接觸網分段絕緣器的動態特性分析及維護

楊 楨

0 引言

隨著國內高速鐵路的迅猛發展，對接觸網的安全性和可靠性提出了更高的要求。分段絕緣器是接觸網最重要的零部件之一。分段絕緣器質量集中，不易安裝，易產生較大硬點，使電力機車受電弓不能平穩通過，容易產生電弧，燒損線路，以至影響弓網的安全性。因此，研究分段絕緣器的特性，提高分段絕緣器的運行穩定性，延長分段絕緣器的使用壽命顯得十分必要。

1 分段絕緣器常見故障類型

高速鐵路電力機車運行速度的提高及機車碳滑板受電弓的普遍應用，使接觸網分段絕緣器的工作條件發生了巨大變化，發生故障的可能性越來越大，直接影響機車運行安全和高速鐵路的正點率。

根據對既有的城際鐵路和客運專線故障類型分析，分段絕緣器的常見故障類型如下：

（1）分段絕緣器銅滑道和連接線夾底部安裝不在同一平面，底平面未與鋼軌面平行安裝，以至造成拉弧、刮弓、打弓事故。

（2）由于分段絕緣器和接觸線在單位質量和彈性方面均存在較大差異，在連接處便形成硬點。當連接狀態不夠平滑時，硬點值會增大，使接頭處接觸線磨耗嚴重。

（3）分段絕緣器鐵配件與接觸線、承力索、絕緣棒之間連接螺栓松動，在長期大張力作用下發生抽脫、斷線事故。

（4）分段絕緣器絕緣棒表面臟污、內芯侵入水氣、材質老化等，發生局部電腐蝕，使絕緣棒脆裂、燒損直至發生斷裂事故。由于金屬構件機械強度較高，因此分段絕緣器的最薄弱環節就是絕緣棒，尤其是它的2 個端部[2]。

2 分段絕緣器動態特性分析

2.1 理論假設

以菱形分段絕緣器作為研究對象。當分段絕緣器與軌道平面不平行，即存在一個夾角θ 時，受電弓通過分段絕緣器的整個動態過程可以看作是一個力學平衡過程。

在該過程中，受電弓滑板進入分段絕緣器時只與分段絕緣器的滑道作用，滑道受到一向上的抬升力f，從而產生一力矩T，力矩T 會使分段絕緣器產生一個偏轉角度。

由材料力學知識[3]可知：對于長為l，在兩端受一外力偶矩T 作用的等徑圓桿，兩端橫截面的相對扭轉角

式中，T、G、Ip均為常量，T 為扭矩。

直徑為d 的圓截面的極慣性矩

2.2 受電弓過分段絕緣器力學過程分析

受電弓滑板由左至右通過分段絕緣器時，因受電弓有前后2 個滑板，所以受電弓與分段絕緣器的相互作用可分為以下5 個過程。

（1）前滑板（a）進入分段絕緣器至后滑板（b）將要進入分段絕緣器時為第1 個過程（圖1）。

此時，滑板a 會對滑道1 作用一向上的抬升力f ，產生力矩T1：

圖1 第1 過程系統示意圖

綜合式（1）—式（3），并將T = T1/2 代入可得第1 個過程扭轉角計算公式為

（2）滑板b 進入分段絕緣器至滑板a 移動到中心絕緣棒處為第2 個過程，如圖2 所示。

此時分段絕緣器受到受電弓2 個滑板同時向上的抬升力，均為f，受電弓滑板對x 軸的力矩T2就由2 部分組成，滑板a、滑板b 對分段絕緣器作用力的力矩分別表示為 2T′，2T′總力矩為T2：

圖2 第2 過程系統示意圖

綜上可得第2 個過程扭轉角計算公式為

（3）滑板a 通過中心絕緣棒開始至滑板b 移動到中心絕緣棒處為第3 個過程，如圖3 所示。

圖3 第3 過程系統示意圖

分析過程與過程2 類似，結果：

即第3 個過程扭轉角計算公式為

（4）滑板b 移動到中心絕緣棒開始至滑板a滑出分段絕緣器時為第4 個過程，如圖4 所示。

圖4 第4 過程系統示意圖

同樣參考前面過程的分析，得

綜上可得第4 個過程扭轉角計算公式

（5）滑板a 滑離分段絕緣器開始至滑板b 滑離分段絕緣器時為第5 個過程，如圖5 所示。

圖5 第5 過程系統示意圖

計算可得：

第5 個過程扭轉角計算公式為

2.3 問題分析

綜上所述，受電弓通過分段絕緣器整個過程中分段絕緣器在受電弓作用下的扭轉角可整理如下：

2.3.1 偏移角θ 整定

分析整個過程不難發現：由于分段絕緣器在受電弓通過的整個過程中都受到變化力矩的作用，因此一直處于振動狀態，即θ 始終都在變化，但變化一般較小，并且是圍繞分段絕緣器初始平衡狀態及θ 的初值而變化的，所以這里θ 可用初值近似計算，取θ = 10°。

