关于分段绝缘器运行问题的探讨

苗为民,李勇力

(1 中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081;2 北京铁路局北京供电段,北京100039)

分段绝缘器是接触网的电气分隔装置。它将同一相供电的接触网分隔成几个独立的供电范围,为机务整备和车务装卸提供作业条件。当设备检修或发生故障时,能够缩小停电范围,减少对运输的干扰。广泛应用在编组场、机务整备场、客运枢纽和双线电气化铁路。

分段绝缘器由导流滑道、绝缘元件、接头线夹和悬吊装置等零部件组成,其原理与绝缘锚段关节类同,结构就是绝缘锚段关节的变形和空间体量的缩小。按绝缘元件的接触形式划分,分段绝缘器分为滑道式和非滑道式两种类型。滑道式分段绝缘器系指绝缘元件全部或部分同时作为滑道的分段绝缘器,运行时电力机车受电弓与其直接接触;非滑道式分段绝缘器系指绝缘元件不作为滑道的分段绝缘器,运行时电力机车受电弓不与其直接接触。

在接触网的悬挂设备中,分段绝缘器有最大的集中荷载,其整体(包括承力索隔断绝缘子)质量超过同等长度的接触网数倍。在有限的空间内,集合接头线夹、导流滑道和绝缘元件等刚性部件,悬挂弹性肯定不如柔性较大的线索结构。由于接触网的运行条件比较苛刻,目前还没有一种形式的分段绝缘器能够满足体积小、质量轻、绝缘可靠、过渡平滑的要求。在自然环境、行车速度、受电弓压力和线路条件等因素的综合作用下,分段绝缘器始终处于被动应付状态。随着列车速度和接触网张力的提高,受电弓结构和滑板材料的革新,分段绝缘器的运行状态以及与受电弓的匹配受到越来越多的关注。

1 运行标准和工作条件

铁道部在《接触网运行检修规程》[2]中,规定了分段绝缘器的运行条件、绝缘部件的清扫周期和应达到的技术状态。

(1)运行条件

分段绝缘器自身的运行条件是“不应长时间处于对地耐压状态,尤其在雾、雨、雪等恶劣天气时,应尽量缩短其对地的耐压时间”。

由于分段绝缘器安装于线路正上方,在各种因素的共同作用下,其绝缘元件的运行条件显然不如作为线路悬挂和支持装置使用的绝缘子,特别是主绝缘直接与受电弓滑板接触的滑道式分段绝缘器,其运行条件更为苛刻。污染和电弧会使分段绝缘器的主绝缘首先遭到破坏,导致电气、机械性能下降,从而不能经受过电压的冲击。因此,在恶劣的气象条件下,分段绝缘器对应的另一侧停电或接地时,绝缘元件发生故障的几率较高。

(2)机车污染

目前,电力机车和动车组普遍使用装配碳滑板的DSA型受电弓,或在装配粉末冶金滑板 TSG、LV型受电弓上加装固体润滑条。受电弓通过分段绝缘器时,碳滑板或固体润滑条会与滑道式分段绝缘器(如菱形)的绝缘滑道及非滑道式分段绝缘器(如GSM)绝缘靴的底面直接摩擦,并在摩擦面上形成一层致密的碳膜。试验证明,在干燥状态下,附着碳膜的菱形分段绝缘器的绝缘滑道仍呈现较高的电阻值,能够耐受90 kV的交流电压,但在表面淋水潮湿的状态下,其绝缘表面会放电,产生烧灼痕迹甚至击穿。GSM分段绝缘器的绝缘靴,在干燥状态下都不能承受接触网的额定电压。因此,附着碳膜的绝缘摩擦面应及时清扫,并避免在大雾、小雨以及雨雪交加、表面凝露结霜的天气时承受对地电压。

混合牵引区段,蒸汽和内燃机车在分段绝缘器下方通过或停留时,废气也会造成绝缘元件污染,导致工作条件恶化。

(3)大气污染

铁路运输沿线工矿企业产生的废气、粉尘,是接触网绝缘元件的重大污染源。铁路机车在运行时,内燃和蒸汽机车排放的废气和电力机车受电弓滑板摩擦产生的碳粉也会直接污染分段绝缘器。

在接触网的强电场下,大气中滞留的悬浮颗粒物(气溶胶)被吸附在分段绝缘器上,致使绝缘元件的表面形成污秽层。污秽层遇到大雾、小雨以及雨雪交加、凝露结霜的天气时,其中所含的离子化合物(可溶性盐类)溶于水膜会形成离子电导,使绝缘元件表面流过较大的泄漏电流。污秽层电阻较高的区域被泄漏电流的热效应烘干形成干带,局部电压集中形成高场强,从而引起干带上空气击穿和泄漏电流的脉冲。干带上出现的放电与未烘干的污秽层电阻串联,串联电阻较低而泄漏电流脉冲较高时,绝缘元件表面会出现游离放电现象。放电初始仅发生在局部,但放电点产生的高温会导致高分子绝缘材料裂解,长时间会形成树枝状碳化通道(图1)。电火花和电弧中的带电粒子沿着碳化通道扩散、迁移、逐步贯通,最终导致绝缘元件击穿。

