接觸網(wǎng)分段絕緣器的故障分析及防范措施

摘 要：在“大運輸”“大整備”的發(fā)展背景下。本文深入探討了接觸網(wǎng)分段絕緣器在運轉場、貨運線路、專用路線及機車維修線的常見故障，并對這些情況做了詳細的解析與歸納，提出了一套包括管理策略和設備解決方案的管理措施。當前，我國已經擁有各種類型的接觸網(wǎng)分段絕緣器，而如何有效處理其在運行過程中的故障已成為現(xiàn)階段接觸網(wǎng)檢查與維護管理工作亟待解決的關鍵難題之一。接觸網(wǎng)分段絕緣器主要用于機車的保養(yǎng)作業(yè)、貨物的搬運操作以及特定的車輛進出倉庫等場合，同時也能起到絕緣作用，對接觸網(wǎng)進行周期性的檢查和維修等工作。然而，由于我國鐵路混合牽引和部分區(qū)段環(huán)境污染等因素，導致了絕緣元件的服役壽命大幅降低，維修的時間大幅縮減。

關鍵詞：分段 故障 分析

1 緒論

目前，中國的鐵路正處于高速發(fā)展階段，電氣化線路運營里程持續(xù)增長，列車開行時速顯著提升，這已成為一個必然趨勢。為了確保鐵路安全、高效、準時、無意外運行，對其關鍵部件—隔離裝置的性能提出了更高的需求。但是，目前各種類型的器件式分段絕緣器在運行期間都會出現(xiàn)一些故障，例如絕緣部件破損、與列車受電弓撞擊等，嚴重縮短了其服役年限。這些故障不但會對車輛的日常運行造成嚴重的危害，而且還會對工作人員的身體和人身造成威脅，出現(xiàn)這些問題的原因一是由于接觸網(wǎng)分段絕緣器工作的外部條件發(fā)生了巨大的變化；二是由于分段絕緣器本身所具有的缺點。

2 分段絕緣器的使用情況

接觸網(wǎng)是架設在鐵路線路上空向電力機車供電的特殊形式的供電線路，為確保牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和可變性，同時為了減少故障的影響程度，我們需要對接觸網(wǎng)設備按照區(qū)域進行電氣分段，而分段絕緣器則是接觸網(wǎng)進行電分段時經常采用的一種絕緣設備，分段隔離設備是一種特殊的隔離設備，它把兩個鄰近的接觸線部分分隔開來，以便進行電力分區(qū)。該裝置一般與隔離開關配合使用，通過獨立開關實現(xiàn)對每一分段的切換，提高了接觸網(wǎng)的運行穩(wěn)定性與變化性。通常，在正常條件下，受電弓是帶電通過分段絕緣器的，但是，如果某個區(qū)段出現(xiàn)了故障或者由于建設、檢修等原因導致的停運，則需要斷開該區(qū)段分段絕緣器上的隔離開關，使這一區(qū)域的接觸網(wǎng)斷開，而其它區(qū)域則可以恢復供電。

在電氣化鐵路區(qū)段，為保障車輛裝卸人員、機車維修人員及其它工作人員的工作便利與人身安全，接觸網(wǎng)在車站、裝卸線、機車整備線、車庫線、專用線、車站內各車站（如渡線）之間設置分段隔離裝置，其主要功能是完成同相線路的電氣分區(qū)以及當機車穿越區(qū)間分段時的負載傳遞。

3 分段絕緣器的工作現(xiàn)狀

3.1 貨線、專用線

當運輸?shù)呢浳锪坎粩嘣黾訒r，鐵路裝卸貨物線中斷供電的時間也在逐漸延長。此外，當兩個工作間隔時間之間有較長的休息時間時，一些車站會在這段時間不閉合開設備，減少了操作流程。

3.2 機車整備線

隨著運輸需求的日益提升及列車數(shù)量的持續(xù)增長，機車整備線及貨物裝卸線的使用頻率大幅度上升，即使是惡劣環(huán)境中，也必須繼續(xù)執(zhí)行工作。

3.3 機車出入庫線

由于動力列車在出入庫線路過程中頻繁停車，因此，在運行過程中，由于列車的受電弓可能會滯留在區(qū)段的分段絕緣器上，造成了列車在起動過程中，直直接從區(qū)段的分段下方獲得電流。

3.4 運轉場

在車站等運行場所，往往有很多火車經停。同時取流時，多為重載車，其取流量很大，造成了隔離開關上的電壓差異很大。在此條件下，為了獲得電流，必須通過高電壓差的分段絕緣器來實現(xiàn)取流操作。

