城軌接觸網分段絕緣器故障分析與優化方案

錢余生

(深圳地鐵集團有限公司運營分公司 廣東 深圳 518000)

1 分段絕緣器概況

城市軌道交通因其快速、經濟、環保、節能等諸多優點，被許多大中型城市接納，目前中國的城市軌道交通事業正處于高速發展階段。分段絕緣器作為城市軌道交通接觸網系統的重要設備之一，其現場運行狀態的好壞對線路的可靠運營起到至關重要的作用。分段絕緣器是實現接觸網電氣分段但又不影響受電弓與接觸線正常滑行的重要電氣設備，一般多設于車輛段檢修、裝卸以及正線渡線、折返線等特殊線路。在正常情況下，機車受電弓帶電滑行通過分段絕緣器，當某一側接觸網發生故障或因檢修需要停電時，可通過斷開分段絕緣器處的隔離開關，將該部分的接觸網斷電，而其他部分接觸網仍能正常供電，從而提高了接觸網運營的可靠性以及靈活性。

2 分段絕緣器故障分析

深圳地鐵從2004年開通以來，到目前為止共運營了3條線路。其中，1號線采用架空柔性接觸網，2、5號線采用架空剛性接觸網，其分段絕緣器采用的是法國加朗公司的JG 2117型(柔性)和JG 2142型(剛性)。下面對深圳地鐵開通以來分段絕緣器出現的較嚴重故障及缺陷進行分類匯總，并對其原因進行分析。

圖1 出現裂紋或斷裂的導流板

2.1 導流板裂紋或折斷

2005年11月，在1號線線路檢修時，發現多處分段絕緣器導流板轉角處出現裂紋或折斷(見圖1);受此影響，部分機車受電弓的碳滑板斷裂。經現場普查統計，這次出現故障的分段絕緣器集中在線路兩端站后折返線渡線線路上，導流板出現裂紋或折斷部位是在受電弓從接觸線過渡到分段絕緣器的始觸區(見圖3)。因本身質量太大，造成分段絕緣器處的接觸網弛度大、彈性低，易形成較嚴重的硬點。由于始觸區接觸線距受電弓垂直方向的結構高差大于導流板距受電弓垂直方向的結構高差，當受電弓由接觸線過渡至分段絕緣器瞬間時，會對導流板轉角處施加較大的水平撞擊作用力;同時，垂直方向上受電弓由于自身的彈力，對導流板施加一個垂直方向的接觸壓力。導流板在這兩種合力的作用下，在一定的循環次數后出現裂紋或折斷。從事后對故障分析看，主要由以下幾點原因造成。

2.1.1 受電弓碳滑板磨耗不均勻

事后對機車受電弓檢查，發現所有機車碳滑板都出現較嚴重的不均勻磨耗(見圖2)，一般距受電弓中心130 mm處，滑板高于受電弓中心4～5 mm(與長導流板接觸處，見圖3中的A1、A4點);距受電弓中心60 mm處(與短導流板接觸處，見圖3中的D1、D4點)滑板高于受電弓中心1～2 mm。在日常檢修時，一般要求始觸區的接觸線與導流板等高，但在實際運營中，當受電弓從接觸線過渡至分段絕緣器瞬間時，因結構高差，受電弓就會對導流板產生瞬間極大的撞擊力，導致受電弓出現撞弓、離線、拉弧等。針對該現象，通過重新合理布置接觸網拉出值，有效降低了受電弓碳滑板不均勻磨耗。

圖2 受電弓出現不均勻磨耗

圖3 分段絕緣器構成

2.1.2 分段絕緣器安裝以及調整偏差

在分段絕緣器安裝時，要求其中心偏離線路中心不得大于50 mm，但在部分線路上達不到要求。該狀況加劇了始觸區受電弓相對于導流板和接觸線的結構高差及對碳滑板的異常磨耗，通過增加定位的方式，保證分段絕緣器中心偏離線路中心在50 mm范圍內。

2.1.3 分段絕緣器結構存在缺陷

為了保證受電弓在通過分段絕緣器時平滑過渡，在接觸線與分段絕緣器的過渡區域，將分段絕緣器導流板向上做彎曲。同時，為了保證導流板有足夠調節余量，轉角處另加大約120°轉角結構(見圖4)。彎曲造成導流板彎曲處材料強度降低，轉角造成該處應力集中，事后對同類導流板強度試驗的結果表明，彎曲處材料強度有明顯降低。同時，分段絕緣器長短導流板之間絕緣間隙過大(絕緣距離150 mm，如圖3所示的B1、B2或B3、B4之間的距離)，造成分段絕緣器穩定性降低，加大受電弓對導流板始觸區的撞擊。將絕緣間隙由150 mm調整為100 mm，增大了其穩定性。

圖4 導流板“始觸區”結構

通過以上多種措施，截止到目前為止，沒有再出現同類故障，同時始觸區接觸線以及導流板磨耗、拉弧狀況得到很大改善。

2.2 分段絕緣器異響及拉弧

深圳地鐵從2004年運營到目前為止，分段絕緣器普遍存在異響及拉弧的問題，一直未得到有效的解決。一般在半徑小的曲線線路、不同供電分區間、車站出站口(線路兩端折返線)等特殊場所，分段絕緣器的這種情況表現得更為嚴重。從目前對該類故障的分析看，主要由以下原因造成。

2.2.1 不同供電分區間存在電位差

分段絕緣器由不同供電分區供電時，兩端存在自然電位差;同時，線路是否有機車取流以及分段絕緣器與各自變電所距離的增加等，也加劇分段絕緣器兩端的電位差。

2.2.2 線路半徑過小

分段絕緣器一般設置在渡線、折返線等特殊線路處，由于鋼軌超高、建筑結構空間限制等條件的綜合影響，導致分段絕緣器在這些特殊區段的安裝位置嚴重偏離線路中心的合理誤差范圍;同時，由于軌道超高等原因，檢修時很難將導流板相對于軌平面調平，因此加劇受電弓與分段絕緣器的撞擊、離線和拉弧。

