高速動車組絕緣子污閃分析與改進

王芹鳳 于德偉

摘 要：通過分析受電弓絕緣子的污閃故障產生的原因，提出改進方案，并通過進行相關的實驗對改進進行了驗證。經分析故障原因為雨霧天氣由于環境的影響導致絕緣性能下降，通過增加絕緣距離，加大引起閃絡故障的關鍵參數——最小電氣間隙，從根源上避免故障的發生。通過采用高分子硅橡膠材料保證加強絕緣部分的電氣和機械性能，適應高速動車組在高速運行時的環境要求而又不影響絕緣子的強度和安全，同時經過高壓閃絡試驗對改進后的高壓絕緣子進行了試驗驗證。

關鍵詞：絕緣子 最小電氣間隙 爬電距離 最大耐受電壓

中圖分類號：U225.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0222-02

受電弓絕緣子是列車特高壓系統最重要的部件之一，絕緣子的狀態好壞直接影響到列車的安全運行，近期京滬線上300 km等級高速動車組頻頻發生受電弓對車體放電事故，尤其雨霧天氣情況更是嚴重。300 km及以上速度等級的高速動車組在雨霧天氣或表面覆蓋污物的情況下，導致動車組車頂受電弓支撐絕緣子下降，從而引起絕緣子污閃。

受電弓絕緣子是帶電的將干線受電弓與車體進行電氣隔離的設備，它將弓網系統與車體進行電氣隔離，同時實現受電弓與車體的機械連接。污閃故障是由于絕緣子的電氣隔離功能被減弱引起的。

1 原因分析

1.1 結構組成

300 km及以上速度動車組受電弓絕緣子外形如圖1所示，絕緣子制造材料為環氧樹脂，電氣性能參數如下。

最小電氣間隙：353 mm，最小爬電距離1097 mm，額定耐受電壓90 kV（有效值），污穢耐受電壓30 kV。

1.2 原因分析

1.2.1 電氣間隙

GB/T21413.1-2008鐵路應用 機車車輛電氣設備第1部分：一般使用條件和通用規則規定了海拔1400 m以下的電氣間隙310 mm，更高一級別為370 mm，即使最為苛刻的BSEN 50124-1-2001鐵路應用 絕緣配合第1部分：基本要求。電工電子設備的電氣間隙和爬電距離（英文）標準也是310 mm。該受電弓支撐絕緣子最小電氣間隙353 mm，滿足相關標準的要求。

1.2.2 爬電距離

TB/T 3077.2-2006電力機車車頂絕緣子第2部分：復合絕緣子規定25 kV等級爬電距離大于750 mm，GB/T21413.1-2008中規定PD4爬比為25 mm（對應爬電距離750 mm），BSEN 50124-1-2001中規定PD4爬比為30 mm（對應爬電距離900 mm）。

1.2.3 引起污閃的原因

受電弓絕緣子有兩個功能即電隔離和機械連接，污閃主要是由于電隔離功能被減弱引起的，當受電弓支撐絕緣子表面覆蓋污物時，絕緣子的絕緣性能下降，當表面污物達到一定程度時或使用環境惡化時（像雨霧天氣），引起絕緣子絕緣性能下降，從而導致污閃現象。

2 絕緣子性能的改進方案

將絕緣子高度100 mm的金屬凸臺部分改造為與絕緣子傘裙同類的絕緣性能高的材料，提高絕緣子的絕緣性能，增大電氣間隙，可以有效提高絕緣子的閃絡電壓和污穢起霧閃絡電壓。

改造方案如下：將金屬凸臺用35 kV等級傘裙冷縮套管進行密封，對套管與絕緣子第一個傘裙接鑲位置用室溫固化橡膠膏進行加強處理。

3 可行性分析

3.1 傘裙冷縮套管材料性能分析

傘裙冷縮套管材料為廣泛應用于高壓絕緣和電力防污閃的硅橡膠，該材料采用硅和天然橡膠通過重新進行分子排布，保證分子成四點網狀交聯排列，從而保證材料即具很高的機械性能，又有很好的彈性。同時甲基基團均勻排布在主鏈結構的正上方的分子結構，保證了該硅橡膠具有很好的憎水性能。

耐熱性：硅橡膠為無色至乳白色的彈性體，二甲基硅橡膠、甲基乙烯硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠比重為0.96～0.99，甲基三氟丙基乙烯基硅橡膠比重為1.3左右，硅橡膠主鏈結構為Si-O鍵組成，Si-O鍵能較高達451 kJ/mol，總而言之，硅橡膠具有較高的熱穩定性，在150℃～180 ℃下可以極長期的使用，在200℃～250 ℃下性能變化僅發生在高溫作用的初期（如250 ℃為前5d），此后性能幾乎無變化。硅橡膠的耐寒性很好，可以在-60 ℃或更低的溫度下使用，硅橡膠一般在-30 ℃時性能發生變化，即隨溫度降低硬度、抗張強度及壓縮永久變形值有所增加，伸長率則降低，但這些變化是可逆的，溫度升高后便能回復。

機械強度：硅橡膠的分子量即使達到50～70萬時，其柔性仍遠較其他有機橡膠好，這是由于它的甲基是繞Si—軸旋轉運動，氫原子占有相當廣闊的，因而與相鄰分子的距離較大，分子間相互吸引力較小，故而無配合填充劑的硫化膠抗張強度很低，小于1 MPa，伸長率約60%。雖然硅橡膠的補強效率遠較其他橡膠為高，但是由于硅橡膠的機械強度、耐磨性等性能仍較一般有機橡膠差，在配料的各組份事宜的情況下，硅橡膠硫化膠機械性能可以獲得較高的水平，如甲基乙烯基硅橡膠的硫化膠，最高可達10 MPa以上，抗撕強度可達350～690 kn/m。

