沈佳高速铁路牡佳段AF线绝缘子闪络故障浅析

张吉彬

0 引言

沈佳高速铁路牡佳段（以下简称“牡佳高铁”）起点为牡丹江站，终点为佳木斯站，运营里程372 km，设计时速250 km，正线接触网采用AT供电方式。

牡佳高铁接触网设备于2021年6月5日送电，全线于2021年12月6日正式开通运营。接触网设备送电后，正馈线（AF线）悬式绝缘子（以下简称绝缘子）频繁发生闪络跳闸故障.从接触网送电至2022年6月20日期间，全线累计发生AF线绝缘子故障闪络跳闸35次。针对此类故障问题，本文通过梳理现场设备及绝缘子闪络故障情况，分析故障发生原因，并提出解决方案。

1 现场设备基本情况

牡佳高铁正线接触网采用AT供电方式，全线绝缘设备均按重污区标准设计，绝缘子设计泄漏距离不小于1 400 mm。在实际工程建设中，牡佳高铁AF线采用4片U70BD型瓷材质悬式绝缘子串，AF线与绝缘子采用预绞式悬垂线夹连接，设计标准满足《高速铁路设计规范》要求。

2 绝缘子闪络故障情况

本节将从故障分布、故障发生时段、故障现象等方面，对牡佳高铁AF线绝缘子发生的35次闪络跳闸进行统计分析。

2.1 故障分布

从故障所在区间、行别分布看，故障呈现散布趋势，上下行分布无明显规律。但从地理位置上分析，桥梁及桥梁路基衔接区段发生跳闸31次，路基段发生跳闸4次。考虑牡佳高铁全线桥梁占比约为48%，可以判断故障分布位置多发生在桥梁段。

2.2 故障发生时段

从时段上分析，绝缘子闪络跳闸全部发生在凌晨3：00—6：30左右的日出时段。跳闸发生时间与日出时间变化规律高度一致。每月跳闸发生时间均值趋势见图1。

图1 绝缘闪络跳闸发生时间情况

2.3 故障现象特点

从跳闸特性分析，绝缘子闪络跳闸后重合闸均成功，重合闸成功后，供电恢复正常，后续未再发生故障跳闸；跳闸电流、电压、阻抗角数据近似，继电保护动作类型均为距离保护I段动作。

通过上述分析，基本可以判断牡佳高铁发生的这35次闪络跳闸为同类型故障。

3 故障原因分析

综合上述接触网跳闸故障的特点，本节对故障原因展开分析。

3.1 绝缘子质量

2021年10月，供电设备管理单位将部分发生过闪络故障的绝缘子以及现场未发生闪络故障的绝缘子合计24片进行送检。经检测，绝缘子各项指标均符合相关标准要求，基本排除绝缘子质量原因引发闪络跳闸。

3.2 绝缘设计因素

高速铁路设计规范、运维规范及施工规范中对附加导线带电体距瓷绝缘子裙边的距离均未明确要求。参考电力系统相关标准规范，《电气装置安装工程 66 kV及以下架空电力线路施工及验收规范》（GB 50173—2014）[1]第8.6.10条规定：悬式绝缘子裙边与带电部位的间隙不应小于50 mm。而牡佳高铁AF线最下方一片绝缘子裙边距预绞式悬垂线夹带电部位约25 mm。该情况可能对设备的绝缘性能产生一定影响，是引发绝缘子闪络跳闸的重要原因。

3.3 特殊外部环境因素

牡佳高铁发生AF线绝缘子闪络跳闸的区段均不在污染源影响范围内，且绝大部分处于林区，空气质量优良，经检测，绝缘子附盐密度值满足规范要求，故排除外部污染原因造成绝缘子闪络跳闸。

从发生跳闸的时间看，所有AF线绝缘子闪络跳闸均发生在每日清晨时段，跳闸时间随日出时间变化呈规律性变化，该时间段属于昼夜温差急剧变化时段，空气湿度大。经定点检测，跳闸发生时间基本为每日空气湿度最大的时段，空气湿度一般在90%以上，可以判断空气湿度大是引发绝缘子闪络的一个重要诱因。