2.3.2 抬升力f 整定

受電弓向上運動時，受電弓抬升力

受電弓向下運動時，受電弓抬升力

式中，F0為受電弓靜態抬升力；Fm為受電弓鉸接處摩擦阻力；Fa為受電弓壓力的動力分量，由受電弓的歸算質量及垂直加速度決定；Fk為受電弓壓力的空氣動力分量。

電力機車通過分段絕緣器時通常速度相對較慢，此時可不考慮Fk的影響，又因為Fm、Fa受多種因素影響，如軌道坡度、風速等，不易確定，所以采用靜態抬升力來代替實際抬升力，取F =70 N，則滑板a、b 產生的抬升力均為f = F/2 = 35 N。

2.3.3 接觸線長度l 整定

分段絕緣器一般安裝在距定位點3～5 m 處，所以對分段絕緣器兩側的接觸線，l 取值不等，由φ的表達式容易看出取較小值時，接觸線的扭轉角度較小，即分段絕緣器的扭轉角取決于扭轉角度較小一邊的接觸線長度，所以l 就等于分段絕緣器到近端定位點的距離，這里取l = 5 m。

2.4 問題討論

本文以CTHA-110 銀銅合金接觸線為例，其中切變模量G = 4.8×1010N/m2。代入得：

由此可以做出受電弓過分段絕緣器時產生的扭轉角φ與受電弓通過距離x 的關系圖（圖6）。

分析得到的數據及圖6 可以發現：分段絕緣器在受電弓作用下扭轉角度很小，最大扭轉角不超過0.6°，若要減少因分段絕緣器的不平順而造成的系統不穩定，則需要采取措施增大扭轉角φ。

由扭轉角表達式可知：d4G 由接觸線性質決定，則為常量；雖然在滿足受流特性的基礎上，受電弓滑板的抬升力f 有一定的變化區間，但變化范圍不大，影響較小；x 很顯然也無法改變。所以只能依靠改變l 來增大φ值，l 越大，φ值越大，而φ值取決于分段絕緣器距一跨距內兩端定位點較小的l，即最大值是在跨中的位置。

圖6 φ - x 關系圖

另外，從圖6 可看出，受電弓移動至分段絕緣器靠近中間位置時，扭轉角相對兩端大很多，這是由于菱形分段絕緣器兩端較窄，中間較寬造成的。

由上述分析可得如下結論：

（1）分段絕緣器應當安裝在跨中，從而使分段絕緣器兩端受壓平衡，減少受電弓通過時發生側磨、打弓、產生大電弧等現象。

（2）分段絕緣器兩端的寬度不能過窄，這樣有助于增大扭轉角，進而改善分段絕緣器的不平順性，即在結構形式上對分段絕緣器進行改進。

3 分段絕緣器維護措施

3.1 改善分段絕緣器的單位質量和彈性

分段絕緣器的基本要求是過渡平滑和絕緣可靠，因此在材質、結構形式等方面還需進一步改進，使其單位質量和彈性盡可能地接近接觸線的性能，并且在不同運行條件下，選擇不同類型的分段絕緣器以確保弓網匹配的要求。

3.2 加強分段絕緣器的維護

接觸網是牽引供電系統里唯一的無備用設施，加強接觸網的日常維護，定期對分段絕緣器等重點設備進行檢查是保證供電可靠性的關鍵。

分段絕緣器的重點部位檢查包括：連接螺栓是否緊固，銅滑道、絕緣棒、連接線夾是否存在臟污、裂痕、電腐蝕、材料老化和潮濕等現象，做到及時維護和清理。

3.3 及時更換損壞的分段絕緣器

分段絕緣器在大張力作用下產生非彈性變形，以及局部電腐蝕，造成斷裂、燒損等現象都有可能造成設備的永久性損壞。發生上述事件后，供電段、接觸網工區需及時派人奔赴現場，進行應急事故搶修，縮短事故停電時間。

4 結論

本文從分段絕緣器的運行穩定性出發，對受電弓過分段絕緣器的動態不平順特性進行了詳細分析，并借助材料力學的相關知識總結出受電弓經過分段絕緣器時動態過程，進而提出了相應的改進措施；同時對分段絕緣器的其他故障類型提出了改善和維護措施，以降低高速鐵路運行中分段絕緣器故障的發生概率，為鐵路供電系統運行及維護提供了相應的參考依據。

[1] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2002.

[2] 苗為民，李勇力，郭晨曦.菱形分段絕緣器運行問題的研究[J].電氣化鐵道，2008，（6）.

[3] 李慶華.材料力學（第三版）[M].成都：西南交通大學出版社，2005.

[4] 郭晨曦，苗為民，王日新，等.非絕緣滑道式分段絕緣技術研究[J].電氣化鐵道，2008，（2）.

[5] 劉杰.分段絕緣器與分相絕緣器安裝存在問題的探討[J].電氣化鐵道，2001，（4）.

[6] 陳維.電氣化鐵道受電弓-接觸網系統受流特性研究[D].西南交通大學研究生論文，2007.