2.2.3 機車速度過低

分段絕緣器一般設置在輔助線路處，機車從分段絕緣器劃過時速度普遍較低，造成受電弓與分段絕緣器導流板分離、接觸時間加長，延長了電氣回路開閉時間，加劇了分段絕緣器的拉弧現象。同時，車站出口處的分段絕緣器(站后折返線)因機車啟動加速、取流較大，同樣會加劇分段絕緣器的拉弧現象。

2.2.4 受電弓碳滑板磨耗異常

由于隧道結構、空間等一系列因素限制，接觸網拉出值很難按照理想化的方式進行布置，造成受電弓碳滑板磨耗不均，加劇受電弓通過分段絕緣器時的撞弓和拉弧。

2.3 分段絕緣器主絕緣竄電

分段絕緣器主絕緣竄電是深圳地鐵目前較為普遍存在的現象，特別是在各車輛段的不同供電分區之間。經過多次對故障分段絕緣器電氣測試以及分析，發現分段絕緣器主絕緣表面的臟污程度對絕緣性能產生決定性影響。通過實驗發現，主絕緣較臟污時，其清潔前后的絕緣性能相差達到2000多倍。主絕緣竄電主要是因車輛段各供電分區有不同的施工作業要求，不能同時對各供電分區停送電，造成分段絕緣器一端長時間帶電。分段絕緣器因帶電一端電磁作用，使空氣中帶電荷顆粒以及金屬灰塵大量吸附在主絕緣表面，造成其絕緣性能嚴重下降，從而產生竄電現象。

3 合理化建議以及可行性方案

3.1 分段絕緣器結構需要優化

法國加朗分段絕緣器的結構緊湊、整體性較強，目前各條線的分段絕緣器總體運營狀態良好，同時在現場運營中也暴露出不足及需要改進的地方。

3.1.1 分段絕緣器本體太重

分段絕緣器本體過重一直是接觸網系統的一處硬傷，特別在架空柔性接觸網上該現象更為突出。JG2117型分段絕緣器從1992年到目前為止，其結構、材質都未加以改進;今后可通過先進的材料與機加工技術，在滿足機械、電氣性能的要求下盡可能減輕其質量，優化產品結構，減輕分段絕緣器處的接觸網硬點。

3.1.2 導流板始觸區強度較低

導流板是分段絕緣器與受電弓直接接觸的部分，從其現場運營來看，其結構設計不合理，易造成轉角處斷裂。可根據現場運營實況，對其結構進行優化設計，增加彎曲處的材料強度，消除轉角處的應力集中。同時，現有分段絕緣器導流板調節余量較小，從目前分段絕緣器現場運營情況來看，部分導流板在最大調節量下滿足不了現場要求，造成始觸區接觸線導高比導流板略高，產生撞弓現象。在剛性接觸網中，該現象表現得更為突出，因此在分段絕緣器的最大弛度下，應加大導流板可調節余量，使始觸區導流板距軌面的高度高于接觸線距軌面的高度。

3.1.3 分段絕緣器不可拆卸

加朗分段絕緣器的整體性較強，零部件之間幾乎都是“死連接”，但是在日常檢修過程中常會因小部件出現缺陷(如主絕緣破損、螺紋滑絲等)導致更換整套分段絕緣器，造成工作量大并增加運營成本。為此，可在不明顯降低分段絕緣器整體效果的情況下，增加零部件間的可拆除連接方式，減少工作量及運營成本。

3.1.4 分段絕緣器絕緣距離過大

深圳地鐵一期工程分段絕緣器的絕緣距離設計值為150 mm，在運營中發現分段絕緣器的穩定性太差，受電弓經過時容易左右擺動，增加了分段絕緣器撞弓以及拉弧現象。后期，將分段絕緣器的絕緣距離調整至100 mm(法國國家標準45 mm)，從目前現場情況來看，其拉弧、撞弓問題得到有效改善。

3.2 加強分段絕緣器日常維護

分段絕緣器是接觸網系統的重要設備，其故障可能引起接觸網塌網，中斷線路運營，因此應加強其日常維護工作。

1)對特殊區域的分段絕緣器應適當縮短其檢修周期，如車輛段各供電分區間、正線折返線等;同時，盡可能避免分段絕緣器一端帶電、一端不帶電的狀況。

2)對于特殊線路處的分段絕緣器，應綜合考慮拉出值、曲線半徑、受電弓磨耗規律等，合理控制其導高。

3)測量受電弓碳滑板磨耗，監控分段絕緣器的運行狀態。

3.3 剛性分段絕緣器改為絕緣錨段關節

在現有的運營線路中，剛性接觸網絕緣錨段關節在運營過程中的撞弓、拉弧、磨耗等狀況都遠遠好于分段絕緣器，所以可以考慮將部分非絕緣錨段關節改為絕緣錨段關節來代替分段絕緣器。2號線在后海停車場A、B供電分區之間做了一處該類設計的變更，將原設計的分段絕緣器用絕緣錨段關節代替。從目前運行情況來看，效果非常好，導線磨耗低、拉弧輕，同時消除了供電分區之間的竄電現象。另外，在剛性接觸網系統單線雙向通過的線路中，檢修時不可能將分段絕緣器的兩端調成光滑過渡，很容易產生撞擊以及拉弧現象，因此將分段絕緣器改為絕緣錨段關節，可以有效地改善這種狀況。

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