综合以上分析，对牡佳高铁AF线绝缘子闪络故障原因进行初步推断，结论如下：

每日清晨时段环境湿度较大，绝缘子表面附着水汽，形成了沿面泄漏电流通路，受日照及泄漏电流发热影响，导致绝缘子表面局部干燥，进而导致绝缘子串电压分布不均，绝缘子干带承受了更高的电压，可能形成爬电电弧[2]。随着爬电现象的发展，绝缘子表面逐渐干燥后，一般情况下爬电电弧会自行消失，但特殊条件下，爬电电弧继续爬升，导致绝缘子有效绝缘距离降低，当悬式绝缘子裙边与带电部位的间隙处承受的电压过高时，可能导致该位置空气击穿发生放电。绝缘子从沿面放电到最终闪络的电场变化过程如图2所示[3]。

图2 绝缘子从沿面放电到闪络过程电场变化情况

放电引发跳闸后，同一供电臂内所有绝缘子已形成的电弧随之熄灭，再送电后已不具备再形成沿面放电的条件，因此不会引发二次跳闸。

4 解决方案

针对牡佳高铁AF线绝缘子闪络故障，通过研讨分析初步确定两种解决方案以改善绝缘子串的电场分布，一是增加1片悬式瓷绝缘子，二是在预绞式悬垂线夹与绝缘子柱脚间增设三腿直角挂板。

结合以上方案，对4种不同工况（4片悬瓷绝缘子、4片悬瓷绝缘子+挂板、5片悬瓷绝缘子、5片悬瓷绝缘子+挂板）下绝缘子串的电场分布进行仿真计算，以获取悬式瓷绝缘子串各部件的电场分布情况。

对于静电场问题，根据麦克斯韦方程

静电场E为无旋场，则有

电位移矢量D与电场强度E的关系为

式中：ρ为自由电荷密度；ε为介电常数；φ为电位。

则静电场的基本方程为泊松方程，在求解域内有

不同介质的连续分界面上有

式中：ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数，r=1, 2。

高压端，φ=U0；接地端，φ= 0。对于三维静电场问题，用电位函数φ=φ(x,y,z)来描述场的分布，即

对单个绝缘子积分可以得到绝缘子的电压V：

对于绝缘子串模型，重点关注每片绝缘子承受的电压，以原有4片悬式瓷绝缘子串电场分布为例，电场最大值主要分布在导线两端、钢脚的端部、钢帽的端部，如图3所示。

图3 原有4片绝缘子结构电场分布

通过计算，不同结构形式下各片绝缘子承载的电压如表1所示。

表1 不同结构形式下各绝缘子片电压分布情况 kV

根据计算结果，采用增加1片绝缘子以及增加1片绝缘子并增设挂板的2种方案，对电场影响基本相同，各单片绝缘子分布电压均明显降低。综合考虑肩架负载、线索弛度以及成本等因素，确定了采用增加 1片绝缘子的方式以优化绝缘设备的电场分布。

确定整治方案后，组织在牡佳高铁改装绝缘子串3 143组，重点对桥梁段及桥梁、路基衔接段的AF线绝缘子加装1片绝缘子。2022年4月完成大部分绝缘子改装后，4～6月间，牡佳高铁AF线绝缘子发生闪络故障4次，对比4月份以前月均跳闸3.1次的数据看，绝缘子闪络发生频率明显降低。

5 结语

针对牡佳高铁AF线绝缘闪络故障，在采取增加 1片绝缘子的方案对重点区段绝缘子进行整治后，绝缘闪络故障发生率明显降低，但未能完全避免同类故障的发生。 后续建议采用更换复合绝缘子、涂抹憎水涂层等方式进行对比观察，综合研判各种解决方案的可靠性，为彻底解决绝缘闪络故障问题提供统计数据。

建议在穿越林区的电气化线路设计时，专题研究附加导线绝缘问题，尝试使用大伞裙绝缘子、复合绝缘子，以减少此类绝缘闪络故障的发生；建议针对类似工况下的绝缘设备开展专题调研和测试，采集更丰富的现场数据，制定相应的绝缘设计标准，指导今后新线建设中的绝缘设计。