郑西高铁接触网绝缘管理问题的分析与对策

兀新野

郑西高铁接触网绝缘管理问题的分析与对策

兀新野

分析了郑西高铁在运营中存在的问题，并对其整改状况进行了评估，提出了提高接触网绝缘管理水平的意见及建议。

高铁；绝缘管理；问题；对策

0 引言

接触网的绝缘设置就是根据接触网所在电气化铁路供电系统中所可能施加的正常工作电压、操作过电压和大气过电压等，并考虑保护装置的特性和接触网绝缘特性，确保接触网对所加电压的耐受强度，以便把作用于接触网上的各种电压所导致的接触网损坏和影响接触网不间断正常供电的概率降低到经济上和铁路运营所能接受的最佳水平。它主要涉及各类绝缘部件的选配标准、绝缘间隙的确定、限压措施的设置。科学地协调好接触网建设投资费用、运营管理成本和事故损失费用三者之间的关系是设计、维护的工作要求。

在实际运用中，因设计、施工、产品质量等原因，导致设备在投入运营后存在这样或那样的问题。下面针对郑西高铁在运营中发现的一些倾向性问题，从绝缘产品性能、设计及施工安装和运营维护等方面进行剖析，并提出相应的对策及建议。

1 问题的分析及对策、建议

1.1 绝缘部件的质量问题

郑西高铁自2010年2月6日开通以来，由于采用的AF线悬棒式绝缘子（以下简称悬棒）结构设计不合理，在雷电、雨雪、雾霾、融雪结冰等恶劣天气和鸟害预防方面远远达不到运行要求，经常出现绝缘子闪络跳闸现象。据不完全统计，自开通至2013年底，管内共发生绝缘子闪络故障75件，而AF线悬棒闪络占41件，为总件数的54.7%，影响了郑西高铁牵引供电设备的畅通运行（表1）。

1.1.1 原因分析

郑西高铁正馈线绝缘子，瓷瓶结构高度为502 mm，空气绝缘距离为330 mm，爬电距离≥1 400 mm。如图1所示。

而根据铁标要求，电气化铁道接触网所用棒形瓷绝缘子的总体高度最小值为660 mm，瓷质长度最小为430 mm，而该绝缘子相应的数据分别为502和330 mm，不能满足行业要求。

1.1.2 建议和措施

（1）对于环境比较恶劣的区段，将其更换为憎水性、自洁能力强的硅橡胶绝缘子（泄漏距离为1 400 mm）。

（2）对于其他区段，将其更换为4片悬式绝缘子，但是更换后又带来了另一个问题：

由于更换为4片悬式绝缘子后，AF线的泄漏距离为1 600 mm，导致其与T线的泄漏距离不匹配（T线的泄漏距离为1 400 mm），在遭遇雷电天气时，T线绝缘子闪络故障较更换前有了明显增多。距统计，自2012年上半年将AF线绝缘子大批更换为悬式绝缘子后，T线棒式绝缘子较更换前所遭受雷电的几率大大增加，更换前为8.33%，更换后为48.4%。这个问题须待进一步探讨。

表1 2010—2013年郑西高铁跳闸统计表

图1 AF线悬棒型绝缘子示意图

1.2 绝缘配合问题

1.2.1 问题的引入

绝缘配合就是综合考虑电气化铁路供电系统中各设备的绝缘能力，欲使绝缘能耐受所有可能遇见的最大过电压，尤其是大气过电压。对于接触网系统来说，必须要求在任何运行条件下（如由于风力或受电弓的抬升力使导线摆动或振动），导线及其它带电金具和接地部分之间空气间隙的绝缘强度不小于接触网绝缘子的绝缘强度。

但是，该问题目前在技术上和经济上做不到。因此，在实际应用中，主要掌握一个原则：若进一步改善绝缘可靠性所花费用，不能用减少绝缘损坏事故所节约的费用来补偿的话，就不要再以提高绝缘水平作为代价。也就是说，在考虑牵引供电系统的绝缘配合时，若在过电压破坏绝缘不可避免时，应将这种破坏引导、限制在最小的、安全可控的范围之内。

