不同服役年限下动车组高压隔离开关用绝缘子运行性能研究

2022-10-24于治国王晓明张启哲王胜辉律方成

电瓷避雷器 2022年5期

于治国，王晓明，常波，张启哲，王胜辉，律方成

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛2661111; 2.华北电力大学，北京 102206)

0 引言

截止到2020年底，我国高铁总里程已突破3.0万公里[1-6]。车顶复合支柱绝缘子是动车组牵引供电系统中最为重要的外绝缘设备之一，其性能直接影响动车组的安全稳定运行[7-12]。车顶绝缘子在运行过程中长期受到积污、光照以及风沙等因素的影响，可能会降低绝缘子沿面闪络电压，危害动车组的安全稳定运行[1,13-18]。自2008年京津城际高速铁路开通以来，国内动车组的运营时间超过了10年，运维人员在动车组运行过程发现车顶绝缘子时有损坏情况发生。因此，研究动车组车顶绝缘子性能随服役年限增加的衰退规律对于提高动车组的安全稳定运行具有重要现实意义。

国内外学者对于动车组车顶绝缘子性能随服役年限增加的性能变化十分关注。文献[19]总结了目前动车车顶绝缘子的研究进展并对其未来的研究方向进行了展望。文献[20]研究了运行里程对动车组车顶绝缘子工频闪络电压的影响，指出随运行里程的增加，绝缘子的干闪电压无明显变化，湿闪电压和污闪电压随运行里程的增加而下降。文献[21-22]针对电力系统在网运行的绝缘子进行憎水性研究，研究表明，随着老化时间的增加，复合绝缘子伞裙的憎水性逐渐变差。文献[23-24]通过研究绝缘子在不同相对湿度下绝缘子表面泄漏电流的变化特性，得出不同相对湿度下泄漏电流满足线性关系，但当绝缘子从临界饱和到过饱和受潮变化时，最大泄漏电流会突然跃升。文献[25-27]指出目前京广、京沪等地区的高速铁路高压外绝缘设备入网考核的额定雷电冲击闪络电压值为125 kV，西部高海拔地区的为170 kV。文献[28-29]指出当接触网遭遇雷击时，雷击电压幅值超过动车组车顶外绝缘设备闪络耐受电压值时，绝缘子将发生沿面闪络或空气击穿，影响动车组的安全稳定运行。

基于上述研究现状可知，目前国内外对于服役年限对车顶绝缘子性能衰退的影响研究相对较少，笔者选取了国内某知名动车组生产厂家现场运行了不同年限的车顶绝缘子为研究对象(服役年限分别为3年、4年、5年、6年和10年)，开展如下3方面试验：绝缘子憎水性测试，绝缘电阻测试以及雷电冲击试验。相关研究得到了车顶绝缘子的性能衰退特性，可为动车组车顶绝缘子的服役可靠性提供一定的试验依据。

1 憎水性试验

绝缘子憎水性是反映绝缘子运行状态的重要指标。随着服役年限的增加，其憎水性可能出现下降，从而导污秽闪络电压的降低，危害电气系统运行安全。对绝缘子开展憎水性测试，可评估被试绝缘子伞裙的材料性能和电气性能。

1.1 被测试品

本研究所选择的动车组高压隔离开关用绝缘子，共有5片大伞裙，4片小伞裙，其结构高度为400 mm，大伞裙直径为180 mm，小伞裙直径为150 mm，爬电距离为1 050 mm，试品结构示意图见图1。

图1 试品结构示意图

试验选取不同服役年限的10只绝缘子，为了后续表述方便，将绝缘子进行编号，1-2是服役3年的绝缘子，3-4是服役4年的绝缘子，5-6是服役5年的绝缘子，7-8是服役6年的绝缘子，9-10是服役10年的绝缘子。

1.2 试验方法

选取不同服役年限的硅橡胶车顶复合硅橡胶绝缘子，采用喷水分级法测试绝缘子的憎水性。试验时，其水壶中盛装去离子水，喷壶口距离绝缘子约25 cm，对绝缘子均匀喷洒水雾20 s～30 s。图2为绝缘子表面水珠的典型分布情况。在喷水结束后10 s内观察水珠在试品表面的分布情况并进行憎水性判别。