滑道式分段绝缘器(菱形)的绝缘滑道为(1 400 mm～1 740 mm)×33 mm×10 mm的条状体,尽管其爬电距离较长,但污闪电压显然不如等值伞状的绝缘元件。绝缘滑道在污秽、潮湿的状态下,会显著降低沿面闪络电压。严重时能降低到清洁表面闪络电压的10%以下。被大气污染、出现碳化通道的绝缘滑道往往在大雾、小雨以及雨雪交加、凝露结霜的天气下,承受对地电压或出现较大的牵引负载时,演变为严重的绝缘故障(图 2)。

(4)电弧的形成及其危害

由于分段绝缘器两端的线路阻抗不可能均等,接触网的电压也会随牵引负载波动,所以运行中的分段绝缘器两端存在着上百乃至数千伏的电位差。

受电弓通过分段绝缘器时,其滑板导通分段绝缘器的导流滑道,取流点转换的瞬间,相当于电路闭合→打开的过程。如果分段绝缘器两端的电位相等,受电弓滑板与分段绝缘器导流滑道之间的接触电阻足够小,则受电弓平滑通过。如果分段绝缘器两端存在电位差,电力机车不取流时,其转换过程只是电位的瞬间转移;电力机车取流时,其转换过程相当于带负荷打开电路,导致发生程度不同的电弧。

除电位差和负载原因之外,受电弓与分段绝缘器之间产生电弧的另一个重要因素是接触电阻,而接触电阻取决于两者的材料性质和运行状态。

分段绝缘器的接头线夹和导流转换部位是弓网过渡的关键点,其中接头线夹是产生冲击的源头(图3)。冲击会引起受电弓与分段绝缘器之间的接触压力出现波动,进而导致受电弓滑板与分段绝缘器的导流滑道分离,分离的同时接触电阻增大,机车取流的巨大能量导致局部温度陡增,并随之产生电弧;振动波的传导使导流转换部位的工况恶化,进一步加剧了电弧的伤害。

受电弓与分段绝缘器同为框架结构,相互间的多点接触、受电弓滑板的几何尺寸以及运行中的磨耗,都有可能造成取流部位的架空或虚接。电力机车或动车组在分段绝缘器下方取流时,被架空或虚接的取流部位接触电阻增大,从而导致产生电弧。炽热的电弧作用于不动的取流部位,其后果可想而知。另外,电力机车通过分段绝缘器进入接触网无电区都会造成烧伤导流转换部位和绝缘元件(图4)。

电弧是高温高导电率的游离气体,相当于纯电阻性的发热元件,其弧柱具有6 000 K以上的温度,超过所有材料的熔点。在接触间隙充满金属蒸气的条件下,可在10-3s以内就形成电火花,大量的电火花汇集成电弧,弧柱所及部位会发生熔融、裂解、气化,并留下永久痕迹。其中,以滑道式分段绝缘器(菱形)绝缘滑道的连接部位、取流及取流转换部位烧损最为严重。多次、反复的电弧烧灼导致绝缘滑道表面碳化(图5)、导流滑道局部变色(图5)和连接零件烧损(图6),机电强度急剧下降,直至发生“断线”(图 7、图 8),引发弓网故障。此外,电弧的飘移还会将分段绝缘器的消弧角隙烧伤、烧熔,甚至烧断悬吊装置(图9)。

2 检修标准与技术状态

分段绝缘器的检修,分为绝缘部件清扫和技术状态调整两方面。

(1)绝缘部件清扫

《接触网运行检修规程》中关于“绝缘部件清扫”的规定是分段绝缘器“3～6个月”。但“对一般污区和重污区范围(管理群)的界定,由供电设备管理单位根据运行实际确定(不受原设计污区的限制)。对个别污染严重区段,要视具体情况缩短清扫周期。”。由于分段绝缘器清扫需要停电的范围较大,受运输条件限制,清扫周期往往被拖延甚至落空。

(2)分段绝缘器的位置

《接触网运行检修规程》在“接触网维修技术标准”中规定分段绝缘器“应位于受电弓中心”,但是,牵引供电部门只能依据轨道调整分段绝缘器的“位置”,而受电弓在运行中,其中心不可能与线路中心保持一致。因此,处于静态的分段绝缘器也不可能位于动态的受电弓中心,只能被动适应受电弓在运行中的摆动。《铁路电力牵引供电设计规范》[3]中规定,运行中受电弓的左右摆动量按200 mm计算;《接触网运行检修规程》中规定,120 km/h及以下区段,受电弓动态左右摆动量为200 mm。随着机车运行速度的提高,受电弓的摆动量肯定还会加大。以滑道式分段绝缘器(菱形)为例,按120 km/h及以下区段计算,1/2绝缘器宽度+位置偏差+受电弓摆动量,其外侧滑道已经处于受电弓滑板工作范围的边缘,这还未将接触线的拉出值计算在内。

(3)水平与位置的关系

接触网在日常检修中,检修人员往往对分段绝缘器的“水平”比较重视,而忽略了“位置”。这是因为“水平”可以直接利用工具或仪器进行测量,轨面就是处于静态的参照物,而“位置”的标准参照物是受电弓,检修人员只能通过轨道间接验证“位置”是否处于受电弓中心,动态位置只能凭借肉眼观察。况且,水平误差10 mm与位置偏差100mm孰重孰轻,检修人员显然偏重10mm的测量要求。