而郑西高铁隧道内接触网设计时，只要求接触网、供电线、正馈线等带电部分至接地体的净空静态最小距离不小于300 mm，动态情况下不小于240 mm，但是没有考虑在遭受雷电过电压时，这些设备至接地体的净空距离要求。从而导致出现空气间隙被击穿而烧断线索现象，一旦接触网断线，后果将不堪设想。下面就2013年8月11日郑西高铁渑池南至三门峡南区间朱家沟1#隧道西口上行K806+336m处非支承力索由于距AF线肩架绝缘距离不足，导致遭遇雷电时空气间隙被击穿，发生承力索断股情况分析如下。

1.2.2 原因分析

（1）现场调查情况。郑西高铁渑池南至三门峡南区间朱家沟1#隧道与朱家沟2#隧道间为朱家沟中桥，两隧道间距229 m，隧道顶部为小土丘，山体坡度平缓，山体高于接触网20 m左右，两隧道间为风口地段，易遭受雷电冲击；朱家沟1#隧道郑州方向为青龙涧特大桥，南交口分区所上网隔开（设置有避雷器）距故障点较远，达1.715 km。

故障点为朱家沟1#隧道西口上行T12#吊柱西侧2.8 m（公里标为K806+336m）处非支承力索（距隧道口约37 m）处，承力索对AF线Z型肩架端部尖角放电（图2）。

图2 承力索对F线Z型肩架端部尖角放电图

距故障点最近T线设备绝缘间隙测量：朱家沟1#隧道西口锚柱1036#柱距跳闸点58 m，其棘轮底座距斜腕臂铁锚压板处带电距离为430 mm。

距跳闸点最近AF线设备绝缘间隙测量：AF线Z型肩架距AF线水平距离约320 mm。

（2）故障原因推理分析。首先，根据故障现场调查情况分析，应排除设备遭受感应雷过电压的可能性，因为AF线最小空气绝缘间隙远小于T线。其次，根据现场调查情况，引起跳闸有2种可能性。

a.直击雷过电压。根据现场调查情况，虽然故障点在隧道口，并且在两山体间。但是，该处山体较小，而且处于风口区段，为雷电易击区，容易遭受直击雷的影响；那么，T线遭受直击雷的概率应较其他处所大一些。另外，根据高电压技术明确要求35 kV等级电线路要求其雷电过电压最小空气绝缘间隙不小于450 mm。牵引供电线路的空气绝缘间隙应较450 mm稍大一些，那么，现场测量的接触网承力索对AF线Z型肩架端头绝缘间隙仅为415 mm，就不满足雷电过电压的要求。

另外，根据故障性质分析，承力索对AF线Z型肩架端部尖角放电，属于在极不均匀的电场中发生的，肩架端部尖角导致局部场强增强，从而引起击穿电压下降。因此，可参照针尖电极-平板的空气间隙（S）的50%冲击放电电压曲线（图3）对其进行分析。从图中显示，空气绝缘间隙S与50%冲击放电电压（Y）为线性关系。由此得出放电电压与空气绝缘间隙关系为Y = S / 3 + 70。据此可推知，该类绝缘间隙必须确保在600 mm以上。

图3 50%冲击放电电压曲线图

b.异物搭接。故障也有可能为被风吹落的异物在跳闸点导致短路跳闸。但是，据调查，故障发生时无风且没有动车组通过，异物被吹进去的可能性可以排除。

综合以上分析，故障应该是直击雷过电压引起跳闸的概率大一些，而且很有可能是直击雷绕击造成（因为AF线高于T线）。当直击雷击于T线后，由于附近绝缘子性能良好，而朱家沟隧道T12西接触网非支承力索对AF线Z型肩架绝缘间隙为415 mm，满足不了雷电过电压要求。那么，该处就成为雷电释放能量的最薄弱点，从而造成T线对AF线Z型肩架放电引起跳闸。

