件.

1）污秽物的性质和污染程度

新疆地区具有“三山夹两盆”的地貌特点，其河流主要为内陆河，含盐地地层盐分被水流带至低洼处，成为土壤盐分的主要来源［3］；加之新疆地区大多干旱少雨，日照充足，水分蒸发量大，盐分易在地表聚集，形成了大规模的盐渍土区域［4-10］.

2）气流

大气气流在绝缘子污闪中的主要破坏作用表现在提供污染源、潮湿环境等.

①污染源. 大多数盐渍土地区的盐碱成分分布于土壤表层，在风力作用下能从土壤表面扬起形成盐碱沙尘［11-12］，为绝缘子表面积污创造基础条件.

②潮湿环境. 污秽在绝缘子表面的积累主要受静电力和黏附力影响，黏附力影响因素主要为对毛细力影响较大的空气相对湿度［13］，研究表明60%～99%的空气湿度下易造成绝缘子污闪［14-15］.

通过对兰新铁路、兰新二线运营情况的总结，绝缘子污闪更易发生在盐湖附近. 主要原因即是此类区域除了湖区周围提供的盐碱沙尘污染源外，湖水的蒸发为绝缘子污闪的发生提供了良好的潮湿空气，见图2.

图2 大风过后支柱上的附着物Fig.2 The dust adhering to the pole after big wind

③冲蚀. 新疆在大风季节，风卷起砂石击打绝缘子表面，对绝缘子表面产生冲蚀作用，破坏了绝缘子表面的光洁程度及绝缘性能，并加速了污秽沉积.

④风吹雪. 风吹雪是雪颗粒在气流的作用下随风运动的一种复杂流体，其本质是在雪颗粒在风场作用下，在一定区域内对积雪密度的重新分配［16-18］.

大风作用下，盐湖区电气化铁路形成风吹雪时，极易在接触网绝缘子伞裙下面的棱槽间和瓷件背后空间产生旋涡、湍流和局部低气压，使带含盐碱的雪颗粒黏附在电瓷表面，见图3.

3）大气温度和湿度

通过实验分析得出，大气温度为0～-3 ℃、空气相对湿度低于70%时，干燥的污秽层电阻很大，表面脏污的绝缘子的绝缘水平并无显著降低. 而在细雨、雾、露等高湿度天气，污秽层中的可溶性盐溶解，污秽层变为导电层，污秽中的灰分又可保持水分，促进污秽层进一步受潮，溶解更多的电解质，使泄露电流增大，闪络电压下降. 大雨冲刷时，可减少绝缘子表面的污秽，有利于提高闪络电压.

图3 斜腕臂绝缘子“风吹雪”Fig.3 The snow drifts on the insulators of OCS

干燥条件下，棒式绝缘子的闪络电压可达到运行电压的3倍，即75 kV，而在潮湿状态下降为45 kV，特殊情况闪络电压甚至可能低到10 kV 以下.

1.2 绝缘子结构对绝缘的影响

图4 绝缘子实物模型Fig.4 The model of insulator

1）利用Ansoft模型对绝缘子进行建模

绝缘子沿其轴向1/2剖面图如图4，完整绝缘子模型如图4. 模型中橙色部分代表上下两部分的金属附件.

国铁接触网的标称电压为25 kV［19］. 在上侧金属附件施加激励为35 355 V，即为工频25 kV 交流电压的最大值. 瓷质绝缘子相对介电常数范围为6～8，本仿真工作取相对介电常数为8进行仿真计算.

2）伞群大小对绝缘的影响

采取有限元方法来仿真分析大伞裙半径对最大场强影响. 计算了大伞裙半径从108 mm变化至118 mm（步长为1 mm）时，路径2上最大场强的值，收入表1并绘成场强分布图5. 仿真结果表明，大伞裙对绝缘子的场强分布影响不明显.

表1 路径2上最大场强与距离关系Tab.1 The relation between max strengths of field and distance on path 2

图5 最大场强随大伞裙半径变化图Fig.5 The changes of biggest field strengths with the petticoat radiuses

3）绝缘子附属金具对绝缘子性能的影响

在上侧金属附件的下端进行倒角处理，利用仿真软件计算添加倒角半径从1 mm 变化至10 mm（步长为1 mm）时，路径2 上最大场强的值，收入表2 并绘成图6（此时大伞裙半径为108 mm），此时最大网格尺寸为10 mm.

表2 模型上侧金具下端添加倒角后路径2上最大场强Tab.2 The max strengths of field on the chamfered model on path 2

由仿真结果可得，当上侧金具的下端加工成大曲率倒角后，倒角附件附近最大场强情况出现一定程度的减小.

