電氣化鐵路接觸網用絕緣子污閃測試系統研制

雷 棟，張海波，王家偉，潘利科，王欣未，戴文睿，畢元珍

0 引言

隨著社會發展和我國經濟的持續增長，高速鐵路在我國迎來了發展高峰。與普速鐵路相比，高速鐵路接觸網的供電影響更為突出。隨著列車速度的提高，接觸網絕緣子表面的受污程度也在加劇，特別是在大霧、融冰、融雪、連綿細雨等惡劣天氣作用下，沉積于絕緣子表面的固體污穢顆粒（氯化鈉、受電弓滑板碳粉末等）被充分濕潤，使絕緣子表面的電阻率大大降低，導致接觸網上絕緣子不僅在過電壓作用下發生閃絡，更嚴重的是在正常運行電壓下也會發生閃絡，造成停電停車事故，危及鐵路運行安全[1-5]。

近些年，雖然采取了各種措施避免接觸網絕緣子污閃事故，但污閃事故仍時有發生。如2008年3月5日，蘭州局管內金昌車站絕緣子臟污，在雨雪天氣作用下發生大面積閃絡，造成供電臂相關饋線相繼跳閘。2016年5月1日，烏魯木齊局管內阿線古爾圖牽引所由于受大霧等惡劣天氣影響，造成相關饋線多次跳閘，影響正常行車[6]。隨著電力機車及標準動車組的運行速度越來越高，絕緣子污閃帶來的危害也愈來愈嚴重。

絕緣子閃絡根本原因是其表面覆有污穢，從而使得絕緣子表面泄漏電流過大。除此之外，絕緣子表面長期流過較高泄漏電流會嚴重威脅絕緣子壽命，且對電能也是一種浪費。本文依據污閃產生的機理，模擬現場運行環境，開發一套接觸網用絕緣子污閃測試系統，能夠在實驗室模擬絕緣子的污閃現象，測量并監控絕緣子表面泄漏電流，為研究解決絕緣子污閃問題奠定基礎。

1 絕緣子污穢閃絡機理

絕緣子表面污穢閃絡機理可以理解為絕緣子、污穢物、濕潤條件以及施加電壓（在實驗室條件下還有電源阻抗）間的一種相互作用。絕緣子表面由各種有機或無機化合物組成的污穢層覆蓋，污穢層在干燥時不導電，呈高阻狀態。

接觸網用絕緣子發生污閃首先要經過污穢層表面漸變潮濕階段。絕緣子的濕潤一般在惡劣天氣下完成，如細雨、大霧、融冰、融雪等。絕緣子表面污穢層首先吸水受潮，然后在絕緣子表面形成一層水膜，污穢層中部分無機離子化合物物質（NaCl、MgCl2等）在潮濕狀態下電離成離子形態，使得絕緣子表面的電導率大幅增加，引發表面泄漏電流增大，閃絡電壓急速下降，從而發生污閃現象。但是，當遇到大雨或暴雨天氣時，絕緣子表面雖然也會吸水受潮，但由于雨勢過大，絕緣子表面的污穢容易被沖洗掉，因此大雨或暴雨情況下不容易發生污閃，但雨水會使絕緣子傘間橋接，造成閃絡，電壓降低。根據現場運營經驗及實驗室模擬試驗，細雨、大霧、融冰、融雪等惡劣條件下更容易出現污閃事故，其中大霧天氣下出現污閃的概率最大。

濕潤后的絕緣子表面在交流電場作用下形成泄漏電流。對于局部電導率高的地方，對應泄漏電流密度較大，根據焦耳熱效應，會引起該部分絕緣子表面部分污層的水分蒸發，從而形成干燥帶。一般來說，干燥帶的表面電阻率遠大于其他濕潤污層（剩余污層）表面的電阻率，其承擔了絕緣子上下鋼帽之間的主要電壓。當干燥帶承受的電壓超過其表面放電電壓時，干燥帶就會被電弧貫穿，產生沿面火花放電（橋接電弧），而此時橋接電弧將跨越干燥帶與剩余污層相串聯。每經過一次橋接電弧放電都產生一個放電脈沖，該泄漏電流放電脈沖的大小因污穢程度及干燥帶相串聯的剩余污層的電阻不同而不同，通過實驗室測量發現，該泄漏電流可以達到數百毫安。隨著橋接電弧的不斷深入，跨接的干燥帶越來越多，橋接電弧與剩余污層電阻越來越小，泄漏電流不斷增大，最終導致污閃事故發生。為了更好理解絕緣子復雜的污閃產生機理，可以通過橋接電弧放電模型來分析，如圖1所示。

圖1 橋接電弧放電模型

由圖1可知，整個橋接路徑L由兩部分組成，長度為la的橋接電弧和剩余污層串聯而成。當上下兩電極之間施加電壓U時，分別由橋接電弧和剩余污層來分擔電壓。假設橋接電弧的起弧電壓為Ua，則當外施電壓超過Ua時，橋接電弧持續發展，并隨著時間及剩余污層電阻的變化而加長，當外施電壓小于Ua時，則電弧無法產生。

由根據戴維南定理可得

式中：Ua為橋接電弧兩端的電壓，I為流過剩余污層的電流，Rb為剩余污層的電阻。

根據電弧部分壓降可得

式中：A、n為橋接電弧常數。

由此，可計算單位長度電弧電阻ra為

通過以上分析可知，閃絡發生的可能性隨泄漏電流的升高而增大，因此對于閃絡的預警應著重研究泄漏電流，泄漏電流的大小、分布起著至關重要的作用。

2 污閃測試系統的研制

污閃測試系統主要由三大部分組成：高壓試驗回路，實現工頻交流高電壓的輸出，并控制電壓大小及調壓速度；起霧系統，短時間形成鹽霧室，模擬現場起霧環境；泄漏電流測試系統，實現絕緣子表面泄漏電流的采集及波形顯示。污穢測試系統主要結構如圖2所示。