電氣性能：有機硅橡膠的多數品種雖然含有少量的乙烯基，但它們仍屬于飽和橡膠，主鏈由硅-氧鍵構成，從而具有良好的耐候性和耐臭氧性。有機硅橡膠的疏水性很高，在潮濕的環境下工作，介電性能改變很小；高壓蒸汽的環境下時，將發生水解和解聚作用。硅橡膠的電絕緣性能優良，在所有的使用環境溫度下，介電性能都比較穩定，即使在突發事件的高溫下，介電性能降低也較少且仍能保持良好的絕緣性能指標。

3.2 阻燃性能

選用熱穩定性較高的無鹵阻燃劑，通過阻燃劑之間的協效，使甲基乙烯基硅橡膠的阻燃性能達到所需要求，且滿足在高溫條件下使用。采用阻燃劑PAN和ETT復配，在60份時可以達到FV-0阻燃級、氧指數38.9%。在此基礎上添加少量氧化鋅和硼酸鋅作為阻燃協效劑，能有效提高對硅橡膠的阻燃效率，當阻燃劑減少到55份時，垂直燃燒通過FV-0級，氧指數38.7%，同時所制阻燃材料拉伸強度達到4.6 MPa，拉斷伸長率520%、撕裂強度達到20 kN/m，而且具有優良的耐熱性。經200 ℃×24 h熱空氣老化后，拉伸強度和拉伸長率保持率為83.5%、70.3%。

3.3 絕緣子風壓分析

首先計算出絕緣傘裙有效迎風面積，按照動車最大行駛速度為300 km/h計算相對風速V，就可計算絕緣傘裙所承受的風力。風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。根據伯努利方程得出風-壓關系，風的動壓為：

wp=0.5·ro·v2 （1）

其中wp為風壓（kN/m2）；ro為空氣密度（kg/m3），v為風速（m/s）。

計算時采用環境條件為標準狀態下（1013 hPa，溫度為15 ℃），空氣重度r=0.01225（kN/m3）。緯度為45°處的重力加速度g=9.8 m/s2時，可以計算出整個絕緣傘裙所受壓力。

標準狀態下，由于空氣密度和ro與重度r的關系為r=ro·g，因此，有ro=r/g。將這一關系帶入公式（1）中得到：

wp=0.5·r·v2 （2）

將標準狀態下的參數代入公（2）可得出標準狀態下的風壓公式：

wp=v2/1600（kN/m2） （3）

此式為用風速估計風壓的通用公式。應當指出的是，空氣重度和重力加速度隨緯度和海拔高度而變。一般來說，r/g在高原上要比在平原地區小，也就是說同樣的風速在相同的溫度下，其產生的風壓在高原上比在平原地區小。

列車在設計時速350 km時的速度97.22 m/s，自然風速33 m/s代入（3）式中：

wp=v2/1600=10.60（kN/m2）

3.4 絕緣傘裙的有效受風面積計算

絕緣傘裙如圖2所示，受風面積以正面風壓、斷面受風為準進行計算，硅橡膠絕緣傘裙收縮到Φ60直徑的金屬支撐棒上后，傘裙的成型直徑為160 mm，傘裙根部厚度設計為16 mm，邊緣設計厚度為8 mm，傘裙高度120 mm，計算受風面積為0.01232 m2。

傘裙絕緣部分在列車以300 kM/h速度行駛時正面斷面所受風壓力為：wp=10.60（kN/m2）×0.01232= 0.13058 kN=13.058（Kg）

3.5 校驗傘裙絕緣件的抗張強度

抗張強度=抗拉強度=0.13058 kN/ 0.01232=10.60（kPa）

該傘裙絕緣件采用甲基乙烯基硅橡膠的硫化膠，在配料的各組份選擇合適的情況下，柜橡膠硫化膠的機械強度可以獲得較高的水平，其抗張強度可達11～ 13 MPa，抗撕強度為20 kN/cm。

3.6 結論

根據以上計算及分析可知，該絕緣傘裙安裝在動車組以300 km/h速度行駛時所承受的正面風壓遠小于額定值，不會對動車組的運行產生不利影響。

4 試驗驗證

對處理后的絕緣子進行閃絡試驗，第一次試驗，閃絡電壓為144 kV，放電路徑為絕緣子的最短電氣間隙。

對處理后的絕緣子進行，第二次閃絡試驗，閃絡電壓為145 kV，閃絡放電位置與第一次相同（見圖3）。

對改進前后的受電弓支撐絕緣子進行污穢起霧閃絡試驗，在絕緣子表面涂灰密1.0 mg/cm2，鹽密0.15 mg/cm2，進行試驗，試驗結果為，加強絕緣處理前的污穢起霧閃絡電壓為37.5 kV，加強絕緣處理后的絕緣子的污穢起霧閃絡電壓升高至為42 kV。

5 結論

對受電弓支撐絕緣子進行絕緣處理后，絕緣子的閃絡電壓由119 kV提高到144 kV，絕緣處理后的絕緣子閃絡電壓提升20%。污穢起霧閃絡電壓由37.5提高到42 kV，絕緣加強后的支撐絕緣子的污穢起霧閃絡電壓提高4.5 kV。最小電氣間隙由353提高到405 mm。絕緣能力提升了一個等級（最小電氣間隙370 mm，耐受閃絡電壓104 kV）。

參考文獻

[1]GB/T21413.1-2008鐵路應用 機車車輛電氣設備第1部分：一般使用條件和通用規則[S].

[2]BSEN 50124-1-2001鐵路應用 絕緣配合第1部分：基本要求 電工電子設備的電氣間隙和爬電距離（英文）[S].