1.3 绝缘材料对绝缘性能的影响

选取瓷绝缘子、涂PRTV、硅橡胶绝缘子进行实验室分析.

1）憎水性

干燥条件下，瓷绝缘子表面污秽分布均匀，涂PRTV 和硅橡胶绝缘子表面污秽为离散分布，涂PRTV 绝缘子表面污秽分布离散情况好于硅橡胶绝缘子，见图7.

图6 路径2上最大场强随倒角半径变化图Fig.6 The changes of biggest field strengths with the chamferings

图7 不同绝缘子表面污秽分布及水珠状态观测Fig.7 The distribution of pollution and water on different types of insulators

水雾条件下，PRTV表面留下水珠滚下后自洁通道；硅橡胶表面则形成均匀分布水珠. 显示前者自洁性能较好，比硅橡胶更不易积污.

2）电气性能

①污秽闪络电压. 在表面干燥的情况下，标准污秽和三倍污秽时，3种绝缘子都能耐受60 kV工频电压有效值而未发生闪络.

喷雾状态下模拟绝缘子在雨天情况下的状态，试验结果如表3.

表3 喷雾条件下绝缘子闪络电压Tab.3 The flashover voltages of insulators in the mist spray condition

该试验结果表明，陶瓷绝缘子在雾室中闪络电压最低；涂PRTV绝缘子在喷雾情况下的污秽闪络电压仍然几乎达到两倍额定电压；硅橡胶绝缘子在雾室中的闪络电压也远高于陶瓷绝缘子.

②泄漏电流. 在干燥与潮湿条件下，测得普通陶瓷绝缘子、涂PRTV 陶瓷绝缘子、硅橡胶绝缘子的泄露电流分别见表4～表6.

表4 25 kV级陶瓷绝缘子表面直流泄漏电流Tab.4 The DC leakage currents on the surfaces of 25 kV porcelain insulators

表5 25 kV级陶瓷绝缘子涂覆PRTV表面直流泄漏电流Tab.5 The DC leakage currents on the surfaces of 25 kV porcelain insulators with PRTV coat

表6 25 kV级硅橡胶复合绝缘子表面直流泄漏电流Tab.6 DC leakage currents on the surfaces of 25 kV silicone rubber insulators

在表面干燥的情况下，三种绝缘子的泄漏电流都比潮湿情况下绝缘子泄漏电流要小. 而在潮湿情况下，PRTV 瓷绝缘子泄漏电流最小，硅橡胶绝缘子居中，瓷绝缘子表面泄漏电流远大于前两种情况达几个数量级，表明PRTV或硅橡胶具有优良的抗污秽能力，而又以涂PRTV绝缘子防污秽能力最强，甚至比硅橡胶复合绝缘子抗污秽性能优异.

2 绝缘子防护方案

2.1 采用增爬裙

增爬裙通过粘胶黏结在瓷绝缘子伞群表面，可以改变瓷表面的特性和结构形状，从而改善绝缘子的耐污性能.

1）闪络电压

分别在陶瓷绝缘子不同位置加装硅橡胶增爬裙，其对污秽闪络电压的提升效果见表7.

表7 陶瓷绝缘子采用增爬裙时的污秽闪络电压Tab.7 The flashover voltages of porcelain insulators with creepage extenders

试验结果表明，加装增爬裙能够显著提升绝缘子的污秽闪络电压，并且随着增爬裙数量的增加绝缘子闪络电压呈上升趋势. 加装一片增爬裙时污闪电压的提高最明显，并且加装在绝缘子中部位置效果最佳，且对污秽闪络电压提升以及工程造价具有最佳性价比且便于施工.

2）泄露电流

对带有增爬裙的绝缘子进行测试，泄露电流见表8～表10.

表8 带一个增爬裙25 kV级陶瓷绝缘子表面直流泄漏电流Tab.8 The DC leakage currents on the surfaces of porcelain insulators with one creepage extender

表9 带两个增爬裙25 kV级陶瓷绝缘子表面直流泄漏电流Tab.9 The DC leakage currents on the surfaces of porcelain insulators with two creepage extenders

表10 带三个增爬裙25 kV级陶瓷绝缘子表面直流泄漏电流Tab.10 The DC leakage currents on the surfaces of porcelain insulators with three creepage extenders

针对带有增爬裙的绝缘子的直流泄漏电流测试结果表明，增爬裙数量从1增加到2，整体泄漏电流下降，但是下降幅度有限；当增爬裙数量增加到3时，泄漏电流却并未下降，反而出来了一定的上升. 这主要是由于在粘贴过程中会使用大量的粘贴剂，粘贴剂的电导率明显高于绝缘子表面电导率，在增爬裙数量较多的情况下，泄漏电流路径可能更多的是在粘贴剂上流过，所以导致带三个增爬裙的绝缘子泄漏电流反而上升.因而同样建议采用一片增爬裙.