1.3 试验结果分析

由图2可以看出，在所有被试绝缘子中，服役年限为3年的绝缘子憎水性最好，为HC3级。与服役年限为3年的绝缘子相比，服役年限为4年、5年和6年的绝缘子憎水性普遍下降，伞裙边缘形成小块的水膜，憎水性等级为HC4-HC5，服役10年的绝缘子则出现了大片的水膜，其憎水性等级为HC5。

图2 硅橡胶绝缘子憎水性图像

2 绝缘电阻测试

绝缘电阻检测法是目前评判绝缘子绝缘性能最直接和简便的方法。刚生产的未投入运行的绝缘子一般绝缘电阻值非常大，但是当绝缘子投入运行后，由于车顶环境复杂，随着动车组服役年限的增加，可导致绝缘子的表面状态发生变化，因此有必要对绝缘子的运行状态进行检测。

依据DL/T 596《电力设备预防性试验规程》和DL 474.1《现场绝缘电阻试验实施导则》，本研究前期用量程为2 500 V的兆欧表进行电阻测量，结果绝缘子电阻很大，兆欧表无法测量。后采用施加直流高压，测量其泄漏电流从而间接得到绝缘电阻的方法进行电阻性能测试。试验时施加的电压为85 kV，通过数字微安表测量绝缘子表面的泄漏电流，由欧姆定律计算得到绝缘子的绝缘电阻。

2.1 试验接线和试验方法

试验回路由高压直流电源、绝缘子、数字微安表和计算机组成。高压直流电源最高输出电压为100 kV，时漂精度0.1 %/h，温漂精度0.1/℃，纹波系数为5‰，符合试验的要求。绝缘子接地端通过导线与数字微安表串联。数字微安表采集泄漏电流数据，传输至计算机，试验回路示意图见图3。

图3 试品回路示意图

在进行泄漏电流测量前，按照GB/T 26218.1-2010 《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定第1部分：定义、信息和一般原则》，对绝缘子进行清洗。绝缘子清洗后放于室内自然阴干后，用塑料布包裹，封存待用。

2.2试验结果分析

试验所用绝缘子与憎水性试验所用是同一批绝缘子，不同服役年限下洁净绝缘子的泄漏电流见图4。

图4 不同服役年限下洁净绝缘子的泄漏电流

由图4可以看出，随着动车组服役年限的增加，车顶绝缘子的泄漏电流略有上升，但是变化幅度不大，绝缘电阻基本维持在2.024 GΩ～2.778 GΩ。

3 雷电冲击试验

3.1 试验装置及测试方法

自然界中负极性雷占总雷电数的90%以上，但是正极性雷更容易造成闪络，因此本试验采用了两种极性雷电波分别进行了试验研究。为尽可能接近现场实际运行情况，试验采用4块厚度为3 mm、长和宽均为1 m的薄铁板拼接成一长方形结构以模拟列车车顶。采用冲击高压发生器产生1.2/50 μs标准雷电波冲击波，波形误差满足国际标准要求，分压器分压比为3 048∶1，整个实验装置的接线见图5。

图5 雷电冲击试验时的接线照片

根据GB/T 16927.2-2013的试验和测量方法，绝缘子U50%采用升降法测定，首先预估车顶绝缘子的闪络电压值U0，电压升降级差为预期电压峰值的3%以内；第一次加压幅值为U0，若闪络，电压降低一个极差，若不闪络，电压升高一个极差，直到找到第一个有效数据，依次试验，试验进行25组，50%闪络电压由下式计算：

(1)

标准误差用式(2)计算：

(2)

3.2 试验结果分析

试验在室内进行，试验时的温度为18.5 ℃，相对湿度为35.1%，其发生沿面闪络时的典型照片见图6。

图6 绝缘子发生闪络时的照片

不同服役年限下50%闪络电压值见表1。为了便于比较，将负极性电压取其绝对值，绝缘子闪络电压随服役年限的变化规律见图7。

从表1可以看出来，随着服役年限的增加，绝缘子50%闪络电压值在一定范围内波动，且标准误差率均小于5%，试验结果可信。从图7可以看出来，绝缘子正极性50%闪络电压远小于负极性50%闪络电压，不同服役年限的高压隔离开关用绝缘子正负极性50%闪络电压均通过了雷电冲击耐受试验，符合TB/T 3077-2017 《机车车辆车顶绝缘子》中，标准雷电冲击耐受电压峰值大于185 kV的技术要求。