1.2.3 建议和措施

为了防止隧道内非悬挂点处线索（悬挂点处一般均设置护线条，一旦跳闸不会造成线索断股、断线）在遭受雷电压的冲击下引起线索断股、断线跳闸，笔者建议采取以下措施：

（1）首先，对于空气间隙能够调整的处所，必须确保空气间隙所耐受的放电电压大于棒式绝缘子全波耐受电压270 kV。根据Y = S / 3 + 70关系式可推知，绝缘间隙必须确保在600 mm以上。

（2）其次，对于绝缘间隙调整不到位的处所，须在线索上加装预交式护线条，这样，一旦发生空气间隙击穿，也不会因线索烧断而引发更大事故。

1.3 绝缘结构设置不合理问题

郑西高铁在AF线架设过程中，对于涉及AF线架设转换角度较大处所，为确保AF线与接地体的绝缘间隙不受曲线力和大风天气影响，在这些处所将单悬棒全部改为“V”拉悬棒。但是，从运营情况看，效果很不理想。

1.3.1 原因分析

当初的设计理念是通过“V”拉悬棒来稳定AF线，确保其在曲线力和风力的影响下能够满足AF线与接地体的瞬间绝缘间隙需要。但是忽视了另外一个问题，即2个悬棒瓷瓶与AF线是通过软连接固定在一起（图4），遭受外部环境的影响非常大，恶劣天气时，若2支悬棒瓷瓶之间相互错位而人为缩短绝缘子的绝缘爬距，很可能会引起绝缘子闪络跳闸。下面就2014年3月6日郑西高铁渑池南至三门峡南区间854#“V”拉悬棒瓷瓶闪络故障进行分析。

图4 AF线“V”拉悬棒结构图

854#位于张茅隧道口郑州方向第2支AF线悬挂点，854#AF线悬挂点在线路外侧，需转换到856#线路内侧，再过渡到隧道内，所以854#AF线转角较大，所受曲线力也较大。不但如此，由于854#两端AF线悬挂点的位置不妥，从而造成其还受线索抬升力，两力作用结果造成2支“V”拉悬棒绝缘子相互错位现象相当严重，其线路侧瓷裙（从接地侧数第4片，即悬棒小裙）与田野侧瓷裙（从带电侧数第1片）相对应，间隙仅30 mm（图5），大大减小了线路侧悬棒绝缘强度。这也直接导致了其在雨加雪且有大雾天气下空气间隙被击穿，短路电流由田野侧悬棒瓷瓶的带电侧经击穿的空气间隙流经线路侧悬棒瓷瓶接地侧，从而引起跳闸。

图5 “V”拉悬棒闪络示意图

1.3.2 建议和措施

将其改造为倒装式腕臂结构（图6），确保其横线路方向的位置在任何情况下都不会发生变化（不受风力和曲线力的影响），而且还能满足其随温度变化时顺线路方向自由移动的要求。

图6 “V”拉悬棒改造后腕臂结构图

2 结语

总的来说，国内高速电气化铁路发展至今，虽然在绝缘管理和雷电防护方面做了很多工作，也取得了很大成效，但是还有很多问题需不断探索。高速铁路接触网的运行维护需要做到“心细如发、明察秋毫”，不断地发现问题、积累经验，从技术上、管理上保障安全，从而为我国高速电气化铁路的发展奠定坚实的基础。

[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，2003.

[2] 唐兴祚.高电压技术[M].重庆：重庆大学出版社.

The paper analyzes the existed problems on operation of Zhengzhou-Xi’an high speed railway, assesses its state of modification, and offers comments and suggestions on improment of overhead contact system insulation management.

High speed railway; insulation management; problem; measures

U225.4

B

1007-936X(2015)01-0017-04

2014-06-16

兀新野.郑州铁路局洛阳供电段，助理工程师，电话：13939838621。