27.5 kV制式地铁接触网瓷绝缘子试验及运行状态研究

田升平

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

近年来，随着我国地铁事业的快速发展，地铁供电设备的可靠性对运输安全的影响越来越大。接触网是地铁的核心供电设施，承担着向列车传输电能的任务。复杂的线路工况以及多变的气象环境，导致接触网部件故障时有发生，直接威胁列车的安全运行。而绝缘子是接触网中广泛使用的重要部件，它们实现了带电体与接地体、供电线相间的电气绝缘功能。

瓷绝缘子一般具有极长的使用寿命，不同于复合绝缘子有较为明确的状态评估方法[1-3]，电力及铁路行业通常极少对运行中的高压瓷绝缘子进行运行状态分析，一般采用故障修的维护策略，即坏一只换一只。但地铁接触网瓷绝缘子运行强度高、环境恶劣，日常仅更换故障绝缘子，并无进一步的检修措施，瓷绝缘子一旦出现故障将直接影响地铁运营安全。伴随对早期投运损坏绝缘子更换比例的增加，利用更换下来的瓷绝缘子进行运行状态分析，对于地铁安全运营具有重要意义。

在目前的绝缘子研究分析中，瓷绝缘子的试验特性以及相应的运行状况研究较少，更多的研究重点在基于温度的红外检测[4-5]、表面污秽[6]、放电[7]和机械破坏等单一试验，无法对瓷绝缘子整体状况进行分析。另外，难以通过物理角度分析瓷绝缘子材料老化特性，加大了其运行状态的分析难度。

针对如图1所示南方某城市27.5 kV交流制式地铁接触网瓷绝缘子，依据相关标准对所选的投运时间分别为1981年、2003年、2019年(新)的3组配方及工艺一致的样品进行电气及机械等性能试验，对比分析3组样品的试验结果数据，确定瓷绝缘子的整体运行状态及检修维护策略。

图1 27.5 kV交流制式地铁接触网棒形瓷绝缘子运行工况

2 试验方案

2.1 试验依据与方法

架空输电线路及接触网中瓷绝缘子的设计运行寿命多在30年以上。27.5 kV制式接触网瓷绝缘子在运行中要持续承受机车通过时的振动、导线自重、导线舞动及绝缘子和各部件热胀冷缩等带来的机械应力；同时，需要耐受工作电压及系统换相暂态过电压和雷电过电压的作用，长期运行后不可避免地会出现一定程度的材料老化或损伤[8]。

瓷绝缘子的老化主要受制造工艺、机电负荷及运行环境等多种因素影响。由于运行可靠性需要进行极限参数破坏性试验，通用的架空输电线路瓷绝缘子通常仅进行离线抽样检测，通过分析当前运行状态及失效率数据，进而判定是否允许继续运行或对同批次绝缘子进行更换[9]。

文献[8]对运行3～25年的悬式瓷绝缘子进行抽样检测，通过工频击穿电压试验、冲击击穿试验、机电破坏试验和材料微观分析试验，获得老化绝缘子的电气、机械特性及材料性能。文献[9]通过抽样试验对高压悬式瓷绝缘子机电性能评估并制定更换策略。文献[10-11]抽样选取了运行25～30年的悬式瓷绝缘子，试验了剩余电气、机械强度，分析了其老化现象及失效机理。上述研究虽然是针对输电线路盘型悬式瓷绝缘子，但其研究方法值得借鉴。

针对瓷绝缘子样品拟定各种电气试验和机械试验，依据相应的IEC标准对试验数据进行对比分析，最终给出不同年限、不同类型瓷绝缘子的运行性能分析结果，并确定在役绝缘子的运行策略。