4 故障原因分析及后果

根據(jù)分段絕緣器的實際運行情況及需求來看，它所面臨的是惡劣環(huán)境下的運行，而這并不符合它的預期標準，這是導致分段絕緣器出現(xiàn)問題的主要因素。通過對問題產生機制的研究發(fā)現(xiàn)：設備的電氣特性確保了它們能夠穩(wěn)定地運轉，然而，當分段絕緣器發(fā)生故障時，大部分都是由絕緣部分的問題引發(fā)的，因此，影響到分段絕緣器功能的關鍵因素就是削弱了這些設備的電氣特性。對此，我們總結出以下幾點可能的原因。

4.1 絕緣滑道與受電弓炭滑板磨擦并附著炭粉，導致絕緣滑板出現(xiàn)閃絡擊穿的情況

當電力機車受電弓通過分段絕緣器時，雖然可能會有一些碳粉附著在絕緣滑動片的底面，但是因為碳并非良好的導電材料，而且其絕緣滑動條比較長，所以在很短的時間里，絕緣滑動片的漏電流一定會增加，但是不會發(fā)生破壞。在互相磨擦了很久之后，當絕緣滑板下面的保護層被磨損掉之后，暴露出纖維結構，并在這些區(qū)域形成橫向裂縫，這使得炭灰能夠慢慢堆積于此，從而使泄漏電流變大，但仍不至于對地耐壓時閃絡擊穿。在極端環(huán)境如雷雨天氣，水珠會在滑板表面積累，然后順著纖維方向滲透至底部，進入并且停留在纖維裂痕處，與炭灰一起構成了導電路徑。此時，就會發(fā)生突發(fā)的閃絡現(xiàn)象，最終導致設備跳閘。

4.1.1 在分段絕緣器壓差較大情況下，電力機車受電弓緩慢通過大電流燒斷了絕緣滑

電力機車在運行緩慢并存在大量取流的情況下，如果與一側導流板非常接近，則可能引發(fā)電弧，因為兩個弧根是固定的并且具有強大的電流來維持其燃燒。然而，一旦車輛遠離另一個方向，電流會繼續(xù)為受電弓提供電力，從而導致更長的電弧時間。當電弧的熱量足以熔化和拉長絕緣滑板，使得它的載荷降低到低于導線的張力水平時，它會被撕裂。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在運轉場或壓力差異大的上行和下行渡口之間。

4.1.2 機車闖分段

當機車帶電駛入無電區(qū)時，如果受電弓恰好靠近橋式絕緣子，就會發(fā)生電弧灼燒接觸側的絕緣滑道，相當于縮短了絕緣距離。

無電區(qū)起弓后，若弓網(wǎng)處恰好處于集流狀態(tài)，則會使其與集電槽間的絕緣間距變小，極易發(fā)生燃弧，從而使接觸端的絕緣滑動條燒毀。

這兩種情況都是由于駕駛員的錯誤而引起的，這些故障都會引起裝置斷電，從而引起重大損失，甚至引起絕緣滑動。

4.1.3 混合牽引和環(huán)境污染的影響

在采用混流方式運行的區(qū)段式絕緣裝置，如果經常接觸柴油機車排出的高溫尾氣，其絕緣等級將快速下降。此外，對環(huán)境的影響還會大幅縮短絕緣子的壽命和維護周期，尤其是在鐵路線旁的水泥工廠或礦區(qū)所產生的灰塵污染中，這些灰塵會慢慢地附著于絕緣子上并隨著下雨天的到來變成導體路徑，從而引發(fā)短路放電現(xiàn)象，導致設備斷電。

4.2 吊弦安裝不規(guī)范

一般情況下，接觸網(wǎng)的承力索和接觸線并不位于同一垂面上，通常是斜鏈結構。這導致了絕緣器的吊弦長度在其兩邊有所不同，從而使得它們的負載能力也各有差異。有可能其中一側的吊弦承受更大的壓力，進而讓絕緣器的工作平面無法與其軌道保持水平，即便從視覺上看似乎是這樣。然而，一旦電力機車的受電弓經過此處，因為吊弦的不均衡拉力，可能會引起絕緣器產生偏移，影響受電弓在絕緣器處的平穩(wěn)過渡。

