动车组车顶绝缘子预防性试验研究*

郭旭刚，郭晨曦，杨斯泐

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

铁路供电技术

动车组车顶绝缘子预防性试验研究*

郭旭刚，郭晨曦，杨斯泐

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

大范围的低温大雾天气严重影响到动车组车顶高压外绝缘，对动车组的安全、正点运行造成干扰。动车组作为运动的高压电气装备，要保证它的安全运行就必须按照高压电气设备的相应规律进行必要的预防性试验，现针对车顶绝缘子进行了预防性试验研究。

动车组；高压电气设备；车顶绝缘子；预防性试验

随着近年来投入运行动车组数量的迅速增长，社会影响越来越大，对动车组可靠性的要求越来越高。2011年12月以来，全国大范围的低温大雾天气严重影响到动车组车顶高压外绝缘，发生了多起车顶绝缘闪络、高压互感器炸裂、牵引变压器高压进线套管或高压电缆T型接头炸裂、断路器真空灭弧室绝缘失效等事故，甚至由于高压绝缘事故引发了接触网断线，对动车组的安全、正点运行造成干扰。目前国内动车组的绝缘设计没有统一的技术标准，既使是同一个电压等级，选取的耐受电压水平也存在较大的差异。比如，不同的动车牵引主变压器高压侧的额定雷电冲击耐压就有125，150，170，185 k V等多个取值。国外的情况也基本类似。

T B/T 3077中规定车顶绝缘子的结构高度为400 m m，是综合了各方面因素之后做出的选择。目前，CRH2、CRH5等系列车型已经采用了符合T B/T 3077要求的受电弓支持绝缘子，运行过程中的绝缘事故明显减少。但是CRH 380系列车型考虑到空气阻力的影响，绝缘子的结构高度有所减小，在遇到低温（-3～-7℃）大雾的天气［1］，绝缘事故率明显上升。因此有必要研究适用于CRH 380系列车型的新型绝缘子，以改善车顶绝缘状况。

作为运动的车顶高压电气设备，要保证它的安全运行就必须按照高压电气设备的相应规律进行必要的设计和试验。

1　动车组高压绝缘事故调查与分析

动车组高压电气系统的可靠性对于整个动车组的可靠运行具有重要意义。动车组车顶高压系统的主要部件有绝缘子、高压电缆、高压互感器、避雷器、断路器、隔离开关和牵引变压器，高压系统的可靠性与每个高压部件的可靠性息息相关。因此提高动车组车顶高压电气系统的可靠性应具体到每一个车顶高压部件，本文针对车顶高压绝缘子进行分析与研究。

目前车顶使用绝缘子主要是硅橡胶复合绝缘子和聚脂类绝缘子。硅橡胶复合绝缘子具有良好的机电性能和优越的抗污闪能力，但是硅橡胶本身比较柔软，抗撕裂性能差，自身不能作为结构材料用，只能作外壳，其机械性能需要通过与其复合的支撑件来保证，因而在高速情况下伞裙有可能发生舞动搭边、撕裂和折断等现象，而且作为机械支撑的芯棒存在脆断的风险。聚酯类绝缘子需喷涂防污闪材料，不需喷憎水涂料，建议维护办法是使用中性水进行清洗，若污垢不易清理可用中性水加中性清洁剂进行清理，比例不超过10∶1。资料［1］显示在雨、雪、雾等恶劣天气时绝缘子发生闪络的频率会明显升高，因此除注重车顶绝缘子日常维护之外，在雨、雪、雾等恶劣天气时应增加对于车顶绝缘子的检查频次。

按设计要求动车组寿命一般在25年以上，根据目前发现的这些故障，很多是由于目前我国动车组的设计、制造、配件选型、维护机制等方面还不是很完善，因此，在很长一段时间内，源头质量问题（包括设计不合理、制造缺陷、配件选型不合理等）都是导致故障的主要原因。

同时应该对于已经发现和统计出的故障及时采取解决办法，提高动车组车顶高压部件的质量，加强日常维护和保养以提高动车组车顶高压电气系统的可靠性。另外，对于车顶高压部件烧损的问题，应该尽量减少尖端放电的可能、增加绝缘子的绝缘性能、提高设备质量。

2　动车组车顶绝缘子概况

根据目前动车组车顶绝缘子类型和形式，对绝缘子的电气性能、物理性能和力学性能进行对比试验。对新型绝缘子、运行一定时间后的绝缘子老化性能进行测试。动车组使用的绝缘子类型主要有受电弓支持用、母线支持用、隔离开关用等，按使用材质分有瓷质绝缘子、聚酯类绝缘子和复合绝缘子3大类，如图1和图2所示。