由于分段绝缘器的宽度不同,其导流滑道距离受电弓中心约150～280 mm。如果分段绝缘器的安装位置受定位拉出值和线岔交叉点制约,整体偏向受电弓滑板的一侧,其外侧滑道就有可能超出受电弓滑板的工作范围(图10)。

图1 树枝状碳化通道

图2 绝缘污染引发的故障

图3 接头部位成为硬点

图4 电力机车进入无电区烧伤的分段绝缘器

图5 绝缘滑道被电弧灼伤碳化

图6 被烧损的连接部位

图7 烧伤的导流滑道和烧断的绝缘滑道

图8 取流烧断的导流滑道

图9 GSM分段绝缘器被烧断的吊索

图10 分段绝缘器偏离受电弓中心

仍以滑道式分段绝缘器(菱形)为例,其桥绝缘处的宽度为565 mm。在接触线定位点附近安装时,其中心(桥绝缘处)距离定位点 3 m,假如定位拉出值为300 mm,按静态条件计算,受电弓滑板1/2的工作宽度为625mm,桥绝缘处连接件的外侧距离受电弓中心565/2+300=582.5mm,已经处于受电弓滑板工作宽度的边缘,这还不包括受电弓运行的摆动量。按1/2绝缘器宽度+定位拉出值+位置偏差+受电弓摆动量计算,桥绝缘处连接件的外侧距离受电弓中心为882.5mm,已经超出受电弓滑板257.5 mm,分段绝缘器将出现单边受流现象,受电弓通过绝缘滑道时相当于带电闯分相,必然出现严重的拉弧现象,烧毁绝缘元件(图11)。因此,分段绝缘器要先位于受电弓中心,“滑道平行于轨面”才有实际意义。再者,运行中的受电弓中心也不可能与线路中心保持重合,所以,接触线定位点的拉出值以0mm为宜,分段绝缘器位于受电弓中心的误差也不宜超过30mm。

(4)关于“过渡平滑”

《接触网运行检修规程》在“接触网维修技术标准”中规定分段“绝缘器导线接头处过渡平滑”。

其实,分段绝缘器上还有一个更需要过渡平滑的部位,就是受电弓滑板取流时通过的转换点。

电力机车或动车组在运行中,受电弓不间断地沿接触线取流。受电弓通过分段绝缘器平行交互部位时,滑板的取流点瞬间位移。此时,分段绝缘器两导流点应与受电弓滑板平行才能保证过渡平滑。但是,两者的平行关系不能完全决定于分段绝缘器,受电弓的摆动和滑板的磨耗都会引起过渡不平滑,冲击和振动还会加剧这种后果。

因此,日常巡视要格外注意受电弓通过分段绝缘器的取流情况,发现拉弧或听到异常响声应查明原因并采取相应措施。

(5)悬吊装置与水平

分段绝缘器的调整,还应重视两端接触线的线面,接触线的线面偏转直接影响滑道的技术状态。分段绝缘器悬吊装置的主要用途是调整悬挂高度,运行中要保持受力均衡。如果接触线的线面不正,单凭悬吊装置将分段绝缘器调至水平状态,分段绝缘器会在受电弓的工作压力下发生轴向旋转。对于非滑道式有断口的分段绝缘器,这是非常危险的运行状态。

3 设计、组装与现场安装

《铁路电力牵引供电设计规范》[3]和《铁路枢纽电力牵引供电设计规范》[4]中,对横向和单独电分段的设置只有原则性的规定,但对采用何种电分段形式、电分段装设的具体位置则没有针对性的要求。《铁路电力牵引供电施工规范》中,也没有考虑安装位置对运行安全的影响。从以往的分段绝缘器故障中,以下几方面应引起有关方面的注意。

(1)分段绝缘器的位置

分段绝缘器的位置应考虑电力机车停车取流对运行安全的影响,特别是有直接供电列车和动车组停靠的车站更应引起关注。在可能的条件下,分段绝缘器的位置应尽量靠近停车标志或信号机,这样可以使电力机车和动车组的停车位置避开分段绝缘器,还能避免内燃、蒸汽机车排放的废气污染绝缘部件。

在接触线定位点附近设置分段绝缘器,应优先考虑分段绝缘器的位置,然后选择定位拉出值,确保分段绝缘器位于受电弓中心。同理,在渡线上安装分段绝缘器,也不能只顾及线岔交叉点而忽略分段绝缘器的位置。

(2)分段绝缘器的组装

国产分段绝缘器基本为整组散件装箱发运。产品装箱前,生产厂应对每一个部件进行检查、试验,在平台上进行预组装并通过例行拉力试验,确认全部合格方可出厂。现场组装应选择平整场地,按照先中间后两端(侧)的顺序进行。各部件连接后,检查平直度,无误后按规定紧固螺栓。分段绝缘器在整组吊装时应保持重心平衡,防止冲撞发生变形,必要时可用通直方木临时绑扎,吊装到位后拆除。