4.3 分段絕緣器安裝高度過大

分段絕緣器作為一種集中的電氣設備部件，分段絕緣器的品質主要體現(xiàn)在其與接觸線接合的地方，這會因為自身的重量而導致接觸線出現(xiàn)顯著的下降弧形，從而使得分段絕緣器形成一個大硬點。為了避免這種情況的發(fā)生，所有的分段絕緣器都要求安裝的高度要超過接觸線的高度，例如瑞士的分段絕緣器已經設置了高達70mm的高度差。這種設計可以確保當受電弓經過的時候，它的運行軌跡能保持與提升后的接觸線相同的高度。但是，根據(jù)實際測試結果顯示，對于速度不超過80km/h且接觸線張力未超出13kN的線路來說，受電弓能夠實現(xiàn)的最高抬升幅度僅有大約30mm～40mm，而且這個數(shù)值在懸掛點的位置還會更加減小，同時，電力機車的行駛速度通常較低，所以它們對接觸線的抬升力度也會相對較弱。這就意味著，假如我們把絕緣器安裝得太高的話，則受電弓將在瞬間產生一個向上的沖擊分量，進而引發(fā)打弓現(xiàn)象。

4.4 分段絕緣器的導流銅滑道和絕緣滑道高度并不一致

盡管絕緣器的導流銅滑道和絕緣滑動一般是在施工現(xiàn)場裝配，然而因為受到場地環(huán)境和操作人員技能的影響，它們之間的連接往往不夠順暢且高度不同。曾經發(fā)生在神朔線的例子就是，因其分斷絕緣器中絕緣滑動軌道的高度設置得太低，導致了在車輛運行速度為20公里每小時的時候產生了嚴重的打弓情況，硬點值達到了30g。

4.5 分段絕緣器的安裝調整存在方向性的錯誤

經過檢測車檢測的結果顯示，我國普遍采用的菱形分段絕緣器在裝配過程中往往出現(xiàn)錯誤的方向設置。當電力機車正面行駛過這些設備時，其運行相對穩(wěn)定且承受的沖擊較輕微，然而，若電力機車反向行駛時，它會遭受較大的沖擊并產生明顯的打弓效應。例如，在外福線上位于福州站六道的這個裝置，如果檢測車以20至30公里的速度正面行進，那么它的沖擊加速度約為6g至8g，但如果是逆行的話，就會達到15g至18g。根據(jù)研究結果表明，這種差異主要是由分段絕緣器的位置決定的。通常情況下，分段絕緣器一般安裝在懸掛點附近，因為此處的靜態(tài)彈跳幅度較高，導致了兩側接觸線的彈性有區(qū)別。一旦電力機車分別自這兩個相反的角度穿過，它們對于接觸線的提升力度也會有所區(qū)別，從而使得接觸線的上升高度發(fā)生變動。在正常情況下的提升程度較低，即電力機車從接觸線轉移到分段絕緣器的導引角度更小，所以產生的沖擊也就越小。而在反向行駛中，接觸線的提升程度更高，同時電力機車從接觸線轉換到分段絕緣器的導引角度更大，這就造成了更大的沖擊加速度。

4.6 安裝采用的緊線器不標準

經過對多個線路的檢查分析，我們注意到許多地區(qū)選擇利用裝配有下錨功能的緊線器來完成分段和分相絕緣器的安裝調試工作。然而，這種方法可能導致緊線器過度拉伸并損壞接觸線，從而產生人為的接觸線硬點區(qū)域。所以，建議使用專門設計的安裝設備以確保接觸線被牢固地固定，以便于實施分段絕緣器的安裝過程。

總之，分段絕緣器故障的表現(xiàn)形式是多種多樣的，除去人為因素外還存在自然老化損壞、外界破壞、惡劣天氣等等，故此在供電系統(tǒng)中安排對其定期巡視，已排除其明顯故障或未表現(xiàn)的故障。

5 解決對策

5.1 加強清掃維護

針對列車的裝載量及周邊環(huán)境的污染情況，需加大對關鍵部位的絕緣元件的清洗，并減少其清洗時間，尤其要采用丙酮對粘有大量碳粉的絕緣滑板底面進行高效清洗。

5.2 加強分段絕緣器使用的管理

要采取行之有效的措施加強供電部門、車站及機務段員工對其工作狀況的認識與了解，同時要嚴格按規(guī)范要求的操作規(guī)程進行操作，以保證其在良好的運行工況下運行。此外，我們也應該提升電力機車司機正確的操控技巧，防止列車在分段下方停車或獲取電能，避免發(fā)生闖分段的情況。

