沈佳高速鐵路牡佳段AF線絕緣子閃絡故障淺析

張吉彬

0 引言

沈佳高速鐵路牡佳段（以下簡稱“牡佳高鐵”）起點為牡丹江站，終點為佳木斯站，運營里程372 km，設計時速250 km，正線接觸網采用AT供電方式。

牡佳高鐵接觸網設備于2021年6月5日送電，全線于2021年12月6日正式開通運營。接觸網設備送電后，正饋線（AF線）懸式絕緣子（以下簡稱絕緣子）頻繁發生閃絡跳閘故障.從接觸網送電至2022年6月20日期間，全線累計發生AF線絕緣子故障閃絡跳閘35次。針對此類故障問題，本文通過梳理現場設備及絕緣子閃絡故障情況，分析故障發生原因，并提出解決方案。

1 現場設備基本情況

牡佳高鐵正線接觸網采用AT供電方式，全線絕緣設備均按重污區標準設計，絕緣子設計泄漏距離不小于1 400 mm。在實際工程建設中，牡佳高鐵AF線采用4片U70BD型瓷材質懸式絕緣子串，AF線與絕緣子采用預絞式懸垂線夾連接，設計標準滿足《高速鐵路設計規范》要求。

2 絕緣子閃絡故障情況

本節將從故障分布、故障發生時段、故障現象等方面，對牡佳高鐵AF線絕緣子發生的35次閃絡跳閘進行統計分析。

2.1 故障分布

從故障所在區間、行別分布看，故障呈現散布趨勢，上下行分布無明顯規律。但從地理位置上分析，橋梁及橋梁路基銜接區段發生跳閘31次，路基段發生跳閘4次。考慮牡佳高鐵全線橋梁占比約為48%，可以判斷故障分布位置多發生在橋梁段。

2.2 故障發生時段

從時段上分析，絕緣子閃絡跳閘全部發生在凌晨3：00—6：30左右的日出時段。跳閘發生時間與日出時間變化規律高度一致。每月跳閘發生時間均值趨勢見圖1。

圖1 絕緣閃絡跳閘發生時間情況

2.3 故障現象特點

從跳閘特性分析，絕緣子閃絡跳閘后重合閘均成功，重合閘成功后，供電恢復正常，后續未再發生故障跳閘；跳閘電流、電壓、阻抗角數據近似，繼電保護動作類型均為距離保護I段動作。

通過上述分析，基本可以判斷牡佳高鐵發生的這35次閃絡跳閘為同類型故障。

3 故障原因分析

綜合上述接觸網跳閘故障的特點，本節對故障原因展開分析。

3.1 絕緣子質量

2021年10月，供電設備管理單位將部分發生過閃絡故障的絕緣子以及現場未發生閃絡故障的絕緣子合計24片進行送檢。經檢測，絕緣子各項指標均符合相關標準要求，基本排除絕緣子質量原因引發閃絡跳閘。

3.2 絕緣設計因素

高速鐵路設計規范、運維規范及施工規范中對附加導線帶電體距瓷絕緣子裙邊的距離均未明確要求。參考電力系統相關標準規范，《電氣裝置安裝工程 66 kV及以下架空電力線路施工及驗收規范》（GB 50173—2014）[1]第8.6.10條規定：懸式絕緣子裙邊與帶電部位的間隙不應小于50 mm。而牡佳高鐵AF線最下方一片絕緣子裙邊距預絞式懸垂線夾帶電部位約25 mm。該情況可能對設備的絕緣性能產生一定影響，是引發絕緣子閃絡跳閘的重要原因。

3.3 特殊外部環境因素

牡佳高鐵發生AF線絕緣子閃絡跳閘的區段均不在污染源影響范圍內，且絕大部分處于林區，空氣質量優良，經檢測，絕緣子附鹽密度值滿足規范要求，故排除外部污染原因造成絕緣子閃絡跳閘。

從發生跳閘的時間看，所有AF線絕緣子閃絡跳閘均發生在每日清晨時段，跳閘時間隨日出時間變化呈規律性變化，該時間段屬于晝夜溫差急劇變化時段，空氣濕度大。經定點檢測，跳閘發生時間基本為每日空氣濕度最大的時段，空氣濕度一般在90%以上，可以判斷空氣濕度大是引發絕緣子閃絡的一個重要誘因。