图1　动车组车顶复合绝缘子（红色外套），普通玻璃盘形绝缘子，城铁D C 1 500 V聚酯绝缘子

图2　动车组车顶受电弓支持用聚酯类绝缘子

绝缘子的失效可分为内部击穿和外绝缘闪络。外浇装的瓷质支柱绝缘子为不可击穿型，只有内浇装的瓷绝缘子才可能发生内击穿。复合绝缘子由于存在界面问题，生产过程中如果界面工艺处理不当，则运行过程中可能受潮，绝缘性能逐渐下降，达到一定程度时，在工作电压下也会发生内部击穿。更多情况下，绝缘子失效主要是由外绝缘发生闪络造成的。

3　绝缘子的预防性试验设计

动车组车顶绝缘子的预防性试验依据相关标准［2-6］进行设计和研究。

对抽样绝缘子进行预防性试验的试验项目和试验方法如表1所示。

表1　绝缘子预防性试验项目及评判标准

4　绝缘子预防性试验测试及结果

根据动车组不同型号和材质的车顶绝缘子在典型线路上的运行情况，调查绝缘子使用中的老化规律，尤其是要掌握硅橡胶复合绝缘子憎水性丧失特性，为硅橡胶绝缘子退出运行判据提供依据。本文仅给出典型案例的测试结果，选取两家公司的绝缘子进行抽检试验。

4.1某公司产品试验结果

某公司共提供8只产品，均为国内生产，其中5只产品为经过运行使用，测试结果如下。

（1）界面和金属附件连接区试验

未运行的产品经热机试验后的陡波试验出现了击穿现象，产品经解剖后发现下附件处芯棒有明显放电灼烧痕迹，芯棒整体有裂纹，未能满足M D C L为8 k N的界面试验，测试结果如图3～图5。

图3　样品解剖后电弧烧灼痕迹

图4　样品解剖后上、下附件电弧烧灼痕迹

图5　样品解剖后芯棒上的贯穿放电通道

（2）芯棒材料试验

10只直径φ60 m m的芯棒样品，长度范围在（9.9～10.2）m m（标准规定（10±0.5）m m）放入盛有1%质量的品红乙醇溶液的玻璃容器中的钢球上16 min（标准规定应大于15 min）后，经检查，运行后产品的芯棒样品有贯穿渗透现象，呈现渗透点，未能满足标准的规定。

图6　芯棒材料试验前后对比

（3）伞套材料耐漏电起痕和电蚀损性试验

伞套材料均出现过流现象，并且有严重蚀损现象，未能满足标准的规定。

4.2某公司产品试验结果

某公司本批次送样10只，其中1只为事故损坏的绝缘子；4只新绝缘子，5只为运行后绝缘子。

图7　伞套材料耐漏电起痕和电蚀损性试验后情况

（1）界面和金属附件连接区试验

4只新绝缘子中3只样品经热机、水煮试验后，进行陡波电压试验，其中1只样品在负极性第19次击穿，其典型示波图及击穿点照片如图8所示；

图8　新绝缘子陡波前冲击耐受电压试验典型示波图及击穿点照片

5只运行后绝缘子中3只样品经热机、水煮试验后，进行陡波电压试验，其中2只分别在负极性第6次和正极性第22次击穿，其典型示波图及击穿点照片分别如图9和图10所示；

图9　运行后绝缘子陡波前冲击耐受电压试验典型示波图及击穿点照片

图10　运行后绝缘子陡波前冲击耐受电压试验典型示波图及击穿点照片

（2）伞套材料耐漏电起痕和电蚀损性试验

取新绝缘子1只样品中伞套材料的5片试样，表面经打磨处理，用蒸馏水清洗干净后，采用恒压法进行漏电起痕和电蚀损试验，其中前3片试样分别在178 min、124 min、107 min过流中断，如图11所示。

图11　新绝缘子伞套材料耐漏电起痕和电蚀损性试验

取运行后绝缘子1只样品中伞套材料的5片试样，表面经打磨处理，用蒸馏水清洗干净后，采用恒压法进行漏电起痕和电蚀损试验，其中5片试样均过流中断，如图12所示。

图12　运行后绝缘子伞套材料耐漏电起痕和电蚀损性试验

4.3憎水性恢复特性试验结果

憎水性是指固体材料的一种表面性能，水在憎水性的固体表面形成的是一种相互分离的水滴或者水珠状态，而不是连续的水膜或者水片状态。憎水性状态用静态接触角θ和憎水性分级（H C：H ydrophobcity Class）来表示。

测量复合绝缘子憎水性的喷水分级法［7］是由瑞典输配电研究所（the S wedish Transmission Research Institute，S T RI）提出的。该方法操作简单，用普通喷壶对试品表面喷洒水雾，观察水分在试品表面的分布情况，对比分级判据和标准图片，得出绝缘子表面的憎水性状况。该方法用H C（H ydrophobcity Class）等级来表征绝缘子表面的憎水性状态。S T RI G uide-92/1将硅橡胶表面的憎水性分为H C1～H C7级：H C1～H C3级为憎水性状态，其中H C1级对应憎水性最强的状态（即绝缘子表面形成分布均匀的完全规则的球状水珠）；H C4级为中间过渡状态（即绝缘子表面形成分离的水珠和连续的水膜共存的状态）；H C5～H C7级为亲水性状态，其中H C7级分别对应憎水性最差的状态（即绝缘子表面形成完全的水膜）。