圖2 污閃測試系統

2.1 高壓試驗回路

高壓試驗回路主要由調壓器、變壓器、分壓器、保護電阻、高壓套管、過流保護回路組成，其原理如圖3所示。

圖3 高壓系統原理

由于污閃現象是一個循序漸進的過程，由表面持續放電、橋接至最后貫通，進行污閃試驗時要求高壓設備應能夠承受較高的短路電流（Isc），其中短路電流和最高泄漏電流脈沖應滿足：

式中：Isc為短路電流方均根值，Ihmax為泄漏電流峰值。根據現場測試經驗，選擇變壓器容量為500 kV·A，最高輸出電壓為120 kV。

按照GB/T 4858—2004《交流系統用高壓絕緣子人工污穢試驗》規定：試驗電壓的波形為正弦波，頻率為45～55 Hz，在試驗電壓下短路電流應不小于10～15 A（方根平均值）；電阻與電抗之比（R/X）等于或小于0.1；電容電流與短路電流之比應在0.001～0.1范圍內。根據參數要求，最終選擇整個高壓系統的系統阻抗小于20%，系統阻抗以電抗值為主，電阻值為輔，試驗變壓器X/R≥10，且回路中應有適量的電容電流。

2.2 起霧系統

該系統主要模擬現場起霧環境，目的是通過起霧系統對受污絕緣子表面進行濕潤。霧室中安裝一定數量的噴霧裝置，噴霧裝置利用壓縮空氣對鹽溶液進行霧化，從而模擬絕緣子處于大霧環境中。為了保證設備的耐久性，噴霧裝置及噴嘴選用耐腐蝕的鋼管材質。噴霧裝置分空氣噴嘴及溶液噴嘴，按照GB/T 4585—2004要求，溶液噴嘴內徑為2.0 mm，空氣噴嘴內徑為1.2 mm，噴嘴的外徑均為3.0 mm。為了保證溶液能夠充分霧化，空氣噴嘴和溶液噴嘴中心軸線應處于同一水平面，最大偏差不超過0.05 mm。

噴霧裝置應與絕緣子平行且分布于絕緣子左右兩側，不同安裝方式的絕緣子對應噴霧裝置不同的排列方式。絕緣子按照接觸網實際工況的斜腕臂安裝。噴霧裝置之間的間隔控制在0.6 m，且噴嘴距絕緣子的軸線垂直距離為3 m，噴嘴方向180°可調。除此之外，最外側噴嘴距離絕緣子端部垂直距離應大于0.6 m，其中每一個縱列的噴霧裝置數量N可以按照下式計算：

式中：H為絕緣子長度，m。

通過空氣壓縮機控制噴霧裝置噴嘴的空氣壓強為700 kPa，溶液噴嘴的溶液流量為0.5 dm3。對于污穢室的試驗溫度應控制在5～40 ℃，且與溶液噴嘴噴出的氯化鈉溶液溫差不超過15 ℃。

2.3 泄漏電流測試系統

泄漏電流測試系統主要由高精度電流傳感器、濾波保護回路、模數轉換回路、采集回路、測量分析軟件組成。在進行人工污穢試驗時，絕緣子和整個測試系統串聯連接，泄漏電流通過電流傳感器采集，然后通過濾波、模數轉換回路將信號傳輸到計算機中，利用測量分析軟件對信號進行處理分析顯示，并實時在線監測。應用軟件包括客戶端程序和服務器程序。通過客戶端程序可以對數據采集卡進行參數配置，包括采用率、采用時間、存儲時間等。服務器程序具體功能包括用戶登錄與管理、數據接收和實時顯示、通信管理以及數據存儲、回放、分析及報告生成等。泄漏電流測試流程詳見圖4。

圖4 泄漏電流測試流程

測量分析軟件通過調節采樣率實現不同的采樣點，并對提取的特征參數（泄漏電流瞬時脈沖、脈沖最大值、周期內電流有效值、基波電流、波形畸變率等）進行分析及繪制擬合曲線。除此之外，該軟件還能夠控制高壓的輸出，包括電壓峰值的精確控制、調壓速度、耐壓時間、波形的顯示方式，變壓器及調壓器的輸入輸出狀態等。系統界面如圖5所示。

圖5 泄漏電流測試系統界面

3 結語

絕緣子污閃產生的過程是一個電場、磁場、熱場、氣流場交合作用的復雜過程，再加上高速列車運行過程中碳滑板產生的粉末分布不均，沿海鐵路絕緣子表面的附鹽密度的不斷變化，使得污閃出現的規律更加難以摸索。

經過現場調試及試驗，本文所述電氣化鐵路接觸網用絕緣子污閃測試系統可以按照GB/T 4585—2004及IEC 60507標準進行人工污穢耐受試驗、污閃電壓試驗、泄漏電流測試。通過試驗測試的數據能夠找出附鹽密度和絕緣子污閃電壓的關系、不同積污條件對絕緣子閃絡電壓的影響、受污條件下絕緣子泄漏電流的分布規律等，為該領域的研究提供試驗手段，為解決電氣化鐵路接觸網絕緣子污閃問題奠定基礎。