试验结果表明，设置一片增爬群后绝缘子的性能能够得以有效改善.

2.2 采用大小间隔伞裙瓷绝缘子或增加大伞裙绝缘子

大小间隔伞裙瓷绝缘子通过增大两个大伞间距及增大大伞伞缘伸出量（见图8），能够大大优化其空气动力学结构，改善积污情况，提高瓷绝缘子的风雨自洁能力，降低粉尘、盐份等污秽物在瓷绝缘子伞盘表面上的聚集.

在结构长度与既有值保持一致的前提下，能够保持标准规定的工频耐受值，干、湿闪电压耐受值，雷电冲击电压耐受值，而污闪电压可提高到40 kV，其各项指标均优于满足铁标的QBG-25型棒型瓷绝缘子，其主要性能指标见表11.

图8 大小伞裙绝缘子Fig.8 Insulator with different petticoats

表11 优化伞群结构后的绝缘子性能Tab.11 The characters of insulators with optimized petticoat cluster structure

2.3 喷涂RTV-Ⅱ或PRTV型防污闪涂料

RTV硅橡胶防污闪涂料是以聚硅氧烷为基料，并引入特殊助剂制成，具有持久性和彻底性. 绝缘子表面使用RTV材料能够使绝缘子有良好的憎水性以及憎水迁移性防污闪性能，显著提高绝缘子的耐污能力，是行之有效的防污闪措施［20-21］.

PRTV在RTV涂料基础上加入了纳米级高绝缘补强材料，使其具有很高的机械强度和附着力，能够耐受强风沙气候侵蚀（例如：处于风口的地区、电力机车等）、满足设备检修蹬踏的要求、在污秽特殊严重情况下可进行必要的水冲洗或清扫，涂层的机械性能可达到合成绝缘子的伞裙护套材料的强度.

2.4 更换复合绝缘子

硅橡胶复合绝缘子具有优异的憎水性和憎水迁移特性，具有相对较强的耐污闪能力.

2.5 更换新型瓷复合绝缘子

瓷复合绝缘子结构示意图见图9. 新型瓷复合绝缘子是采用添加改性基体的高温硫化硅橡胶作外绝缘伞裙护套，精细工业氧化铝高强度陶瓷作内绝缘芯棒的混合绝缘子.

其电气性能、机械性能见表12.

图9 瓷复合绝缘子产品图片及结构示意图Fig.9 Porcelain composite insulator

表12 瓷复合绝缘子机电性能Tab.12 The characters of porcelain composite insulators

其他特性如下：

1）从材料上绝缘子的外表采用氟硅橡胶，其接触角达到130°以上表面光滑度较高，不易积污.

2）伞形结构为开放型大小小伞结构，又称空气动力型伞形. 在有风的情况下，沉积在伞面上的污秽会被吹掉，不易积污；降雨情况下，瓷绝缘子的下表面雨水冲刷作用较小，而瓷复合绝缘子的结构更利于雨水对污秽的冲刷，大大提高了其自洁性能；此外，对瓷复合绝缘子增加爬电距离或增大个别伞裙的直径也比瓷绝缘子容易实现.

3）机械强度稳定.

4）瓷芯棒不易老化，使用寿命长.

5）伞裙材料采用含氟元素硅橡胶，具有良好的耐碱、耐寒、耐候性能.

3 现场试验

新疆地区电气化铁路兰新二线、吐库二线采用对腕臂绝缘子进行RTV-II防污闪涂料喷涂的防污闪加强措施，目前运行状态良好.

4 结论

通过仿真以及实验结果可知，可以采取优化绝缘子端部金具形状、在绝缘子表面喷涂PRTV材料、加装增爬群对绝缘子的电场分布进行改善，提高绝缘性能. 其中喷涂材料已经在兰新线予以实施，并且效果良好.

近期采用加强绝缘子清扫频度，缩短清扫周期来减少污闪的发生率，远期可通过调整爬电距离，更换大爬距防污型绝缘子来有效解决此问题.

腕臂绝缘子采用“采用大小间隔伞裙瓷绝缘子，并喷涂RTV-Ⅱ或PRTV型防污闪涂料以提高防污闪能力的加强措施，沙蚀严重地区可采用瓷复合绝缘子.