在IE C/T S 62073-2003中，“H C等级”被重新命名为“W C等级”（W ettability Class），但W C各等级所对应的绝缘子表面湿润状态与H C等级所对应的完全一致。与S T RI G uide-92/1不同的是：IE C/T S 62073 -2003将W C1～W C2规定为憎水性状态，将W C3～W C5规定为中间过渡状态，而将W C6～W C7规定为亲水性状态，本文采用W C等级这一概念。

复合绝缘子的憎水性和憎水迁移性取决于材料本身，受运行时间的影响。憎水性是衡量复合绝缘子运行性能的重要指标，复合绝缘子憎水性和憎水迁移性是复合绝缘子具有优异耐污闪性能的基础。水珠大小和表面粗糙度对憎水性影响显著，水珠越大，静态接触角受重力影响越大，测量误差越大，表面越粗糙，静态接触角越大，当粗糙度达到一定时静态接触角趋于稳定。

分别从某公司的灰色和红色绝缘子样品上割取伞材料进行试验，检测伞材料的憎水性通常特性、憎水性迁移特性、憎水性减弱特性和憎水性恢复特性。检测方法和判据可参见D L/T 864，不符合要求时应进行复涂。

经过憎水性减弱特性后的灰色和红色样片，用滤纸吸去表面水分，放置在试验室环境下静置48 h，取出样片后测量样品的憎水性能，测试数据结果如表2和表3，测试结果照片见图13和图14。

表2　灰色样片憎水性恢复特性试验结果，样号8测试结果

图13　灰色样片憎水性恢复角度和憎水性恢复分级

表3　红色样片憎水性恢复特性试验结果，样号9测试结果

图14　红色样片憎水性恢复角度和憎水性恢复分级

同时进行了绝缘子憎水性迁移特性试验，结果表明复合绝缘子的憎水性迁移特性对高速动车组外绝缘不再是防污闪的最重要特性，伞裙造型对外绝缘的影响更加突出，今后绝缘子设计制造应予以重视。

5　结束语

由上述预防性试验结果可以看出，不同厂家和不同型号的产品经热机试验后的陡波试验出现了击穿现象；伞套材料均出现过流现象，并且有严重蚀损现象，且运行后产品的芯棒呈现渗透点，未能满足标准的规定；复合绝缘子的憎水性恢复特性均有不同程度丧失，这是由于复合绝缘子的运行环境不同于地面静态运行方式造成的，灰色产品的憎水性各检测的特性良好，明显优于红色产品的相关性能。

所以加强对产品原材料进厂检验、生产过程控制至关重要，同时应提高产品质量，促进产品质量持续改进。同时我国高速动车组高压电气系统产品的设备状态检修试验还处于空白期，有必要编写相应的检修试验导则来指导动车组高压设备的预防性试验和诊断试验，为完善动车组检修规程提供技术依据。

［1］ 郭晨曦，焦文根.霜状冰对电力机车高压外绝缘的影响［J］.铁道机车车辆：2009，29（1）：13-16.

［2］ G B/T 20142-2006.标称电压高于1000 V的交流架空线路用线路柱式复合绝缘子—定义、试验方法及接收准则［S］.

［3］ G B/T 775.2-2003.绝缘子试验方法第2部分：电气试验方法［S］.

［4］ JB/T 10944-2010.电气绝缘用玻璃纤维增强挤拉型材—复合绝缘子芯棒［S］.

［5］ D L/T 864-2004.标称电压高于1000 V交流架空线路用复合绝缘子使用导则［S］.

［6］ T B/T 3077.2-2006.电力机车车顶绝缘子第2部分：复合绝缘子［S］.

［7］ ST RI Guide 92-1.H ydrophobicity Classification Guide［Z］.S wedish Transmission Research Institute，1992.

Research on Preventive Test of High-speed EMU Roof Insulator

G U O X ugang，G U O Chenxi，Y A N G Sile
（Loco m otive and Car Research Institute，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

A wide range of cold fog weather seriously affects the pressure outside the EMU roof insulation，w hich causes disruption to safety and punctual running of High-speed EMU.In order to ensure the safe operation of High-speed EMU，itis necessary to take preventive test according to the corresponding rules of high voltage electrical.The research on preventive test of High-Speed EMU roofinsulator will be discussed in this paper.

electric m ultiple units（EMU）；high voltage electric divice；roof insulator；preventive test

U225.4+3

B

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.15

1008-7842（2015）05-0067-05

*铁道科学技术研究发展中心科研项目（J2013J001）

郭旭刚（1986—）男，研究实习员（2015-05-14）