電氣化鐵路菱形分段絕緣器的研究與改進

王洪林

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院），陜西 西安 710043）

0 引言

分段絕緣器是接觸網上實現電氣分段，使受電弓平滑通過的重要絕緣設備。它將接觸網分隔成幾個獨立的供電單元，為上下行電氣分隔、站場供電分束、機務整備和貨車線裝卸等提供作業條件。當接觸網檢修或發生故障時，可縮小停電范圍，減少對運輸的干擾。

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，影響鐵路系統的正常運行。目前分段絕緣器的結構種類較多，但總的來說主要可歸結為三種主要的類別，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。對于有斷口的分段絕緣器，會出現打弓、掛弓等問題；而無斷口的分段絕緣器會出現絕緣滑道燒毀等現象。

本文對分段絕緣器的結構進行研究和分析，通過相關的分析研究，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60年代初建設和發展電氣化鐵路以來，引進過英國、法國、德國等國家的分段絕緣器，也自行設計、制造過各種分段絕緣器，無論是進口的分段絕緣器還是國產的分段絕緣器，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進行分析。

1.1 英國BB公司分段絕緣器

英國分段絕緣器的結構如圖1所示，也稱為菱形分段絕緣器，1984年從英國BB公司引進用于京秦線。具有結構簡單、質量輕、安裝方便、過渡平滑等優點，并迅速推廣使用，國內各企業紛紛仿制。

圖1 菱形分段絕緣器

在后續的使用過程中，該分段絕緣器陸續出現一些故障，主要的故障形式是絕緣滑道局部燒灼，嚴重時出現斷裂現象，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

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，兩側滑道設有斷口，在兩側斷口對應部位的空間設置了絕緣靴，輔助受電弓滑過斷口位置，結構緊湊、簡單，安裝調試方便，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，但在貨車線一側接地時，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。

滑道中間有斷口，金屬滑道形成懸臂，由于機車過分段絕緣器時會產生較大的沖擊力和機械振動，這樣金屬滑道會由于機械疲勞等產生變形，有斷口的分段絕緣器會產生打弓、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90年代初開始引進，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，對受電弓起輔助過渡作用。德國西門子公司的分段絕緣器結構相同。

目前這類分段絕緣器國內也普遍生產，使用較為普遍，打弓的現象也較普遍。瑞士AF公司原產品的絕緣棒長度為1 250 mm，國內引進后按照鐵標生產為1 600 mm絕緣棒。

這類分段絕緣器從結構分析來講，不具有技術優勢。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，也具有斷口分段絕緣器掛弓的風險，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，如圖5所示，具有結構簡單、安裝調試方便等優點，但也存在質量太大、硬點大、磁絕緣子易爆炸、空氣絕緣不達標的缺點。國內在仿制時進行了改進，主要是使用硅橡膠絕緣子替代了磁絕緣子，克服了進口分段絕緣器重量太大的問題。

圖5 仿德國Adtranz分段絕緣器

在機車速度較高時，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，在一側停電檢修、整備作業時，出現過電壓擊穿問題，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象來看，分段絕緣器的故障主要來自兩個方面，一是機械穩定性問題，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械性能，由于機車通過時，來自機車的沖擊力、顛簸可能會造成有斷口的分段絕緣器的導電滑道產生機械振動，從而造成打弓及掛弓問題，造成嚴重的故障。而由于菱形分段絕緣器特殊的結構，其機械穩定性較好，安裝使用方便，并對現場安裝的要求較低，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，以法國GSM公司分段絕緣器為例進行分析，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，雖然在其中增加了輔助滑道，但是問題依然存在。相對來說，仿英國菱形分段絕緣器仍有改進的空間，下面以菱形分段絕緣器的故障過程進行分析。

菱形分段絕緣器的結構示意圖如圖6所示，其中a、d為2個導電滑道，b、c為2個絕緣體滑道，e、f為接觸線，g1和g2為受電弓的兩個工作位置。分段絕緣器工作時，有三個特殊的過程，具體如下。

圖6 菱形分段器工作示意

2.1 接觸網檢修時的狀況

當接觸網其中一段線路需要檢修時，為了人身安全，需要檢修的接觸網一段需要接地。假如接觸線f需要檢修，f就需要接地，這時，在絕緣滑道b的兩端就會有比較高的電位。絕緣滑道兩端為夾持件，一般用緊固件夾持，兩端結構并未特殊設計，對于這樣一個結構，造成絕緣滑道b兩端的電場強度比較高，在有污穢或陰雨天氣時，由于絕緣距離較長，兩端不會出現貫穿性的沿面放電，但是在絕緣滑道兩端會出現樹枝狀放電現象，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，會出現絕緣滑道損傷。

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，當受電弓移動到弓位g1的位置上時，雖然e和f名義為同幅、同相位，但是由于機車負載的原因，其間有一定的電位差，在受電弓與導電滑道d接觸之前，由于受電弓在移動，理論上存在間隙很小的時刻，會出現沿著絕緣滑道b端部出現沿面放電，但是由于受電弓很快將導電滑道a和d連接，所以，這個放電過程同樣很快就結束了。

2.3 受電弓處于弓位g2的情況

當受電弓從a和d接通的狀態繼續前行，移動到弓位g2的位置時，受電弓將與滑道a斷開，這個斷開的過程同樣包括了兩個主要的問題，其一，對于滑道a連接的接觸網來說，是一個甩負荷的過程，必然會產生很高的過電壓。其二，在斷開的瞬間，由于系統的慣性，必然要通過電弧保持續流，快速形成沿面放電，這將使周圍空氣由于電弧的作用發生電離，隨著受電弓的繼續移動，這個電弧可能被拉長，繼續放電，直至自持放電條件破壞，電弧才會熄滅。

根據相關經驗，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，同時存在的一個現象是，這些碳粉也會隨之燃燒，從而形成一個電弧與可燃物同時存在的過程。

3 菱形分段絕緣器的電場分析與改進

由上節分析來看，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的，無論是哪種分段絕緣器，上節提到的三個過程中，放電都是不可避免的。對于菱形分段絕緣器的改進，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，從而達到改善端部電場的作用。

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，其電場分布也受到承力索、吊弦以及鋼軌和大地的影響，在電場分析時也需要改進。

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，電場強度較高。

圖7 分段絕緣器水平面等位線分布

給其端部增設一個屏蔽環后，屏蔽環的結構和電位線分布的仿真計算結果如圖8所示，圖8（a）為沒有屏蔽環的等位線分布情況，8（b）為增設屏蔽環后的改善作用。分析來看，增設屏蔽環可大大改善絕緣滑道端部的電場。但是，由于機車的受電弓需要滑動而過，屏蔽環只能設半個，分段絕緣器下部的屏蔽效果會受到一定的影響，可適當延長屏蔽長度來改善。

圖8 屏蔽結構對于分段絕緣器電場的改善作用

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

4 結語

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的安全運行，通過對其運行過程的各個狀況進行分析和研究，在絕緣滑道端部增加屏蔽環的措施來改善絕緣滑道的放電性能，通過技術改進和仿真計算說明，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強度，防止其端部放電和燒傷。