接触网分段绝缘器的动态特性分析及维护

杨 桢

0 引言

随着国内高速铁路的迅猛发展，对接触网的安全性和可靠性提出了更高的要求。分段绝缘器是接触网最重要的零部件之一。分段绝缘器质量集中，不易安装，易产生较大硬点，使电力机车受电弓不能平稳通过，容易产生电弧，烧损线路，以至影响弓网的安全性。因此，研究分段绝缘器的特性，提高分段绝缘器的运行稳定性，延长分段绝缘器的使用寿命显得十分必要。

1 分段绝缘器常见故障类型

高速铁路电力机车运行速度的提高及机车碳滑板受电弓的普遍应用，使接触网分段绝缘器的工作条件发生了巨大变化，发生故障的可能性越来越大，直接影响机车运行安全和高速铁路的正点率。

根据对既有的城际铁路和客运专线故障类型分析，分段绝缘器的常见故障类型如下：

（1）分段绝缘器铜滑道和连接线夹底部安装不在同一平面，底平面未与钢轨面平行安装，以至造成拉弧、刮弓、打弓事故。

（2）由于分段绝缘器和接触线在单位质量和弹性方面均存在较大差异，在连接处便形成硬点。当连接状态不够平滑时，硬点值会增大，使接头处接触线磨耗严重。

（3）分段绝缘器铁配件与接触线、承力索、绝缘棒之间连接螺栓松动，在长期大张力作用下发生抽脱、断线事故。

（4）分段绝缘器绝缘棒表面脏污、内芯侵入水气、材质老化等，发生局部电腐蚀，使绝缘棒脆裂、烧损直至发生断裂事故。由于金属构件机械强度较高，因此分段绝缘器的最薄弱环节就是绝缘棒，尤其是它的2 个端部[2]。

2 分段绝缘器动态特性分析

2.1 理论假设

以菱形分段绝缘器作为研究对象。当分段绝缘器与轨道平面不平行，即存在一个夹角θ 时，受电弓通过分段绝缘器的整个动态过程可以看作是一个力学平衡过程。

在该过程中，受电弓滑板进入分段绝缘器时只与分段绝缘器的滑道作用，滑道受到一向上的抬升力f，从而产生一力矩T，力矩T 会使分段绝缘器产生一个偏转角度。

由材料力学知识[3]可知：对于长为l，在两端受一外力偶矩T 作用的等径圆杆，两端横截面的相对扭转角

式中，T、G、Ip均为常量，T 为扭矩。

直径为d 的圆截面的极惯性矩

2.2 受电弓过分段绝缘器力学过程分析

受电弓滑板由左至右通过分段绝缘器时，因受电弓有前后2 个滑板，所以受电弓与分段绝缘器的相互作用可分为以下5 个过程。

（1）前滑板（a）进入分段绝缘器至后滑板（b）将要进入分段绝缘器时为第1 个过程（图1）。

此时，滑板a 会对滑道1 作用一向上的抬升力f ，产生力矩T1：

图1 第1 过程系统示意图

综合式（1）—式（3），并将T = T1/2 代入可得第1 个过程扭转角计算公式为

（2）滑板b 进入分段绝缘器至滑板a 移动到中心绝缘棒处为第2 个过程，如图2 所示。

此时分段绝缘器受到受电弓2 个滑板同时向上的抬升力，均为f，受电弓滑板对x 轴的力矩T2就由2 部分组成，滑板a、滑板b 对分段绝缘器作用力的力矩分别表示为 2T′，2T′总力矩为T2：

图2 第2 过程系统示意图

综上可得第2 个过程扭转角计算公式为

（3）滑板a 通过中心绝缘棒开始至滑板b 移动到中心绝缘棒处为第3 个过程，如图3 所示。

图3 第3 过程系统示意图

分析过程与过程2 类似，结果：

即第3 个过程扭转角计算公式为

（4）滑板b 移动到中心绝缘棒开始至滑板a滑出分段绝缘器时为第4 个过程，如图4 所示。

图4 第4 过程系统示意图

同样参考前面过程的分析，得

综上可得第4 个过程扭转角计算公式

（5）滑板a 滑离分段绝缘器开始至滑板b 滑离分段绝缘器时为第5 个过程，如图5 所示。

图5 第5 过程系统示意图

计算可得：

第5 个过程扭转角计算公式为

2.3 问题分析

综上所述，受电弓通过分段绝缘器整个过程中分段绝缘器在受电弓作用下的扭转角可整理如下：

2.3.1 偏移角θ 整定

分析整个过程不难发现：由于分段绝缘器在受电弓通过的整个过程中都受到变化力矩的作用，因此一直处于振动状态，即θ 始终都在变化，但变化一般较小，并且是围绕分段绝缘器初始平衡状态及θ 的初值而变化的，所以这里θ 可用初值近似计算，取θ = 10°。

