鐵路腕臂絕緣子污穢外絕緣狀態(tài)評估方法研究

蔣淵博，劉長志，王黎明

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京　102600; 2.清華大學深圳研究生院，廣東深圳　518055)

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鐵路腕臂絕緣子污穢外絕緣狀態(tài)評估方法研究

蔣淵博1，劉長志1，王黎明2

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600; 2.清華大學深圳研究生院，廣東深圳518055)

摘要:為了合理評估電氣化鐵路絕緣子的外絕緣狀態(tài)，改進鐵路絕緣子污閃預防措施，以電氣化鐵路腕臂絕緣子為研究對象，利用人工污穢試驗方法，研究絕緣子在不同污穢度條件下的染污放電過程。通過監(jiān)測染污腕臂絕緣子受潮期間的泄漏電流，提取出泄漏電流最大值Ih，依據(jù)Ih與污穢度和受潮程度的關聯(lián)，建立Ih與試品閃絡電壓Uf的聯(lián)系。在此基礎上，綜合考慮腕臂絕緣子的形狀系數(shù)f和爬電距離L引入綜合特征量I*，并提出形如Uf= aI(*－b)的污閃預警模型。試驗研究發(fā)現(xiàn):對于不同結構參數(shù)的腕臂類絕緣子，由于放電特性接近，預警模型Uf=aI(*－b)具有一定的普適性，模型預測結果與實測結果吻合良好，且系數(shù)a、b可作常數(shù)處理;但是，當試驗對象為輸電線路用懸式絕緣子XWP2－160時，由于XWP2－160型絕緣子和腕臂絕緣子的結構有顯著差異，導致兩者的染污放電特征迥異，系數(shù)a、b要以變量對待。研究認為:對于外形結構接近的染污絕緣子，模型Uf=aI(*－b)能夠有效預測該類絕緣子的閃絡電壓，并能以此評價絕緣子的外絕緣狀態(tài)。本文相關結論適用于電氣化鐵路腕臂類絕緣子，對于絕緣子的日常維護工作有指導參考意義。

關鍵詞:電氣化鐵路;接觸網(wǎng);腕臂絕緣子;泄漏電流;閃絡電壓;人工污穢試驗;狀態(tài)評估

截止2014年底，我國的鐵路營業(yè)里程已經(jīng)達到11.2萬km，電氣化鐵路運營里程已達到5.24萬km。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電氣化鐵路快速增長。受鐵路隧道、貨場、鄰近鐵路的工業(yè)污染等影響，接觸網(wǎng)線路絕緣子的染污程度通常比較嚴重［1，2］，在遇到潮濕天氣或者絕緣子溫度與環(huán)境溫度存在溫差時，絕緣子污層容易受潮，外絕緣性能下降，從而可能引起污閃事故［3-6］，給鐵路部門帶來嚴重的安全隱患和經(jīng)濟損失。近年來，車頂絕緣子閃絡事故時有發(fā)生［7-9］，2013年初，受全國大范圍霧霾天氣的影響，京廣、京滬、京津等線路的部分車次因此晚點，其中北京至武漢的D2031次機車于1月13日凌晨2點遭遇閃絡事故，導致列車停電停運，千余旅客受困，造成了不良的社會影響。合理評價鐵路絕緣子的外絕緣狀態(tài)以采取有效的措施預防污穢閃絡事故，其重要性不言而喻。

絕緣子的污閃特性與其污穢度有密切關聯(lián)，國際大電網(wǎng)會議推薦了5種測定污穢的方法［10］，分別是:等值附鹽密度、表面電導率、污閃電壓與污閃梯度、泄漏電流。每種污穢度表征方法有不同的優(yōu)勢和適用范圍，其中，絕緣子泄漏電流與污層狀態(tài)息息相關，而且泄漏電流變化能反映污層的受潮程度變化。相較于其他污穢度評價方法，泄漏電流法的顯著優(yōu)勢是易于實現(xiàn)在線監(jiān)測，實時表征絕緣子的污穢狀態(tài)變化。因而，泄漏電流法常被用于輸電線路絕緣子外絕緣狀態(tài)評估［10-13］，在線監(jiān)測預警絕緣子的外絕緣狀態(tài)。