2.2 绝缘子信息

选用的瓷绝缘子分为平腕臂和斜腕臂用两种棒形瓷绝缘子。该绝缘子运行环境为南方沿海城市，湿度、温度、盐雾密度较高，试验中不考虑高海拔环境以及绝缘子覆冰问题。

为了提高试验结果的可靠性，选择7个同一运行年份下的同批次同型号瓷绝缘子，总计42只腕臂用瓷绝缘子作为试验研究对象。绝缘子样品信息如表1、表2所示。

表1 平腕臂用棒形瓷绝缘子样品信息

表2 斜腕臂用棒形瓷绝缘子样品信息

3 绝缘子试验

针对腕臂瓷绝缘子的运行工况，将试验分为外观特性、机械性能及电气性能三部分。由于每组绝缘子的数量有限，因此基于非破坏性-破坏性的原则进行试验。首先进行外观特性、锌层厚度、绝缘电阻率等基础项目；然后依次进行工频干耐压/闪络、泄漏电流、工频湿耐压/闪络、雷电冲击、人工污秽等电气试验；最后每组选择4只绝缘子进行机械破坏试验，另外3只绝缘子先进行疲劳试验，再进行破坏试验。具体试验方案如图2所示。

图2 试验方案

3.1 外观特性试验

外观试验是判断绝缘子状态的首要项目，可决定绝缘子能否继续运行。外观试验包括釉面观察、金具等部件锌层厚度检查等。现场取样发现绝缘子外观良好，金具及伞裙釉层状况较为良好，无明显污秽。

3.1.1 釉面缺损试验

平腕臂绝缘子釉面缺损很少，表3为斜腕臂绝缘子釉面缺损结果。随着运行年限增长，釉面缺损近似线性增长。由于斜腕臂绝缘子更靠近地面，遭遇飞石飞溅等现象，从而造成釉面缺损几率更高。

表3 釉面缺损面积测试结果

根据Insulatorsforoverheadlineswithanominalvoltageabove1000V-Part1:Ceramicorglassinsulatorunitsfora.c.systems-Definitions，testmethodsandacceptancecriteria(IEC 60383-1: 1993)规定[12]，瓷绝缘子总釉面不应超过:100+D×F/2 000 mm2，单个釉面不应超过:50+D×F/20 000 mm2，其中D为绝缘子最大直径，F为绝缘子爬电距离。实测总釉面以及单个釉面缺失面积分别为287.58 mm2和68.76 mm2，实际釉面缺损远小于标准要求。釉面试验结果满足标准要求，但随着使用时间的增加，釉面损伤也有明显增高。

3.1.2 憎水性试验

试验采用Guidanceonthemeasurementofhydrophobicityofinsulatorsurfaces(IEC TS 62073: 2016)规定[13]的喷雾法。从20 cm ± 10 cm的距离开始喷洒。表面应暴露在雾中10～20 s，在此期间喷洒的水量应足够使水滴落在伞裙上。在喷涂完成后10 s内进行疏水性测量。测量时应能清楚地看到沿绝缘体及其周围疏水性的变化，具体试验结果如表4所示。

表4 表面釉层憎水性测试结果

对照标准，HC1-HC7憎水性递减，由试验结果可知，2019年新绝缘子憎水性较高，运行较长时间后憎水性下降，但憎水性本身与运行时间无明显相关性，主要由表面污秽导致憎水性下降。

3.1.3 锌层厚度试验

按照标准规定[12]的磁力试验法测定镀层质量，要求试验绝缘子镀锌层厚度不小于70 μm。试验结果如表5所示，平均锌层厚度远大于70 μm，不同类型不同使用年限绝缘子均满足要求。

表5 镀锌层测试结果

由2.1节试验结果可知，长期运行造成瓷绝缘子釉面有一定程度退化、锌层厚度降低，但依然满足标准要求，因此需要进行后续电气及机械性能试验，分析绝缘子其它性能是否劣化严重。

3.2 电气性能试验

3.2.1 绝缘电阻试验

参照标准规定[14]，27.5 kV绝缘子的绝缘电阻应大于300 MΩ。

实际工况下，在绝缘子未发生外绝缘击穿以及零值绝缘子的情况下可以保证极高的绝缘电阻。因此，从表6所示的实测结果可知绝缘电阻远高于标准要求。绝缘电阻随着运行时间先快速下降，而后缓慢下降。经过所有电气试验后，再测量绝缘电阻，均大于1 TΩ，也远高于标准要求。

