王芹鳳 于德偉

摘 要：通過分析受電弓絕緣子的污閃故障產(chǎn)生的原因，提出改進方案，并通過進行相關(guān)的實驗對改進進行了驗證。經(jīng)分析故障原因為雨霧天氣由于環(huán)境的影響導(dǎo)致絕緣性能下降，通過增加絕緣距離，加大引起閃絡(luò)故障的關(guān)鍵參數(shù)——最小電氣間隙，從根源上避免故障的發(fā)生。通過采用高分子硅橡膠材料保證加強絕緣部分的電氣和機械性能，適應(yīng)高速動車組在高速運行時的環(huán)境要求而又不影響絕緣子的強度和安全，同時經(jīng)過高壓閃絡(luò)試驗對改進后的高壓絕緣子進行了試驗驗證。

關(guān)鍵詞：絕緣子 最小電氣間隙 爬電距離 最大耐受電壓

中圖分類號：U225.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0222-02

受電弓絕緣子是列車特高壓系統(tǒng)最重要的部件之一，絕緣子的狀態(tài)好壞直接影響到列車的安全運行，近期京滬線上300 km等級高速動車組頻頻發(fā)生受電弓對車體放電事故，尤其雨霧天氣情況更是嚴重。300 km及以上速度等級的高速動車組在雨霧天氣或表面覆蓋污物的情況下，導(dǎo)致動車組車頂受電弓支撐絕緣子下降，從而引起絕緣子污閃。

受電弓絕緣子是帶電的將干線受電弓與車體進行電氣隔離的設(shè)備，它將弓網(wǎng)系統(tǒng)與車體進行電氣隔離，同時實現(xiàn)受電弓與車體的機械連接。污閃故障是由于絕緣子的電氣隔離功能被減弱引起的。

1 原因分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

300 km及以上速度動車組受電弓絕緣子外形如圖1所示，絕緣子制造材料為環(huán)氧樹脂，電氣性能參數(shù)如下。

最小電氣間隙：353 mm，最小爬電距離1097 mm，額定耐受電壓90 kV（有效值），污穢耐受電壓30 kV。

1.2 原因分析

1.2.1 電氣間隙

GB/T21413.1-2008鐵路應(yīng)用 機車車輛電氣設(shè)備第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則規(guī)定了海拔1400 m以下的電氣間隙310 mm，更高一級別為370 mm，即使最為苛刻的BSEN 50124-1-2001鐵路應(yīng)用 絕緣配合第1部分：基本要求。電工電子設(shè)備的電氣間隙和爬電距離（英文）標(biāo)準(zhǔn)也是310 mm。該受電弓支撐絕緣子最小電氣間隙353 mm，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2.2 爬電距離

TB/T 3077.2-2006電力機車車頂絕緣子第2部分：復(fù)合絕緣子規(guī)定25 kV等級爬電距離大于750 mm，GB/T21413.1-2008中規(guī)定PD4爬比為25 mm（對應(yīng)爬電距離750 mm），BSEN 50124-1-2001中規(guī)定PD4爬比為30 mm（對應(yīng)爬電距離900 mm）。

1.2.3 引起污閃的原因

受電弓絕緣子有兩個功能即電隔離和機械連接，污閃主要是由于電隔離功能被減弱引起的，當(dāng)受電弓支撐絕緣子表面覆蓋污物時，絕緣子的絕緣性能下降，當(dāng)表面污物達到一定程度時或使用環(huán)境惡化時（像雨霧天氣），引起絕緣子絕緣性能下降，從而導(dǎo)致污閃現(xiàn)象。

2 絕緣子性能的改進方案

將絕緣子高度100 mm的金屬凸臺部分改造為與絕緣子傘裙同類的絕緣性能高的材料，提高絕緣子的絕緣性能，增大電氣間隙，可以有效提高絕緣子的閃絡(luò)電壓和污穢起霧閃絡(luò)電壓。

改造方案如下：將金屬凸臺用35 kV等級傘裙冷縮套管進行密封，對套管與絕緣子第一個傘裙接鑲位置用室溫固化橡膠膏進行加強處理。

3 可行性分析

3.1 傘裙冷縮套管材料性能分析

傘裙冷縮套管材料為廣泛應(yīng)用于高壓絕緣和電力防污閃的硅橡膠，該材料采用硅和天然橡膠通過重新進行分子排布，保證分子成四點網(wǎng)狀交聯(lián)排列，從而保證材料即具很高的機械性能，又有很好的彈性。同時甲基基團均勻排布在主鏈結(jié)構(gòu)的正上方的分子結(jié)構(gòu)，保證了該硅橡膠具有很好的憎水性能。