(3)分段绝缘器的现场安装

在现场安装分段绝缘器时,关键工序在接头部位,接触线终端的揻弯应借助专用工具一次到位,切忌反复弯折,影响接头的平直度。接头线夹与导流部件连接时,应根据不同型号接触线的高度进行调整,使导流部件的底面与接触线的底面处于同一高度,以保证过渡平滑。对导流转换部位进行调整时,应使垂直和纵向两个方向的测量点均保持与轨面平行。对悬挂高度进行调整时,可借助拉力弹簧秤模拟受电弓的静态工作压力,在规定的受电弓压力下,悬吊装置应受力均衡无松弛现象,接头线夹处的高度还应略高于两侧的吊弦点。此外,还应关注承力索相对于分段绝缘器的位置。如果承力索偏离线路中心或不在接触线正上方,会造成分段绝缘器处的悬吊装置长度不均。当温度变化时,线索的热胀冷缩会导致分段绝缘器受力不均,对水平状态产生不利影响。

(4)现场安装位置的结构高度

分段绝缘器现场安装位置的结构高度,应不小于消弧角隙高度+空气绝缘间隙+受电弓动态抬升量,并留有适当的裕度,为减轻悬挂质量,承力索的电气隔离应尽量选用复合绝缘子。

4 弓网匹配

分段绝缘器是接触网的重要设备之一,由于不同的结构形式,使其具有不同的取流转换方式。受电弓要想在动态运行中平滑地完成取流点的转换,不仅取决于分段绝缘器的结构、技术状态,更需要受电弓与分段绝缘器的良好匹配。列车速度和接触网张力的提高,弓网匹配显得更加重要。

牵引供电系统为满足行车速度和取流的要求,一直在致力寻求改善弓网关系的途径。受电弓结构和滑板材料的每一次革新,也都会引起分段绝缘器的适应问题,其发展步伐往往滞后于受电弓。而且,现有任何一种形式的分段绝缘器均不能适应所有型号的受电弓。

(1)受电弓的特性和运行现状

目前国内运用的受电弓有TSG、LV、DSA等几种型号,均为单臂式受电弓,是在法、日、德等国家产品的基础上演变发展而来的。

单臂受电弓的整体可以用“宽肩、细腰、独腿”来形容,宽而细长的滑板受到偏向一侧的冲击,轻则留下击打痕迹,严重时会导致弓头托架变形和滑板折断(图12、图13)。目前广泛使用的DSA系列受电弓,弓头自由度较大,其运行方向前后旋转的幅度可以达到±60mm,对于改善受流质量,其作用毋庸置疑,但通过非滑道式有断口的分段绝缘器时存在一定风险。如果运行方向的前滑板在分段绝缘器的接头部位受到冲击向下旋转,后滑板同步抬升,极有可能在断口处发生剐碰。若剐碰程度达不到自动降弓装置(ADD系统)动作的条件(滑板未断裂泄压),被剐坏的受电弓继续前行至线岔或锚段关节附近时,将会扩大为严重的弓网故障。

电力机车通过渡线上的分段绝缘器,要经过导曲线和辙叉芯,由于轮轨间的游动间隙和通过时产生的振动,特别是转向架以及受电弓各绞接关节的旷动量较大时,使受电弓的摆动量增大。此时,分段绝缘器的工作条件最差,后果也难以预料。

(2)分段绝缘器的特性和运行现状

我国铁路电气化起步时,接触网的横向分区绝缘为三线的分区绝缘器。三线式分区绝缘器的距离长,导流转换在跨中。受材料、技术和线路条件的制约,逐步被器件式分段绝缘器所取代。器件式分段绝缘器的发展,主要是绝缘材料、结构形式和制造工艺的革新。当前生产、使用的分段绝缘器基本沿用国外引进产品,并在引进产品的基础上改进。滑道式分段绝缘器以菱形分段绝缘器为代表;非滑道式分段绝缘器还有断口和无断口之分,有断口的以GSM 、AF、SIEMENS分段绝缘器为代表;无断口的为德国Adtranz产品。

分段绝缘器运行的基本要求是过渡平滑和绝缘可靠。受电弓通过分段绝缘器,引发弓网冲击的主要因素是分段绝缘器的质(重)量和结构,关键点在于接头和导流转换部位。在现有的条件下,降低和分散分段绝缘器质(重)量的难度较大,只能从空间结构形式和导流转换方式上着手。

分段绝缘器的导流转换多为交互式,交互部位与受电弓滑板之间的接触电阻以及交互部位之间的电位差直接关系到取流质量。其中,不能忽视导流滑道直线距离对弓网过渡状态的影响。也就是说取流点位移的距离直接关系到取流质量。导流滑道之间的距离越大,与受电弓保持平行的难度越大,取流质量越差。

分段绝缘器的可靠性在很大程度上取决于主绝缘的工作条件,滑道式分段绝缘器(菱形)的主绝缘直接与受电弓滑板摩擦,电力机车或动车组通过时,绝缘滑道的有效绝缘长度必然被受电弓滑板分割、短接,靠近金属连接部件被分割、短接的绝缘滑道要承受接触网的工作电压或较高的电位差。在速度较低、电流较大的牵引工况下,会引发持续的电弧,产生严重的烧熔(图5、图6),甚至烧断(图7)。非滑道式分段绝缘器(GSM、AF等)虽然采用空气绝缘间隙,但位于导流转换部位的主绝缘,也经常是电弧光顾的重点(图22)。