本文以電氣化鐵路常用的腕臂瓷瓶為研究對象，在不同污穢度下研究瓷瓶的污閃特性，通過監(jiān)測絕緣子表面泄漏電流并提取有效的特征量，結合腕臂絕緣子的外形結構建立相應模型，實現(xiàn)了利用泄漏電流特征量來預測絕緣子的污閃電壓。本文研究結論適用于在線評估電氣化鐵路絕緣子的外絕緣狀態(tài)，改進現(xiàn)有污穢度評測方法，提高污閃預防措施的效率。

1　試驗樣品、設備及方法簡介

試驗用鐵路腕臂絕緣子相關參數(shù)如表1所示。腕臂絕緣子以固體涂層法的方式染污［14］，人工污穢的成分由高嶺土和NaCl的混合物組成，灰密1.0 mg/cm2，鹽密有4個組別，分別是0.05、0.10、0.15 mg/cm2和0.20 mg/cm2。

表1　腕臂絕緣子參數(shù)

腕臂絕緣子的人工污穢試驗在國網(wǎng)江蘇省電力科學研究院完成，染污腕臂絕緣子在霧室受潮期間，承受運行電壓25 kVrms，通過泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)［15-17］(電流采樣頻率為5 000 Hz)，監(jiān)測染污試品受潮期間的泄漏電流變化。在污層泄漏電流趨于最大值后，升高絕緣子兩端電壓至閃絡，每支試品閃絡3～5次，每個污穢度的試品有6支，至少獲取9組有效的閃絡電壓數(shù)據(jù)，依此確定絕緣子在不同污穢度下的閃絡電壓Uf。

2　試驗結果

試品受潮期間，若以污層實時泄漏電流為研究對象，電流變化范圍大，且數(shù)據(jù)量太大而不利于分析和存儲，故對泄漏電流實時數(shù)據(jù)加以處理提取特征量，取出當前1 s內(nèi)的泄漏電流最大值，并記為Ik。

Ik在試品受潮期間的變化過程被記為泄漏電流趨勢圖，通過泄漏電流特征值的趨勢圖來表征試品污層的受潮狀態(tài)變化。不同污穢度的染污試品，受潮期間的泄漏電流趨勢如圖1所示。

圖1　染污試品泄漏電流趨勢圖

由圖1所示的泄漏電流趨勢圖容易發(fā)現(xiàn):對于鐵路腕臂瓷絕緣子而言，污層的受潮速度很快，泄漏電流特征值Ik在較短的時間內(nèi)就能達到最大值，繼續(xù)增長受潮時間，泄漏電流下降速度很快。泄漏電流的變化特征與腕臂絕緣子的結構和受潮方式有關:與輸電線路絕緣子不同，腕臂絕緣子的傘裙較小，絕緣子整體易于實現(xiàn)均勻受潮;由于試品水平布置，隨著受潮時間的增長，絕緣子表面易出現(xiàn)污液流失，同時由于前期大電弧在污層表面形成大干區(qū)，綜合效果是污層表面泄漏電流迅速下降。

將泄漏電流趨勢圖中的最大值記為Ih，即Ih=max { Ik}，由圖1發(fā)現(xiàn)，Ih隨著污層鹽密增加而增大，體現(xiàn)了導電物質含量對表面泄漏電流的影響。對試驗結果加以統(tǒng)計，Ih與鹽密的關系如圖2所示。

圖2　不同鹽密條件下的泄漏電流最大值

圖2所示結果表明，Ih與鹽密間存在較好的正冪函數(shù)關系。而圖3所示的試驗結果表明:污閃電壓與鹽密間存在著負的冪函數(shù)關系，與文獻［18-20］的結論相同。

圖2和圖3表明:泄漏電流最大值Ih、閃絡電壓Uf，均與染污試品的鹽密有良好的函數(shù)關系，嘗試將Ih與Uf建立關聯(lián)，如圖4所示。圖4說明:染污試品受潮期間的泄漏電流最大值Ih與試品的閃絡電壓Uf的函數(shù)關系明確，可嘗試利用試品受潮期間的Ih值來表征染污試品的污穢度和受潮程度，并評價染污絕緣子的外絕緣狀態(tài)。

圖3　不同鹽密條件下的污閃電壓

圖4　泄漏電流最大值和閃絡電壓

3　討論

3.1外絕緣狀態(tài)評估模型

依據(jù)圖2～圖3所示的試驗結果可知:染污腕臂絕緣子的閃絡電壓Uf與泄漏電流最大值Ih間的函數(shù)關系為

在染污試品充分受潮時，Uf與試品的等值鹽密有類似結構的函數(shù)關系。試品受潮期間，泄漏電流變化的本質在于污層電導率的變化，而污層電導率取決于污層中導電物質的含量和污層的受潮程度［21，22］，因此泄漏電流最大值Ih是試品污穢度和受潮程度的綜合反映，故與試品閃絡電壓Uf有良好關聯(lián)。