伴隨著鐵路運營需求的持續(xù)轉變與高速發(fā)展的電氣化軌道系統(tǒng)，對于接觸網(wǎng)電分段設備的要求變得愈發(fā)復雜。透過深度研究分段絕緣器的缺陷問題并評估其功能表現(xiàn)，提出有效的解決辦法，這有助于推動我們積極開發(fā)或引入新的分段絕緣器技術，同時也能更有效地管理現(xiàn)有的設備，從而提升電氣化軌道牽引供電系統(tǒng)的設備及管理的質量。

5.3 現(xiàn)階段可采取的有效措施

5.3.1 加強日常培訓

由于各種導線所采用的絕緣材料種類不盡相同，因此，要進行分段隔離是一件很有難度的工作。因此，在施工前，要有專門的技術人員對施工工藝進行研究，對施工人員進行技術指導，合格后方可上崗。

5.3.2 合理設置分段絕緣器

在接觸網(wǎng)的設計中，既要兼顧維修斷電的便利性，又要減小事故的停電區(qū)域，還要兼顧機車、動車組的正常運轉以及調車操作的需求。

5.3.3 接觸網(wǎng)分段絕緣器的設計建議

接觸網(wǎng)分段絕緣器發(fā)生故障很大程度上和設計用一定的關系，因此，管理人員在實際工作中必須重視設計管理，可以減少器件式分段絕緣器的數(shù)量，采用絕緣錨段關節(jié)進行連接，或者采用先進的分段絕緣器，這些都是值得考慮的設計建議。

5.3.4 研制高可靠性絕緣器

通過研究發(fā)現(xiàn)，我國使用的分段絕緣器在安裝的平穩(wěn)性、受電弓所受的沖擊加速度等方面都比國外的絕緣器可靠性差，這極大地損害了弓網(wǎng)系統(tǒng)的運行品質，所以研發(fā)新型分段絕緣器是必要的。

5.3.5 使用水平尺

在每次安裝完絕緣體后，必須使用適當?shù)乃匠邅韺^緣體工作區(qū)進行仿真，以保證觸點的穩(wěn)定性和各部件之間沒有硬點。有些不平的滅弧角，可用專門的用具打磨平整，若不能需拆卸后重新安裝調試。

5.3.6 分配好分段兩側吊弦的力

要小心地把分段兩側吊弦的力分配好，以保證各節(jié)間的絕緣體都能承受均勻的應力。這樣的話，當電力機車受電弓通過時，也不會發(fā)生偏離。在設置分段絕緣器時，應對靠近跨中線的應力進行合理調節(jié)，將絕緣體固定在直截面上，將斜鏈型懸掛變?yōu)橹辨準?，增加導線的彈性，這樣就能保證絕緣體兩端的應力均衡。

6 結論

對于接觸網(wǎng)設備的管理來說，關鍵部分的運行與維護始終是較為脆弱的部分，我們必須持續(xù)地研究并積累經驗。而分段絕緣器作為一個重要的接觸網(wǎng)設備，在發(fā)生故障時能夠達到局部停電要求、縮小故障范圍的重要作用，然而，由于分段絕緣器的失效導致接觸網(wǎng)的事故，這為鐵路運輸帶來了巨大的經濟損失，并對交通秩序造成了嚴重的破壞。因此，處理分段絕緣器的問題已經成為牽引供電系統(tǒng)的核心任務之一。現(xiàn)在，各個部門都針對這個問題實施了一些應對策略，預計通過強化常規(guī)管理的手段，制訂維修流程及規(guī)范，把分段絕緣器的檢查納入常態(tài)化，同時提升設計的準則和施工的標準，以防止問題的產生，這樣就能有效解決牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)中因分段絕緣器引發(fā)的弓網(wǎng)事故，確保電氣化鐵道的供電運行安全。

參考文獻：

[1]張靈芝，龍劍，嚴興喜.接觸網(wǎng)設備檢修與維護[M].成都：西南交通大學出版社，2016.

[2]《鐵路特有工種技能培訓教材》編委會.接觸網(wǎng)工[M].北京：中國鐵道出版社，2018.

[3]《牽引供電接觸網(wǎng)運行與檢修》編委會.牽引供電接觸網(wǎng)運行與檢修[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

[4]中國鐵路總公司.普速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則（TG/GD 115-2017）[Z].北京：中國鐵道出版社，2017.

[5]吉鵬霄，張桂林.電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2015（2017重?。?

[6]中國鐵路總公司.鐵路技術管路規(guī)程（普速鐵路部分）[M].北京：中國鐵道出版社，2016.