2.3.2 抬升力f 整定

受电弓向上运动时，受电弓抬升力

受电弓向下运动时，受电弓抬升力

式中，F0为受电弓静态抬升力；Fm为受电弓铰接处摩擦阻力；Fa为受电弓压力的动力分量，由受电弓的归算质量及垂直加速度决定；Fk为受电弓压力的空气动力分量。

电力机车通过分段绝缘器时通常速度相对较慢，此时可不考虑Fk的影响，又因为Fm、Fa受多种因素影响，如轨道坡度、风速等，不易确定，所以采用静态抬升力来代替实际抬升力，取F =70 N，则滑板a、b 产生的抬升力均为f = F/2 = 35 N。

2.3.3 接触线长度l 整定

分段绝缘器一般安装在距定位点3～5 m 处，所以对分段绝缘器两侧的接触线，l 取值不等，由φ的表达式容易看出取较小值时，接触线的扭转角度较小，即分段绝缘器的扭转角取决于扭转角度较小一边的接触线长度，所以l 就等于分段绝缘器到近端定位点的距离，这里取l = 5 m。

2.4 问题讨论

本文以CTHA-110 银铜合金接触线为例，其中切变模量G = 4.8×1010N/m2。代入得：

由此可以做出受电弓过分段绝缘器时产生的扭转角φ与受电弓通过距离x 的关系图（图6）。

分析得到的数据及图6 可以发现：分段绝缘器在受电弓作用下扭转角度很小，最大扭转角不超过0.6°，若要减少因分段绝缘器的不平顺而造成的系统不稳定，则需要采取措施增大扭转角φ。

由扭转角表达式可知：d4G 由接触线性质决定，则为常量；虽然在满足受流特性的基础上，受电弓滑板的抬升力f 有一定的变化区间，但变化范围不大，影响较小；x 很显然也无法改变。所以只能依靠改变l 来增大φ值，l 越大，φ值越大，而φ值取决于分段绝缘器距一跨距内两端定位点较小的l，即最大值是在跨中的位置。

图6 φ - x 关系图

另外，从图6 可看出，受电弓移动至分段绝缘器靠近中间位置时，扭转角相对两端大很多，这是由于菱形分段绝缘器两端较窄，中间较宽造成的。

由上述分析可得如下结论：

（1）分段绝缘器应当安装在跨中，从而使分段绝缘器两端受压平衡，减少受电弓通过时发生侧磨、打弓、产生大电弧等现象。

（2）分段绝缘器两端的宽度不能过窄，这样有助于增大扭转角，进而改善分段绝缘器的不平顺性，即在结构形式上对分段绝缘器进行改进。

3 分段绝缘器维护措施

3.1 改善分段绝缘器的单位质量和弹性

分段绝缘器的基本要求是过渡平滑和绝缘可靠，因此在材质、结构形式等方面还需进一步改进，使其单位质量和弹性尽可能地接近接触线的性能，并且在不同运行条件下，选择不同类型的分段绝缘器以确保弓网匹配的要求。

3.2 加强分段绝缘器的维护

接触网是牵引供电系统里唯一的无备用设施，加强接触网的日常维护，定期对分段绝缘器等重点设备进行检查是保证供电可靠性的关键。

分段绝缘器的重点部位检查包括：连接螺栓是否紧固，铜滑道、绝缘棒、连接线夹是否存在脏污、裂痕、电腐蚀、材料老化和潮湿等现象，做到及时维护和清理。

3.3 及时更换损坏的分段绝缘器

分段绝缘器在大张力作用下产生非弹性变形，以及局部电腐蚀，造成断裂、烧损等现象都有可能造成设备的永久性损坏。发生上述事件后，供电段、接触网工区需及时派人奔赴现场，进行应急事故抢修，缩短事故停电时间。

4 结论

本文从分段绝缘器的运行稳定性出发，对受电弓过分段绝缘器的动态不平顺特性进行了详细分析，并借助材料力学的相关知识总结出受电弓经过分段绝缘器时动态过程，进而提出了相应的改进措施；同时对分段绝缘器的其他故障类型提出了改善和维护措施，以降低高速铁路运行中分段绝缘器故障的发生概率，为铁路供电系统运行及维护提供了相应的参考依据。

[1] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2002.

[2] 苗为民，李勇力，郭晨曦.菱形分段绝缘器运行问题的研究[J].电气化铁道，2008，（6）.

[3] 李庆华.材料力学（第三版）[M].成都：西南交通大学出版社，2005.

[4] 郭晨曦，苗为民，王日新，等.非绝缘滑道式分段绝缘技术研究[J].电气化铁道，2008，（2）.

[5] 刘杰.分段绝缘器与分相绝缘器安装存在问题的探讨[J].电气化铁道，2001，（4）.

[6] 陈维.电气化铁道受电弓-接触网系统受流特性研究[D].西南交通大学研究生论文，2007.