耐熱性：硅橡膠為無色至乳白色的彈性體，二甲基硅橡膠、甲基乙烯硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠比重為0.96～0.99，甲基三氟丙基乙烯基硅橡膠比重為1.3左右，硅橡膠主鏈結(jié)構(gòu)為Si-O鍵組成，Si-O鍵能較高達451 kJ/mol，總而言之，硅橡膠具有較高的熱穩(wěn)定性，在150℃～180 ℃下可以極長期的使用，在200℃～250 ℃下性能變化僅發(fā)生在高溫作用的初期（如250 ℃為前5d），此后性能幾乎無變化。硅橡膠的耐寒性很好，可以在-60 ℃或更低的溫度下使用，硅橡膠一般在-30 ℃時性能發(fā)生變化，即隨溫度降低硬度、抗張強度及壓縮永久變形值有所增加，伸長率則降低，但這些變化是可逆的，溫度升高后便能回復(fù)。

機械強度：硅橡膠的分子量即使達到50～70萬時，其柔性仍遠較其他有機橡膠好，這是由于它的甲基是繞Si—軸旋轉(zhuǎn)運動，氫原子占有相當(dāng)廣闊的，因而與相鄰分子的距離較大，分子間相互吸引力較小，故而無配合填充劑的硫化膠抗張強度很低，小于1 MPa，伸長率約60%。雖然硅橡膠的補強效率遠較其他橡膠為高，但是由于硅橡膠的機械強度、耐磨性等性能仍較一般有機橡膠差，在配料的各組份事宜的情況下，硅橡膠硫化膠機械性能可以獲得較高的水平，如甲基乙烯基硅橡膠的硫化膠，最高可達10 MPa以上，抗撕強度可達350～690 kn/m。

電氣性能：有機硅橡膠的多數(shù)品種雖然含有少量的乙烯基，但它們?nèi)詫儆陲柡拖鹉z，主鏈由硅-氧鍵構(gòu)成，從而具有良好的耐候性和耐臭氧性。有機硅橡膠的疏水性很高，在潮濕的環(huán)境下工作，介電性能改變很??；高壓蒸汽的環(huán)境下時，將發(fā)生水解和解聚作用。硅橡膠的電絕緣性能優(yōu)良，在所有的使用環(huán)境溫度下，介電性能都比較穩(wěn)定，即使在突發(fā)事件的高溫下，介電性能降低也較少且仍能保持良好的絕緣性能指標(biāo)。

3.2 阻燃性能

選用熱穩(wěn)定性較高的無鹵阻燃劑，通過阻燃劑之間的協(xié)效，使甲基乙烯基硅橡膠的阻燃性能達到所需要求，且滿足在高溫條件下使用。采用阻燃劑PAN和ETT復(fù)配，在60份時可以達到FV-0阻燃級、氧指數(shù)38.9%。在此基礎(chǔ)上添加少量氧化鋅和硼酸鋅作為阻燃協(xié)效劑，能有效提高對硅橡膠的阻燃效率，當(dāng)阻燃劑減少到55份時，垂直燃燒通過FV-0級，氧指數(shù)38.7%，同時所制阻燃材料拉伸強度達到4.6 MPa，拉斷伸長率520%、撕裂強度達到20 kN/m，而且具有優(yōu)良的耐熱性。經(jīng)200 ℃×24 h熱空氣老化后，拉伸強度和拉伸長率保持率為83.5%、70.3%。

