電氣化鐵路菱形分段絕緣器的研究與改進(jìn)

王洪林

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），陜西 西安 710043）

0 引言

分段絕緣器是接觸網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)電氣分段，使受電弓平滑通過的重要絕緣設(shè)備。它將接觸網(wǎng)分隔成幾個(gè)獨(dú)立的供電單元，為上下行電氣分隔、站場(chǎng)供電分束、機(jī)務(wù)整備和貨車線裝卸等提供作業(yè)條件。當(dāng)接觸網(wǎng)檢修或發(fā)生故障時(shí)，可縮小停電范圍，減少對(duì)運(yùn)輸?shù)母蓴_。

由于分段絕緣器工作條件和工作方式比較特殊，分段絕緣器的故障較多，影響鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前分段絕緣器的結(jié)構(gòu)種類較多，但總的來說主要可歸結(jié)為三種主要的類別，分別為有斷口、無絕緣滑道的分段絕緣器；無斷口、有絕緣滑道的分段絕緣器以及有斷口、有絕緣滑道的分段絕緣器三種主要形式。對(duì)于有斷口的分段絕緣器，會(huì)出現(xiàn)打弓、掛弓等問題；而無斷口的分段絕緣器會(huì)出現(xiàn)絕緣滑道燒毀等現(xiàn)象。

本文對(duì)分段絕緣器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析，通過相關(guān)的分析研究，找出故障的根本原因，并解決問題。

1 分段絕緣器故障分析

我國自20世紀(jì)60年代初建設(shè)和發(fā)展電氣化鐵路以來，引進(jìn)過英國、法國、德國等國家的分段絕緣器，也自行設(shè)計(jì)、制造過各種分段絕緣器，無論是進(jìn)口的分段絕緣器還是國產(chǎn)的分段絕緣器，均存在很多問題，即故障率較高。以下就各種分段絕緣器的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.1 英國BB公司分段絕緣器

英國分段絕緣器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，也稱為菱形分段絕緣器，1984年從英國BB公司引進(jìn)用于京秦線。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、安裝方便、過渡平滑等優(yōu)點(diǎn)，并迅速推廣使用，國內(nèi)各企業(yè)紛紛仿制。

圖1 菱形分段絕緣器

在后續(xù)的使用過程中，該分段絕緣器陸續(xù)出現(xiàn)一些故障，主要的故障形式是絕緣滑道局部燒灼，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，如圖2所示。圖2中包括上下兩張圖片，第一張圖片為分段絕緣器端部絕緣滑道連接處燒毀部位，第一張圖片是絕緣滑道與中間橋式絕緣子連接的部分，燒損位置基本上處于絕緣滑道兩端位置。

圖2 仿菱形分段絕緣器的絕緣滑道燒蝕點(diǎn)

1.2 法國GSM公司分段絕緣器

法國GSM公司分段絕緣器為帶斷口的分段絕緣器，均為金屬滑道，兩側(cè)滑道設(shè)有斷口，在兩側(cè)斷口對(duì)應(yīng)部位的空間設(shè)置了絕緣靴，輔助受電弓滑過斷口位置，結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，但和英國的菱形分段絕緣器相比，安裝要求較高。雖總體使用情況較好，但在貨車線一側(cè)接地時(shí)，天氣不良情況下因絕緣靴處空氣間隙太小容易跳閘，跳閘后絕緣恢復(fù)。

滑道中間有斷口，金屬滑道形成懸臂，由于機(jī)車過分段絕緣器時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力和機(jī)械振動(dòng)，這樣金屬滑道會(huì)由于機(jī)械疲勞等產(chǎn)生變形，有斷口的分段絕緣器會(huì)產(chǎn)生打弓、掛弓等問題。圖3為仿法國GSM公司分段絕緣器。

圖3 仿法國GSM公司分段絕緣器

1.3 瑞士AF公司分段絕緣器

20世紀(jì)90年代初開始引進(jìn)，屬于既有帶斷口，又具有絕緣滑道的分段絕緣器，中間2根絕緣棒與絕緣滑道等高，對(duì)受電弓起輔助過渡作用。德國西門子公司的分段絕緣器結(jié)構(gòu)相同。