非滑道式分段绝缘器(GSM、AF等)采用空气绝缘间隙,导流转换部位的结构设计为交互式断口。由于受电弓通过分段绝缘器的过程中可能会产生冲击和振动,其断口部位就会成为妨碍受电弓滑板通过的有害空间(图14～16)。

GSM分段绝缘器在两侧空气绝缘间隙部位设置绝缘靴(热靴)辅助受电弓过渡,绝缘靴一是占据空气绝缘间隙的空间,二是被碳滑板污染后,直接影响主绝缘的电气性能。另外,绝缘靴通过支架固定在主绝缘上,在受电弓的工作压力和冲击下发生断裂会导致绝缘靴脱落(图17),进而受电弓侵入空气绝缘间隙引发弓网故障。

AF分段绝缘器的导流滑道较长,安装、调整难度较大,悬吊、支撑部件对其技术状态的影响较大,受到冲击也容易变形(图18)。

Adtranz制作的分段绝缘器虽然定义为非滑道式,但是其导流转换部位汇交于同一平面,纵向没有断口。主绝缘在运行中与受电弓滑板保持固定间隙,避免了碳粉直接污染。由于主绝缘采用瓷质绝缘子,其整体质(重)量高于其它形式的分段绝缘器,在运行过程中曾出现过闪络炸裂的事故。另外,Ad tranz产品的安装位置需考虑列车运行速度,当列车通过速度≥80 km/h时,分段绝缘器的安装方向要顺从列车的运行方向。

(3)分段绝缘器与受电弓的匹配

受电弓通过分段绝缘器,滑板与分段绝缘器滑道同步接触是平滑过渡的先决条件,其受流质量不仅取决于受电弓的静态压力和跟随特性,还与分段绝缘器的结构形式密切相关。

《接触网运行检修规程》在“接触网维修技术标准”中规定分段绝缘器的“滑道应平行于轨面”,但是“滑道应平行于轨面”不等于滑道平行于受电弓的滑板,受电弓的滑板也不可能平行于分段绝缘器的滑道,这是由于滑板的形状和磨耗状态决定的。DSA系列受电弓采用整体碳滑板,其滑板相对于轨面连线是一个R9 000 mm±1 000mm的弧形,在分段绝缘器的宽度范围内,呈弧形的滑板矢高约为4～5 mm,新滑板会向上侵入分段绝缘器。整体碳滑板中心的截面高度为38.5 mm±1 mm,允许磨耗至23 mm时更换(Z字头列车和动车组为26mm)。也就是说,碳滑板的磨耗深度可以达到12.5～15.5mm,这已经超过了分段绝缘器平行误差不超过10mm的要求。磨耗接近到限的滑板,其两端高于滑板中心部分,近似为弓形,即使磨耗对称,通过非滑道式有断口的分段绝缘器也具有一定的风险。

不同型号的受电弓,其滑板的间距不一,最大间距为580 mm。间距扩大的同时也导致跨接分段绝缘器的范围扩大,无形中增加了相互平行的难度。

非滑道式有断口的分段绝缘器,其导流滑道的断口与受电弓中心的直线距离约150 mm。若分段绝缘器的底面与轨面垂直方向不平行(俗称侧棱),导流滑道的断口将与受电弓滑板发生冲击;若非滑道式有断口的分段绝缘器偏向受电弓一侧,其导流滑道的断口距离受电弓中心可能超过500 mm,如果受电弓滑板的磨耗接近到限,再与导流滑道的断口发生冲击,弓头将在杠杆作用下扭转、翘起,进而剐坏分段绝缘器和相邻的接触网,酿成严重的弓网故障。

受电弓在接触线上取流是两点一线,但通过分段绝缘器时,滑动接触点不仅加倍,而且运行轨迹会发生突变。以AF分段绝缘器为例,其纵向的空气绝缘间隙达到300 mm时,长度相当于TSG系列受电弓弓头的宽度,DSA系列受电弓的滑板也能够同时置于主绝缘两侧的空气绝缘间隙中。即使分段绝缘器和受电弓滑板的技术状态都在允许的范围内,受电弓在左右2个空气绝缘间隙和4个导流接触点中交互位移,接触重心的变换也不可能不产生振动。如果有一方的技术状态不良,剐碰在所难免。

另外,电力机车或动车组连续通过两架及以上分段绝缘器,以及重联并同时升弓通过分段绝缘器,对于两者的运行状态都是一个考验,如果冲击引起的振动达到共振的条件,受电弓首当其冲,特别是遇到非滑道式有断口的分段绝缘器将直接酿成严重的弓网故障。