3.3 絕緣子風(fēng)壓分析

首先計算出絕緣傘裙有效迎風(fēng)面積，按照動車最大行駛速度為300 km/h計算相對風(fēng)速V，就可計算絕緣傘裙所承受的風(fēng)力。風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努利方程得出風(fēng)-壓關(guān)系，風(fēng)的動壓為：

wp=0.5·ro·v2 （1）

其中wp為風(fēng)壓（kN/m2）；ro為空氣密度（kg/m3），v為風(fēng)速（m/s）。

計算時采用環(huán)境條件為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（1013 hPa，溫度為15 ℃），空氣重度r=0.01225（kN/m3）。緯度為45°處的重力加速度g=9.8 m/s2時，可以計算出整個絕緣傘裙所受壓力。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由于空氣密度和ro與重度r的關(guān)系為r=ro·g，因此，有ro=r/g。將這一關(guān)系帶入公式（1）中得到：

wp=0.5·r·v2 （2）

將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的參數(shù)代入公（2）可得出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的風(fēng)壓公式：

wp=v2/1600（kN/m2） （3）

此式為用風(fēng)速估計風(fēng)壓的通用公式。應(yīng)當(dāng)指出的是，空氣重度和重力加速度隨緯度和海拔高度而變。一般來說，r/g在高原上要比在平原地區(qū)小，也就是說同樣的風(fēng)速在相同的溫度下，其產(chǎn)生的風(fēng)壓在高原上比在平原地區(qū)小。

列車在設(shè)計時速350 km時的速度97.22 m/s，自然風(fēng)速33 m/s代入（3）式中：

wp=v2/1600=10.60（kN/m2）

3.4 絕緣傘裙的有效受風(fēng)面積計算

絕緣傘裙如圖2所示，受風(fēng)面積以正面風(fēng)壓、斷面受風(fēng)為準(zhǔn)進行計算，硅橡膠絕緣傘裙收縮到Φ60直徑的金屬支撐棒上后，傘裙的成型直徑為160 mm，傘裙根部厚度設(shè)計為16 mm，邊緣設(shè)計厚度為8 mm，傘裙高度120 mm，計算受風(fēng)面積為0.01232 m2。

傘裙絕緣部分在列車以300 kM/h速度行駛時正面斷面所受風(fēng)壓力為：wp=10.60（kN/m2）×0.01232= 0.13058 kN=13.058（Kg）

3.5 校驗傘裙絕緣件的抗張強度

抗張強度=抗拉強度=0.13058 kN/ 0.01232=10.60（kPa）

該傘裙絕緣件采用甲基乙烯基硅橡膠的硫化膠，在配料的各組份選擇合適的情況下，柜橡膠硫化膠的機械強度可以獲得較高的水平，其抗張強度可達11～ 13 MPa，抗撕強度為20 kN/cm。

3.6 結(jié)論

根據(jù)以上計算及分析可知，該絕緣傘裙安裝在動車組以300 km/h速度行駛時所承受的正面風(fēng)壓遠小于額定值，不會對動車組的運行產(chǎn)生不利影響。

4 試驗驗證

對處理后的絕緣子進行閃絡(luò)試驗，第一次試驗，閃絡(luò)電壓為144 kV，放電路徑為絕緣子的最短電氣間隙。

對處理后的絕緣子進行，第二次閃絡(luò)試驗，閃絡(luò)電壓為145 kV，閃絡(luò)放電位置與第一次相同（見圖3）。

對改進前后的受電弓支撐絕緣子進行污穢起霧閃絡(luò)試驗，在絕緣子表面涂灰密1.0 mg/cm2，鹽密0.15 mg/cm2，進行試驗，試驗結(jié)果為，加強絕緣處理前的污穢起霧閃絡(luò)電壓為37.5 kV，加強絕緣處理后的絕緣子的污穢起霧閃絡(luò)電壓升高至為42 kV。

5 結(jié)論

對受電弓支撐絕緣子進行絕緣處理后，絕緣子的閃絡(luò)電壓由119 kV提高到144 kV，絕緣處理后的絕緣子閃絡(luò)電壓提升20%。污穢起霧閃絡(luò)電壓由37.5提高到42 kV，絕緣加強后的支撐絕緣子的污穢起霧閃絡(luò)電壓提高4.5 kV。最小電氣間隙由353提高到405 mm。絕緣能力提升了一個等級（最小電氣間隙370 mm，耐受閃絡(luò)電壓104 kV）。

參考文獻

[1]GB/T21413.1-2008鐵路應(yīng)用 機車車輛電氣設(shè)備第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則[S].

[2]BSEN 50124-1-2001鐵路應(yīng)用 絕緣配合第1部分：基本要求 電工電子設(shè)備的電氣間隙和爬電距離（英文）[S].