目前這類分段絕緣器國內(nèi)也普遍生產(chǎn)，使用較為普遍，打弓的現(xiàn)象也較普遍。瑞士AF公司原產(chǎn)品的絕緣棒長度為1 250 mm，國內(nèi)引進(jìn)后按照鐵標(biāo)生產(chǎn)為1 600 mm絕緣棒。

這類分段絕緣器從結(jié)構(gòu)分析來講，不具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從故障類型來看，既具有不帶斷口的分段絕緣器容易燒蝕的缺點(diǎn)，也具有斷口分段絕緣器掛弓的風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示，為仿制的瑞士AF分段絕緣器掛弓后，變形的情況。

圖4 仿瑞士AF公司的分段絕緣器絕緣滑道變形

1.4 仿德國Adtranz分段絕緣器

該分段絕緣器使用U型結(jié)，如圖5所示，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在質(zhì)量太大、硬點(diǎn)大、磁絕緣子易爆炸、空氣絕緣不達(dá)標(biāo)的缺點(diǎn)。國內(nèi)在仿制時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)，主要是使用硅橡膠絕緣子替代了磁絕緣子，克服了進(jìn)口分段絕緣器重量太大的問題。

圖5 仿德國Adtranz分段絕緣器

在機(jī)車速度較高時(shí)，這種分段絕緣器同樣存在打弓及掛弓的問題，空氣絕緣距離較小，在一側(cè)停電檢修、整備作業(yè)時(shí)，出現(xiàn)過電壓擊穿問題，危及人身安全，目前使用較少。

2 菱形分段絕緣器故障過程

從各種分段絕緣器的故障現(xiàn)象來看，分段絕緣器的故障主要來自兩個(gè)方面，一是機(jī)械穩(wěn)定性問題，二是電氣性能問題。有斷口的分段絕緣器的主要問題來自機(jī)械性能，由于機(jī)車通過時(shí)，來自機(jī)車的沖擊力、顛簸可能會(huì)造成有斷口的分段絕緣器的導(dǎo)電滑道產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而造成打弓及掛弓問題，造成嚴(yán)重的故障。而由于菱形分段絕緣器特殊的結(jié)構(gòu)，其機(jī)械穩(wěn)定性較好，安裝使用方便，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的要求較低，但是菱形分段絕緣器的主要問題是絕緣滑道端部放電的問題。

總的來看，帶斷口的分段絕緣器很難改進(jìn)，以法國GSM公司分段絕緣器為例進(jìn)行分析，斷口避免了沿絕緣滑道表面放電問題，但其斷口自身的問題很難再改進(jìn)，雖然在其中增加了輔助滑道，但是問題依然存在。相對(duì)來說，仿英國菱形分段絕緣器仍有改進(jìn)的空間，下面以菱形分段絕緣器的故障過程進(jìn)行分析。

菱形分段絕緣器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，其中a、d為2個(gè)導(dǎo)電滑道，b、c為2個(gè)絕緣體滑道，e、f為接觸線，g1和g2為受電弓的兩個(gè)工作位置。分段絕緣器工作時(shí)，有三個(gè)特殊的過程，具體如下。

圖6 菱形分段器工作示意

2.1 接觸網(wǎng)檢修時(shí)的狀況

當(dāng)接觸網(wǎng)其中一段線路需要檢修時(shí)，為了人身安全，需要檢修的接觸網(wǎng)一段需要接地。假如接觸線f需要檢修，f就需要接地，這時(shí)，在絕緣滑道b的兩端就會(huì)有比較高的電位。絕緣滑道兩端為夾持件，一般用緊固件夾持，兩端結(jié)構(gòu)并未特殊設(shè)計(jì)，對(duì)于這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，造成絕緣滑道b兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度比較高，在有污穢或陰雨天氣時(shí)，由于絕緣距離較長，兩端不會(huì)出現(xiàn)貫穿性的沿面放電，但是在絕緣滑道兩端會(huì)出現(xiàn)樹枝狀放電現(xiàn)象，傷及絕緣滑道的端部，使絕緣滑道的絕緣能力下降，久而久之，會(huì)出現(xiàn)絕緣滑道損傷。