對于不同類型的絕緣子，公式(1)中的系數(shù)α和β為變量。即使是同一類型的絕緣子，當絕緣子串長發(fā)生變化時，α、β也會變動。實際中，各類絕緣子的參數(shù)不盡相同，要利用公式(1)來評估染污絕緣子的外絕緣狀態(tài)，適用范圍受到限制。但是，對于電氣化鐵路中各種型號的腕臂絕緣子而言，結構高度、爬電距離、傘裙直徑等參數(shù)雖有區(qū)別，但是整體結構類似，有著支柱類棒瓷的特點(桿徑較大、傘伸出較小)。針對這類絕緣子，其沿面放電特征不會因為結構參數(shù)的局部變化而發(fā)生明顯改變。嘗試結合腕臂絕緣的外形結構特點，建立相應模型，削弱結構參數(shù)變化對外絕緣狀態(tài)評估模型的影響，增強公式(1)形式函數(shù)的適用范圍。為此，引入特征參數(shù)I*，其定義如下

式中，L為絕緣子的爬電距離; f為絕緣子的形狀系數(shù)，定義如下

式中，D(l)為絕緣子在爬電距離l處的直徑。

公式(1)因此被改寫為

由公式(2)可知，特征參數(shù)I*是綜合了絕緣子形狀和爬電距離后的歸一化參數(shù)。對于腕臂類棒瓷絕緣子，公式(4)中系數(shù)a、b不受絕緣子結構參數(shù)局部變化的影響。系數(shù)a、b為常數(shù)，從而拓寬了其適用范圍。依據(jù)第2節(jié)的試驗結果，腕臂絕緣子受潮期間的I*與閃絡電壓Uf的關系如圖5所示。

圖5　閃絡電壓與I*

利用公式(4)進行外絕緣狀態(tài)評估，其基本原理如圖6所示。由圖5可知，常數(shù)a=138.9，b=0.19。

3.2狀態(tài)評估模型試驗驗證

為了驗證本文評估模型的有效性，選用兩種型號腕臂絕緣子A、B，參數(shù)如表2所示。針對A、B兩類絕緣子進行人工污穢試驗研究，通過評估模型獲得閃絡電壓預測值，將預測值和實測值Uf進行對比。污閃試驗方法與前文相同，仍保留4個污穢度，試驗結果如圖7、表3所示。

圖6　閃絡電壓預測流程

表2　兩種型號絕緣子的參數(shù)

圖7　2類絕緣子不同鹽密條件下的閃絡電壓

表3　試驗結果對比

由圖7和表3所示的試驗結果表明:基于特征參數(shù)I*的污閃預警模型，預測效果良好，閃絡電壓預測值與實測值Uf很接近，相對誤差較小。說明對于電氣化鐵路腕臂絕緣子，該模型具有較好的實用性。

3.3模型擬合系數(shù)討論

預警模型的提出，是基于腕臂類絕緣子放電特性趨同的事實，也是系數(shù)a、b為常數(shù)的前提。為了進一步說明該問題，以盤型絕緣子XWP2－160型的瓷絕緣子串(14片)為研究對象，嘗試建立特征參數(shù)I*與污閃電壓Uf的函數(shù)關系。XWP2－160型絕緣子的參數(shù)如表4所示。

表4　絕緣子XWP2－160相關參數(shù)

試驗期間，染污絕緣子的灰密恒為1.0 mg/cm2，鹽密有6組，分別是:0.05、0.075、0.1、0.125、0.15和0.2 mg/cm2。染污絕緣子串在霧室受潮期間耐受電壓127 kVrms(模擬220 kV輸電線路絕緣子串的運行工況)，污閃電壓的獲取方法同前文所述，試驗結果如表5所示。

表5　染污絕緣子串的試驗結果

依據(jù)表5所示的試驗結果，將特征參量I*與絕緣子串的閃絡電壓Uf建立聯(lián)系，擬合形如Uf=aI*－b的函數(shù)，如圖8所示。由圖8可知:針對XWP2－160絕緣子串，系數(shù)a=1 115，b=0.24。