(4)分段绝缘器的选型

图11 单边受流烧断的绝缘滑道

图12 弓头托架变形

图13 冲击偏向一侧导致滑板折断

图14 GSM分段绝缘器导流滑道的断口与ASD受电弓滑板的接触状态

图15 GSM分段绝缘器滑道断口被撞击的痕迹

图16 滑板条被AF分段绝缘器断口撞击的凹坑

图17 固定支架断裂,绝缘靴脱落

图18 导流滑道撞击的痕迹

过渡平滑和绝缘可靠是分段绝缘器选型的基本原则,选择的要点是导流转换的结构和绝缘元件的材质。其中“过渡平滑”不能局限在导线接头部位,更重要的还有电流转换部位,其平滑与否会直接关系到取流质量。滑道式(菱形)分段绝缘器为闭口结构,从外形看不易引发弓网故障。在受电弓普遍使用粉末冶金滑板的时期,绝缘滑道的耐磨性是衡量弓网匹配的重要指标,固体润滑产生的碳粉尚未构成严重威胁。整体碳滑板问世后,碳粉导致的绝缘污染凸显,已经成为滑道式(菱形)分段绝缘器很难逾越的关口。在电力机车和动车组普遍使用整体碳滑板的今天,接触网必须设置分段绝缘器的部位,应首选非滑道式分段绝缘器,其中以导流转换结构为平面汇交方式的为好。非滑道式有断口的分段绝缘器,其纵向空气绝缘间隙为交互布置,在动态条件下,有可能成为受电弓通过的有害空间,建议慎重选用,特别是在DSA型受电弓运行的区段。另外,绝缘可靠的基础离不开材料,但对绝缘材料的特性也应一分为二,聚四氟乙烯材料的不粘附特性使得不同材料的结合部往往由于“密封”成为绝缘故障的源头。

5 材料特性与运行条件

分段绝缘器是由不同材料组合的接触网设备,具备绝缘和导流双重功能,在运行中同时承受电气和机械负荷,其可靠程度不仅取决于材料特性,还受运行条件的制约。目前使用的分段绝缘器,其绝缘元件由玻璃钢、聚四氟乙烯和硅橡胶等高分子材料复合而成,导流元件的材料基本为铜及其合金。

(1)玻璃钢

玻璃钢是环氧树脂与玻璃纤维经拉挤或缠绕工艺成型的高分子复合材料,具有优良的电绝缘性能,比强度高,能够承受电气和机械双重载荷,是分段绝缘器首选的主绝缘材料,主要用于滑道式分段绝缘器的绝缘滑道以及绝缘元件的芯棒。但是,树脂的热变形温度低,耐老化性能差,而且只能耐受瞬间高温。

固化后的环氧树脂也会产生热变形,如果分段绝缘器所处的环境温度超过了环氧树脂的热变形温度,会导致环氧树脂与玻璃纤维的粘接界面产生热应力,热应力一旦超过结合强度就会发生界面破坏。即使分段绝缘器的预加负载不发生变化,也会导致应力集中部位出现层束间剥离,连接部位拉脱,造成不可避免的机械破坏(图19)。

试验表明,在规定的预加载荷下,当滑道式分段绝缘器(菱形)绝缘滑道的温度≥80℃时,其机械强度逐渐衰减,到150℃时,机械载荷只能达到4.5 kN(表1)。所以,玻璃钢的长期使用温度不能超过60℃。

图19 绝缘滑道被内燃机车的废气熏烤后拉脱

图20 包覆层收缩产生的缝隙

图21 玻璃钢芯棒的碳化通道

图22 主绝缘击穿

图23 包覆层爆裂

图24 导流滑道脆断,断口氧化

图25 取流烧断的导流滑道,局部发生变色、断口产生塑性变形

表1 滑道破坏载荷随温度变化的试验数据

内燃机车涡轮增压器的入口温度约600℃,排气口温度约400℃。如果内燃机车在分段绝缘器下方起动或发动机怠速运行时,排出的废气直接喷向分段绝缘器,分段绝缘器极有可能受到150℃或更高温度的熏烤,促使其机械强度下降而发生拉脱事故。

(2)聚四氟乙烯

聚四氟乙烯主要用于分段绝缘器主绝缘的包覆层,其芯棒为玻璃钢,两端连接金属接头,包覆层插接于金属接头中。虽然聚四氟乙烯具有优良的介电性能,但是氟—碳链分子间的作用力极低,不粘附于任何物质,这使得聚四氟乙烯包覆层不能与玻璃钢芯棒浑然一体,金属接头的插接部位也不可能天衣无缝。玻璃钢芯棒承受接触网张力后,其热胀冷缩受到钳制,但聚四氟乙烯包覆层的收缩会导致插接部位出现缝隙(图20)。在江南水乡和东南沿海以及雨季,空气中的导电离子伴随着水分子沿缝隙渗透、扩散,成为主绝缘的运行隐患。玻璃钢芯棒被污染后,泄漏电流增大导致主绝缘内部放电,玻璃钢芯棒表面出现碳化通道(图21),随着碳化通道的延伸、扩展,玻璃钢芯棒的绝缘性能急剧下降。由于放电发生在主绝缘内部,外观检查不易发现,待电腐蚀穿透聚四氟乙烯包覆层时,主绝缘已经击穿(图22)[3]。另外,聚四氟乙烯不吸水,透气性极低,所以,电弧产生的高温会导致侵入的空气和水分子膨胀,严重时包覆层会爆裂(图23)。