表6 绝缘电阻测试结果 TΩ

3.2.2 雷电冲击耐受电压试验

依据标准[15]对雷电冲击波的要求，该试验的实际雷电波形为波前时间1.2 μs，半波峰 501.2 μs。待测的每只绝缘子进行15次200 kV雷电冲击耐受试验。所有试验绝缘子均未发生闪络及击穿现象，如图3所示。

图3 雷电冲击电压电流波形

3.2.3 工频耐压试验

工频耐压试验包括干耐压以及湿耐压。试验条件如下。室温：td=28.5 ℃，tw=23.2 ℃；大气压力为101.2 kPa；水电阻率为100 Ω·m，雨水量为1.2 mm/min；工频干耐受及湿耐受系数Kt=1.009。

根据工频耐压试验方法及判定标准[16]规定：试验时，先施加约75%的规定试验电压，然后以每秒约2%试验电压的速率上升至规定的110 kV耐受电压，保持1 min，不应发生闪络或绝缘体击穿，然后迅速降压。试验60 s后未破坏则满足耐受试验要求。

在工频湿耐压试验前，需要用规定的电阻率和温度的水喷淋样品，在规定的容差范围内至少不间断预淋15 min。试验电压应为试验时大气条件校正过的规定的工频湿耐受电压。

工频耐受电压试验结果表明：施加110 kV电压1 min后未出现闪络或击穿现象。

3.2.4 工频闪络试验

试验时，先施加约75%的规定闪络电压，然后以每秒约2%试验电压的速率上升至闪络，闪络电压以5个连续测定的闪络值的算数平均值计算。

由表7的试验结果可知，绝缘子闪络电压远高于规定的110 kV耐受电压，且闪络电压随工作时间增长无明显下降。

表7 工频闪络试验结果

3.2.5 泄漏电流试验

依据标准[15]规定，所有样品均应保持初始表面状态。对样品施加25 kV电压20 min，在蒸汽雾条件下测量泄漏电流。试验结果如表8所示。

表8 泄漏电流试验结果

3.2.6 人工污秽耐受试验

依据Artificialpollutiontestsonhigh-voltageceramicandglassinsulatorstobeusedona.c.systems(IEC 60507: 2013)[17]，在该标准5 Salt fog method中明确规定了固体层法的试验方法及标准。考虑到南方沿海地区实际以盐雾、灰为主要污秽来源，因此依据盐雾进行定人工污秽耐受试验。污秽密度：SDD/NSDD=0.1/1.0 mg/cm2。施加25 kV电压60 min。结果显示无闪络或击穿发生。人工污秽耐受试验时的泄漏电流如表9所示。

表9 人工污秽耐受试验泄漏电流结果

试验表明，随着运行时间增长，绝缘电阻下降，工频闪络击穿电压无明显变化，泄漏电流增长，但瓷绝缘子性能满足工作要求且有较大的裕度。

对比表8和表9可知，2003年和2019年的绝缘子人工污秽条件下泄漏电流高于原始状态绝缘子泄漏电流，相反1981年的绝缘子人工污秽条件下泄漏电流低于原始状态绝缘子污秽电流。结合外观试验结果可知，长期运行工况对瓷绝缘子表面釉层造成了一定程度损伤，同时累积污秽是造成绝缘子表面状态性能下降的重要因素。

3.3 机械性能试验

3.3.1 机械破坏试验

根据标准规定[12]选择试验方案，施加负荷应平稳、迅速地从零增加到约为规定机械破坏负荷的75%，然后以每分钟10%～35%规定机械破坏负荷的速度逐步增加。平腕臂绝缘子抗拉破坏试验时，绝缘子轴向受力，如图4所示。斜腕臂绝缘子抗弯破坏试验时受力方向垂直于绝缘子轴线方向，如图5所示。

图4 平腕臂绝缘子抗拉破坏试验

图5 斜腕臂绝缘子抗弯破坏试验

瓷绝缘子抗拉破坏试验结果如图6所示。2019年新绝缘子的破坏载荷均高于表1和表2出厂要求的81.7 kN和4.965 kN，3组绝缘子的机械性能稳定性均较差。其中，2003年批次绝缘子性能有一定程度劣化，但基本满足出厂载荷要求。针对1981年投运情况，平腕臂绝缘子抗拉破坏载荷已降至61.59 kN，但远高于最大工作载荷32.68 kN；斜腕臂绝缘子弯曲失效载荷性能仍接近原厂要求的4.965 kN。