圖8　絕緣子串I*與閃絡電壓的關系

污閃電壓預測模型Uf= aI*－b中，腕臂絕緣子與XWP2－160絕緣子串的擬合系數(shù)a、b有顯著差異，主要原因在于:腕臂類支柱型絕緣子與傘形結構的懸式絕緣子，在外形方面有顯著區(qū)別，導致這兩類絕緣子的染污放電特性差異懸殊。放電期間，兩類絕緣子的爬電距離有效利用率也有明顯差異，從而對評估模型的相關系數(shù)造成影響。

由此說明:利用特征參量I*來預測絕緣子的污閃電壓，需要對絕緣子的種類加以區(qū)分，當某類型絕緣子的結構特征近似時，預測模型Uf=aI*－b具有一定的普適性，可以認為擬合系數(shù)a、b是常數(shù)，如腕臂類絕緣子。但是，當絕緣子結構參數(shù)顯著變化，導致染污放電特性也有明顯變化時，擬合系數(shù)a、b不能再作常數(shù)對待，需要加以修正。

4　結論

本文以電氣化鐵路腕臂絕緣子為研究對象，結合人工污穢試驗，研究了絕緣子在不同污穢度條件下的污閃特性，有如下結論:

(1)試品受潮期間的泄漏電流最大值Ih綜合反映了試品的污穢度和受潮程度，Ih與試品閃絡電壓Uf有本質的聯(lián)系;

(2)基于泄漏電流最大值Ih，綜合考慮絕緣子的爬電距離和形狀系數(shù)，提出了新型特征量I*，依此建立了適用于腕臂類電瓷絕緣子的污閃預警模型Uf= aI*－b，腕臂類絕緣子放電特性接近時，擬合系數(shù)a、b可作常數(shù)處理;

(3)對于不同類型的絕緣子，當彼此的結構參數(shù)差異顯著，并導致染污放電特性迥異時，污閃預警模型Uf=aI*－b的普適性受到限制，需要結合具體情況，對擬合系數(shù)a、b重新加以試驗修正。

評價絕緣子的電氣性能，對于保證鐵路安全運行至關重要。通過建立適用于鐵路絕緣子的污閃預警模型，有利于實現(xiàn)絕緣子的外絕緣狀態(tài)監(jiān)測和評估，對于絕緣子的日常維護工作，有指導參考意義。

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External Insulation Assessment Method for Railway Cantilever Insulators

JIANG Yuan-bo1，LIU Chang-zhi1，WANG Li-ming2
(1.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600; 2.Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China)

Abstract:In order to appropriately assess the external insulation of electrified railway insulatorbook=130,ebook=133and improve the efficiency of insulator pollution flashover prevention，this paper studies pollution discharge process of electrified railway cantilever insulators under different pollution conditions by means of artificial contamination test method.By monitoring the leakage current of insulator affected with dump，this paper extracts the maximum leakage current Ihand establishes Ufrelationship between Ihand flashover voltage of the tested sample on the basis of the correlation of Ihwith contamination degree and dump level.On this basis，comprehensive consideration of cantilever insulator shape factor f and creepage distance L is taken，general characteristic value I* is introduced and flashing warning model in the form of Uf=aI(*－b)is proposed.Experimental study shows that for cantilever insulators with different structural parameters，warning model Uf=aI(*－b)is generally applicable due to similar discharge characteristics.The model predicted results are in good agreement with the measurements，and the coefficients of a and b can be taken as constants; but when test object is the suspension insulator XWP2－160 for transmission line，coefficients of a and b shall be treated as variables because XWP2－160 type insulator and cantilever insulator differ much in structure，which results in significant difference in pollution discharge characteristics.Study suggests that model Uf=aI(*－b)can effectively predict flashover voltage for insulators with similar shape and structure，and evaluate their external insulation conditions.Some findings in this paper are applicable to electrified railway cantilever insulators and may guide routine insulator maintenance.

Key words:Electrified railway; Catenary; Cantilever insulator; Leakage current; Flashover voltage; Artificial contamination test; State assessment

作者簡介:蔣淵博(1980—)，男，高級工程師，2004年畢業(yè)于西南交通大學，工學學士，E-mail:ybjiang@ 126.com。

基金項目:中國鐵建股份有限公司科技研究計劃課題(12-C64)

收稿日期:2015-06-16;修回日期:2015-06-24

文章編號:1004-2954(2016) 03-0129-05

中圖分類號:U225.4+3

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.027