(3)导流滑道

电力机车或动车组在分段绝缘器下方启动、停留时,电流和接触电阻的作用使得导流滑道的温度上升,当热效应达到一定程度时,相当于对导流滑道进行热处理,但加热的时间、温度和冷却速度又不等同于热处理。当温度超过金属的再结晶温度,其内部的组织和结构会随之改变,金相组织也会由晶格体转变为铸造体。如果温度高,作用时间短,冷却速度快,导流滑道内部将产生类似于淬火的内应力,承受接触网张力的导流滑道容易发生脆断或拉断(图24、图25)。如使用铜锌合金制造的导流滑道,当受热温度超过α+β→β的临界转变点,就会失去α相对β相晶界迁移的机械阻碍作用,形成粗晶,力学性能将显著下降。不锈钢的电阻率较高,散热性较差,用其制作导流滑道,不仅增大了与受电弓滑板的接触电阻,也加剧了电气磨耗。

相对于受电弓滑板,分段绝缘器的导流滑道应选用导电率较高的金属(如银铜合金),导流截面应略大于接触线。不仅接触电阻相应降低,也增大了散热功率,机械强度亦能保持一致。

6 认识的误区

在行业标准、产品说明书以及日常检修中,由于各自所处的角度不同,使某些概念的宣传和理解出现偏差,导致了一些认识上的误区。

(1)消弧

TB/T 3036-2002《25 kV电气化铁道接触网用分段绝缘器》[5]中关于“消弧”有如下规定:消弧角隙可自行切断由于受电弓通过该消弧分段绝缘器时所产生的电弧。消弧分段绝缘器滑道和绝缘元件不得因此产生电弧烧伤及烧损。

根据“消弧”的定义,在压差10 kV、电流 500 A、cosφ=0.3的条件下进行试验,取得了消弧时间小于2 s的结果,解决了受电弓短接和复原分段绝缘器导流滑道过程中的熄弧问题。所以,对于“消弧”的正确理解应该是“消弧”范围仅限于受电弓取流转换时由于电位差产生的电弧,最佳消弧效果也只能在符合试验条件的前提下出现。

由于现场条件错综复杂,产生电弧的原因多种多样,消弧范围必然受到条件限制,所以消弧角隙的“消弧”效果不可能等同于试验结果;本身没有消弧装置的主绝缘,其闪络、击穿时的电弧也只能靠自然熄灭;接触电阻、短路等原因产生的电弧更不能指望由消弧角隙熄灭。

滑道式分段绝缘器(菱形)的桥绝缘子位于两导流滑道之间,消弧角隙在引开、吹断受电弓短接两导流滑道产生的电弧时,也同时保护了桥绝缘子。但是,绝缘滑道不受消弧角隙的保护,其邻近导电部分的两端往往容易被电弧灼伤(图5～图7)。

(2)阻燃

在TB/T 3036-2002《25 kV电气化铁道接触网用分段绝缘器》中,关于“表层材质耐弧性”有“≥180 s”的要求。厂家在组方中添加阻燃成分,使得滑道式分段绝缘器的绝缘滑道具有一定的阻燃性能。阻燃试验用的火源是本生灯,阻燃作用的发挥是在绝缘滑道起火并移开火源之后。电弧作用的时间虽短,但能量大,温度超过本生灯数倍,起火速度不言而喻。如果阻燃成分分解殆尽,在电弧的高温作用下,绝缘滑道就会发生由高分子化合物向低分子化合物转变的化学过程(热裂解)。而且,反应速度还会随温度的升高而增加。随着温度的再升高,则会发生碳化反应,绝缘滑道就会起火燃烧。

(3)有效绝缘长度(爬距)

铁道部在《接触网安全工作规程》[1]中关于“V形天窗作业”有如下规定:不同馈线供电设备间的分段绝缘器其主绝缘爬电距离不小于1.2 m。TB/T 3036-2002《25 kV电气化铁道接触网用分段绝缘器》中关于“电气性能”要求是“爬电距离≥1 200mm”。在人工污秽(盐密0.4 mg/cm2)的条件下,分段绝缘器的耐受电压≥37 kV。也就是说,有严重污秽的分段绝缘器,不能承受过电压的冲击;爬距的延长,并不等于可以任意延长或取消绝缘部件的清扫周期。提高分段绝缘器的绝缘性能,不只是爬电距离的延长,还涉及结构、材质、工艺等方面,也有一个匹配的问题。

(4)空气绝缘间隙

在现行的《铁路技术管理规程》[6]和《接触网运行检修规程》中,没有针对分段绝缘器的空气绝缘间隙值作出规定,TB/T 3036-2002《25 kV电气化铁道接触网用分段绝缘器》中,关于分段绝缘器的空气绝缘间隙值取自《铁路技术管理规程》中“接触网带电部分至固定接地物的距离,不小于300mm”的规定。所谓的“固定接地物”,从字面上理解,显然不包含通过人为因素构成的接地。

由于器件式分段绝缘器的结构紧凑,绝缘元件所处的工作环境容易遭受污染,所以铁道部在《接触网运行检修规程》中规定分段绝缘器“不应长时间处于对地耐压状态,尤其在雨、雪、雾等恶劣天气时,应尽量缩短其对地的耐压时间,……”[1,2]。另外,《接触网安全工作规程》中规定,“遇有雨、雪、雾或风力在5级及以上恶劣天气时,一般不进行V形天窗作业。若必须利用V形天窗进行检修和故障处理或事故抢修时,应增设接地线,并在加强监护的情况下方准作业”。以上两条是基于产品特性对分段绝缘器所作的运行限制,也是保障作业人员安全的必要条件。