2.2 受電弓處于弓位g1的情況

假如受電弓從接觸線e段向f段移動(dòng)，當(dāng)受電弓移動(dòng)到弓位g1的位置上時(shí)，雖然e和f名義為同幅、同相位，但是由于機(jī)車負(fù)載的原因，其間有一定的電位差，在受電弓與導(dǎo)電滑道d接觸之前，由于受電弓在移動(dòng)，理論上存在間隙很小的時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)沿著絕緣滑道b端部出現(xiàn)沿面放電，但是由于受電弓很快將導(dǎo)電滑道a和d連接，所以，這個(gè)放電過程同樣很快就結(jié)束了。

2.3 受電弓處于弓位g2的情況

當(dāng)受電弓從a和d接通的狀態(tài)繼續(xù)前行，移動(dòng)到弓位g2的位置時(shí)，受電弓將與滑道a斷開，這個(gè)斷開的過程同樣包括了兩個(gè)主要的問題，其一，對(duì)于滑道a連接的接觸網(wǎng)來說，是一個(gè)甩負(fù)荷的過程，必然會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓。其二，在斷開的瞬間，由于系統(tǒng)的慣性，必然要通過電弧保持續(xù)流，快速形成沿面放電，這將使周圍空氣由于電弧的作用發(fā)生電離，隨著受電弓的繼續(xù)移動(dòng)，這個(gè)電弧可能被拉長，繼續(xù)放電，直至自持放電條件破壞，電弧才會(huì)熄滅。

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，由于受電弓由碳材料制成，與接觸線和絕緣分段器接觸摩擦的過程中，形成碳粉附著于接觸線和絕緣分段器上，同時(shí)存在的一個(gè)現(xiàn)象是，這些碳粉也會(huì)隨之燃燒，從而形成一個(gè)電弧與可燃物同時(shí)存在的過程。

3 菱形分段絕緣器的電場(chǎng)分析與改進(jìn)

由上節(jié)分析來看，菱形分段絕緣器的主要問題是其端部的放電問題，由于其工作過程中受電弓是移動(dòng)的，無論是哪種分段絕緣器，上節(jié)提到的三個(gè)過程中，放電都是不可避免的。對(duì)于菱形分段絕緣器的改進(jìn)，由于電壓不高，絕緣距離夠長，沿面貫穿性擊穿的可能性很小，主要目標(biāo)是防止絕緣滑道端部的放電，這就需要給絕緣滑道端部增加屏蔽措施，從而達(dá)到改善端部電場(chǎng)的作用。

另外，分段絕緣器一般水平安裝，兩端與兩端接觸線連接，并通過吊弦懸吊于承力索上，其電場(chǎng)分布也受到承力索、吊弦以及鋼軌和大地的影響，在電場(chǎng)分析時(shí)也需要改進(jìn)。

圖7中給出了菱形分段絕緣器水平平面上的等位線分布圖，從中可以看出在絕緣滑道的兩端部，電位線分布很密，電場(chǎng)強(qiáng)度較高。

圖7 分段絕緣器水平面等位線分布

給其端部增設(shè)一個(gè)屏蔽環(huán)后，屏蔽環(huán)的結(jié)構(gòu)和電位線分布的仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示，圖8（a）為沒有屏蔽環(huán)的等位線分布情況，8（b）為增設(shè)屏蔽環(huán)后的改善作用。分析來看，增設(shè)屏蔽環(huán)可大大改善絕緣滑道端部的電場(chǎng)。但是，由于機(jī)車的受電弓需要滑動(dòng)而過，屏蔽環(huán)只能設(shè)半個(gè)，分段絕緣器下部的屏蔽效果會(huì)受到一定的影響，可適當(dāng)延長屏蔽長度來改善。

圖8 屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)于分段絕緣器電場(chǎng)的改善作用

承力索以及軌道對(duì)絕緣滑道的包面電場(chǎng)都有一定的影響，但是由于距離均較遠(yuǎn)，總的影響不大。

4 結(jié)語

分段絕緣器是電氣化鐵道不可缺少的電器元件，其性能影響電氣化鐵道系統(tǒng)的安全運(yùn)行，通過對(duì)其運(yùn)行過程的各個(gè)狀況進(jìn)行分析和研究，在絕緣滑道端部增加屏蔽環(huán)的措施來改善絕緣滑道的放電性能，通過技術(shù)改進(jìn)和仿真計(jì)算說明，在絕緣滑道端部增加屏蔽措施，可有效地改善絕緣滑道端部的電場(chǎng)強(qiáng)度，防止其端部放電和燒傷。