綜合以上分析，對牡佳高鐵AF線絕緣子閃絡故障原因進行初步推斷，結論如下：

每日清晨時段環境濕度較大，絕緣子表面附著水汽，形成了沿面泄漏電流通路，受日照及泄漏電流發熱影響，導致絕緣子表面局部干燥，進而導致絕緣子串電壓分布不均，絕緣子干帶承受了更高的電壓，可能形成爬電電弧[2]。隨著爬電現象的發展，絕緣子表面逐漸干燥后，一般情況下爬電電弧會自行消失，但特殊條件下，爬電電弧繼續爬升，導致絕緣子有效絕緣距離降低，當懸式絕緣子裙邊與帶電部位的間隙處承受的電壓過高時，可能導致該位置空氣擊穿發生放電。絕緣子從沿面放電到最終閃絡的電場變化過程如圖2所示[3]。

圖2 絕緣子從沿面放電到閃絡過程電場變化情況

放電引發跳閘后，同一供電臂內所有絕緣子已形成的電弧隨之熄滅，再送電后已不具備再形成沿面放電的條件，因此不會引發二次跳閘。

4 解決方案

針對牡佳高鐵AF線絕緣子閃絡故障，通過研討分析初步確定兩種解決方案以改善絕緣子串的電場分布，一是增加1片懸式瓷絕緣子，二是在預絞式懸垂線夾與絕緣子柱腳間增設三腿直角掛板。

結合以上方案，對4種不同工況（4片懸瓷絕緣子、4片懸瓷絕緣子+掛板、5片懸瓷絕緣子、5片懸瓷絕緣子+掛板）下絕緣子串的電場分布進行仿真計算，以獲取懸式瓷絕緣子串各部件的電場分布情況。

對于靜電場問題，根據麥克斯韋方程

靜電場E為無旋場，則有

電位移矢量D與電場強度E的關系為

式中：ρ為自由電荷密度；ε為介電常數；φ為電位。

則靜電場的基本方程為泊松方程，在求解域內有

不同介質的連續分界面上有

式中：ε0為真空介電常數；εr為相對介電常數，r=1, 2。

高壓端，φ=U0；接地端，φ= 0。對于三維靜電場問題，用電位函數φ=φ(x,y,z)來描述場的分布，即

對單個絕緣子積分可以得到絕緣子的電壓V：

對于絕緣子串模型，重點關注每片絕緣子承受的電壓，以原有4片懸式瓷絕緣子串電場分布為例，電場最大值主要分布在導線兩端、鋼腳的端部、鋼帽的端部，如圖3所示。

圖3 原有4片絕緣子結構電場分布

通過計算，不同結構形式下各片絕緣子承載的電壓如表1所示。

表1 不同結構形式下各絕緣子片電壓分布情況 kV

根據計算結果，采用增加1片絕緣子以及增加1片絕緣子并增設掛板的2種方案，對電場影響基本相同，各單片絕緣子分布電壓均明顯降低。綜合考慮肩架負載、線索弛度以及成本等因素，確定了采用增加 1片絕緣子的方式以優化絕緣設備的電場分布。

確定整治方案后，組織在牡佳高鐵改裝絕緣子串3 143組，重點對橋梁段及橋梁、路基銜接段的AF線絕緣子加裝1片絕緣子。2022年4月完成大部分絕緣子改裝后，4～6月間，牡佳高鐵AF線絕緣子發生閃絡故障4次，對比4月份以前月均跳閘3.1次的數據看，絕緣子閃絡發生頻率明顯降低。

5 結語

針對牡佳高鐵AF線絕緣閃絡故障，在采取增加 1片絕緣子的方案對重點區段絕緣子進行整治后，絕緣閃絡故障發生率明顯降低，但未能完全避免同類故障的發生。 后續建議采用更換復合絕緣子、涂抹憎水涂層等方式進行對比觀察，綜合研判各種解決方案的可靠性，為徹底解決絕緣閃絡故障問題提供統計數據。

建議在穿越林區的電氣化線路設計時，專題研究附加導線絕緣問題，嘗試使用大傘裙絕緣子、復合絕緣子，以減少此類絕緣閃絡故障的發生；建議針對類似工況下的絕緣設備開展專題調研和測試，采集更豐富的現場數據，制定相應的絕緣設計標準，指導今后新線建設中的絕緣設計。