接触网的大气过电压由所设置的避雷器保护,《接触网安全工作规程》中又规定“雷电时(在作业地点可见闪电或可闻雷声)禁止在接触网上进行作业”,可知雷电冲击耐受电压的取值与人身安全无关,分段绝缘器的绝缘空气间隙只要满足操作过电压的条件即可。

电力机车的大气过电压保护,采用110mm的棒形放电间隙,在标准大气条件下,全波冲击放电电压达到90 kV。按照等效计算,220 mm的空气间隙即能达到雷电冲击耐受电压≥160 kV的标准。分段绝缘器作为带电体,只有在一端停电作业或出现故障时,存在临时接地体。所以,分段绝缘器的空气绝缘间隙,按照操作过电压3倍的幅值选取即可。所谓“危险”都是主绝缘被污染的结果,与220 mm的空气绝缘间隙没有必然联系。

由国外引进的所有种类的分段绝缘器,其空气绝缘间隙均为220 mm,这是欧盟的标准,与我国现行标准不一致。可是,试验结果和运行经验证明,分段绝缘器采用220mm的空气绝缘间隙完全可以满足运行要求。国内厂家对引进产品进行消化改进时,受国内标准的限制,空气绝缘间隙基本采用300 mm的标准。但是,空气绝缘间隙值的增加势必造成分段绝缘器形体的扩大,从而影响其运行的稳定性。加之没有考虑到弓网匹配关系,反而进一步恶化了运行条件,实际效果并不尽人意。

(5)静态测量与动态运行

发生故障后,供电部门往往说“静态测量数据合格”。殊不知,“静态测量数据合格”不等于动态运行良好。分段绝缘器在运行中以静待动,响声和电弧最能反映分段绝缘器的技术状态,不能通过间接检查发现的某些缺陷或隐患往往能在此时发现,可以说动态效果能够检验我们的认知和检修水平。

7 标准、规章和产品说明书的缺失

(1)工作温度

在接触网设备中,分段绝缘器的工作条件显然不如接触线。但TB/T 3036-2002的工作条件中,并没有分段绝缘器可以参照的工作温度。按道理,导流滑道的工作温度应等同于接触线,最高允许工作温度不宜超过95℃,绝缘元件的工作温度也应有标准可依。

(2)使用寿命

[5]中关于“工作条件”有“使用寿命≥15年”的规定。由于各种分段绝缘器的结构形式不同,绝缘材料和金属材料也存在特性差异。所以,滑道式与非滑道式分段绝缘器的使用寿命应有所区分,绝缘部件也应与金属部件区别对待。特别是滑道式分段绝缘器的绝缘滑道直接与受电弓接触,容易被电弧灼伤,应列为易损部件管理。

(3)导流滑道的截面积、材质

在参考文献[5]中,对导流滑道的截面积、材质没有规定,设计单位和生产厂家无标准可依,往往自行其是。导流滑道的材质应尽量与接触线一致或电阻率与接触线近似,截面积除满足机械强度设计的要求,载流能力不宜小于该区段接触网的设计标准。

(4)运行检修标准

铁道部《接触网运行检修规程》中关于分段绝缘器的要求过于宽泛,内容不够全面。

如对技术状态的要求中,相对于受电弓中心的允许误差为100 mm,与分相绝缘器相同。殊不知,分段绝缘器与分相绝缘器的最大区别是参与导流,而导流良好必须有严格的技术配合。

对安装跨距内的承力索位置缺少针对性要求;对主绝缘表面的放电痕迹和磨损提出了要求,但没有对滑道烧损、变色的处理作出相应规定。此外,对于悬吊装置的技术状态,也应提出要求。

(5)行车组织规则

某些铁路局在《行车组织规则》中规定:电力机车不得在分段绝缘器处停车,但对内燃机车(蒸汽机车)则没有任何限制,如上所述应禁止内燃机车(蒸汽机车)在分段绝缘器下方停留。

此外,电力机车在分段绝缘器处应多通过,少停留,停留不取流,必须取流时,可以调换弓头避开分段绝缘器。连挂入库一度停车时,要注意瞭望,防止停在分段绝缘器下。

(6)产品安装使用说明书

分段绝缘器是接触网的关键设备之一,其安装、使用关系到铁路行车安全。因此,生产厂家不仅要制造符合国家标准的产品,还要经得起运行检验以达到用户需求。在现有的产品安装使用说明书中,对产品特性的宣传缺少原理介绍和实现的条件;安装指南不够详尽,缺少必要的注意事项;使用说明也没有针对产品特性,提出维修保养建议。这些不足都会对产品性能的实现产生不利影响,甚至给厂家带来麻烦。所以,厂家应在产品安装使用说明书中阐述,以弥补行业标准的缺失。

参考文献

[1]接触网安全工作规程[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[2]接触网运行检修规程[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[3]铁路电力牵引供电设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2006.

[4]铁路枢纽电力牵引供电设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2006.

[5]TB/T 3036-2002.25 kV电气化铁道接触网用分段绝缘器[S].

[6]铁路技术管理规程[S].北京:中国铁道出版社,2006.