图6 绝缘子机械破坏试验结果

3.3.2 机械疲劳试验

参照铁标规定[18-19]进行瓷绝缘子疲劳试验：分别将瓷绝缘子与腕臂、承力索座、定位器等零件组装为一套完整的腕臂系统，在承力索座及定位线夹处按照实际线路工况分别施加工作荷载。实际试验时根据试验条件，在斜腕臂管上施加等效荷载进行试验，等效荷载依据实际工况计算得出，如图7所示。

图7 绝缘子疲劳试验方法

疲劳试验条件 试验荷载及幅值：最大工作荷重±30 %；平腕臂用绝缘子施加载荷为9.8 kN，斜腕臂用绝缘子施加载荷为307 N·m；交变波形：正弦波；疲劳频率：1 Hz；疲劳次数：50万次。

试验后再分别做拉伸破坏荷载及弯曲破坏荷载试验，方法同2.3.1节。试验结果如图8所示。

图8 绝缘子疲劳试验结果

疲劳试验后的拉伸破坏荷载及弯曲破坏荷载整体上略低于未经疲劳试验的荷载，但绝缘子性能仍满足最大工作负载要求。

4 绝缘子性能分析

综合试验结果可知，平腕臂和斜腕臂用棒形瓷绝缘子电气性能劣化较少，机械性能下降明显但整体满足绝缘子长期运行要求。平腕臂用绝缘子受力较大，机械性能下降更严重，而斜腕臂用绝缘子更靠近地面，导致绝缘子釉层破损程度高且积灰多，泄漏电流等电气性能下降更为严重。

瓷绝缘子由绝缘件和金属附件用胶合剂胶合或机械卡装而成。其使用寿命与强度、环境、应力水平等存在着必然的联系。瓷绝缘子具有较低的老化率。造成瓷绝缘子寿命下降的因素主要包括电损伤以及机械损伤。

电损伤主要是由于雷电冲击、操作过电压等引发的电气故障以及绝缘子污秽或覆冰造成闪络。电损伤导致绝缘子釉层破损、金属附件造成外观破损、内部损伤，并且有数据支持绝缘子表层损伤对绝缘子强度下降有最为明显的作用。

机械损伤主要是长时间的工作环境，如机械载荷以及热震、温度循环或检修作业或其他外力因素导致的机械损伤或机械疲劳。

5 结论

(1)27.5 kV交流制式地铁线路最长已运行近40年的接触网瓷绝缘子各方面性能有一定程度退化，但仍有较高的安全裕度，满足长期工作要求。

(2)长期运行造成瓷绝缘子釉面有一定程度退化、锌层厚度降低，但依然满足标准要求。瓷绝缘子电气性能均满足要求，但斜腕臂绝缘子由于运行工况恶劣导致釉面损伤较多，电气性能下降相对较大。同时累积污秽也是绝缘子电气性能下降的重要因素。

(3)绝缘子机械性能稳定性均较差并呈现较大的离散性。平、斜腕臂绝缘子抗拉及抗弯强度随着运行年限增加呈波动下降趋势。疲劳试验后的平、斜腕臂绝缘子抗拉及抗弯强度与运行年限存在一定相关性。但绝缘子各方面机械工作性能整体上仍远高于最大工作荷载的要求。

(4)依据重要性排序，机械性能、电气性能及外观特性依次影响到瓷绝缘子的运行状态。由于机械性能试验中绝缘子的破坏强度结果具有较大离散性，日常检修中应加强瓷绝缘子机械性能的定期抽样试验。

(5)对运行中的瓷绝缘子采用目视、红外和电晕成像等技术进行在线检测[20-21]，并配合针对机械性能的定期抽样试验结果，可更好地指导长期运行的接触网瓷绝缘子更换维护策略的制定。