接触网开关电动操作机构烧损原因及对策

甄德印

(中国铁路总公司　工程质量安全监督局, 北京 100844)

电气化铁路运营中，接触网开关是安全运行的薄弱部位，常常因各种原因造成绝缘子污闪放电，一般情况，隔离开关瞬时放电后能自动恢复绝缘，接触网跳闸后能再次送电成功，恢复正常运行。但某铁路局多次发生因开关绝缘子污闪放电，烧损电动开关操作机构及远动装置等设备设施的问题，造成电动开关无法远程操作，影响了列车运行。因此，需认真分析原因，制定相应防范措施。

1　故障分析

1.1　故障概况及相关设备信息

2016年3月24日07时19分某变电所某供电臂216断路器跳闸，电流速断保护动作，跳闸信息：电流2 864 A，电压21 628 V，阻抗5.34，阻抗角∠56.9°。巡视人员巡视发现，该接触网供电臂上226#支柱隔离开关绝缘子出现过严重放电现象(图1)，电动操作机构箱烧损严重(图2)，远动控制箱烧损严重(图3)。后续故障分析过程中，了解到向开关操作机构提供电源的供电装置(变压器低压开关)及变电所控制屏内远动控制光缆端头(图4)也被烧损。为便于分析，相关设备示意如图5。

图1　226#支柱隔离开关绝缘子

图2　电动操作机构箱

图3　运动控制箱

其中GW为接触网隔离开关；M为操作机构电机；R1为接触网隔离开关接地电阻；R2为远动控制箱接地电阻；R3为10 kV贯通线变压器接地电阻。

相关设备信息：利用接地电阻表测得接触网隔离开关接地电阻(也是支柱接地电阻)为8.2 Ω，满足规范不大于10 Ω的要求；隔离开关绝缘子放电原因为污闪放电，226#支柱距离变电所13.652 km；接触网单位阻抗0.38 Ω/km,阻抗角70°。

图4　运动控制光缆端头

图5　相关设备示意图

1.2　隔离开关污闪分析

显然，隔离开关绝缘子污闪是操作机构烧损的源头性原因，对其进行分析既有利于找出防止污闪的措施，也有利于操作机构烧损分析。

污闪发生过程大致如下[1-2]：绝缘子表面的污秽受潮湿润后，污秽层中的盐分等高导电率溶质溶解，绝缘子的表面电阻大大降低，在电压作用下，流经绝缘子表面的泄漏电流显著增加，泄漏电流产生热量加热污秽层。污秽层沿绝缘子表面的分布是不均匀的，使绝缘子表面各部分的电流密度不一样，受热也是不均匀的。在电流密度大且污秽层较薄的地方，水分迅速蒸发，形成电阻较大的干燥区，它与电阻较小的湿润区串联，承担的电压降大大增加，当电场强度达到空气击穿(电离)场强时，干燥区就会发生局部电弧放电。由于局部电弧通道的电阻较低，故通道中的泄漏电流较大，局部放电通道端部附近的表面也迅速受热烘干，再进一步的发展就有两种可能性：一种是当污秽较轻或绝缘子的泄露距离(简称：爬距)较长，其余串联湿润部分的电阻还比较大，干燥区域扩大将使泄漏电流减小，当局部放电通道的长度增加到一定程度时，其承担的电压已不足以维持这样长的局部电弧放电，放电将熄灭；另一种是当污秽严重或绝缘子泄露距离较小时，其余湿润部分的电阻小一些，局部放电通道中的电流较大，通道中会产生热游离，则局部电弧将继续伸长，发展到沿整个绝缘表面，形成污闪。

通过分析可知：加大绝缘子爬弧距离、提高绝缘子防污性能以及对绝缘子污物及时清理可以大大减少污闪发生，自然也就大大降低操作机构烧损的概率。

1.3　隔离开关操作机构箱电位抬高量计算

图6　供电臂等效电路图

(3)污闪电弧：大量试验研究表明，稳定燃烧的交流电弧呈电阻的特性[6-7]，对于大部分电弧，当电弧电流的峰值在1．4～24 kA范围内时，沿着主弧柱的单位长度的电压降与电弧电流无关，基本为常数，经验值为15 V/cm[3-4]。隔离开关绝缘子高度40 cm,电弧长度约50 cm,故电弧电压U2=15×50=700 V。

(4)接地极电位抬升计算如下：

图7　相量关系图

1.4　机构箱烧损分析

接触网隔离开关污闪放电，电流沿隔离开关传动杆、接地线、接地极进入大地，造成接地极R1上部电位(也是隔离开关操作机构箱电位)抬升较大，通过1.3中计算得知，操作机构箱电位抬升到7 663 V,而箱内控制电缆、端子排及电气设备运行电位为220 V(相线部分)和0 V(零线部分)。隔离开关操作机构箱与内部控制线路、端子排、电气设备形成巨大电位差，而电缆线、端子排、电气设备额定耐压仅1 000 V左右,势必出现操作箱内线缆、端子排反向击穿放电，造成燃弧烧损；击穿后的控制电缆又将高电位带到远动控制箱内，烧损电源开关等设备；通过电源电缆，高电位又传到变压器低压开关，造成开关绝缘击穿烧损；通过远动控制光缆铠带，高压传到牵引变电所，光缆端头铠带对控制屏接地放电，引起燃弧烧损。

2　对　策

根据开关操作箱等设备烧损的原因，可采取以下对策：

(1)提高隔离开关防污闪性能

开关绝缘子污闪是操作机构烧损的源头性原因，采取对隔离开关绝缘子加大爬弧距离、涂刷防污涂料、及时清理污物等措施，可有效降低开关绝缘子污闪发生的概率。

(2)降低开关操作箱接地电阻

降低开关操作机构接地电阻可以降低操作机构箱电位抬升，使其控制在1 000 V以下，防止操作箱内反向击穿放电。但是，通过以上分析可知，若使电压抬升由7 000 V多降至1 000 V以下，需大大降低接地电阻，接地装置需有较大的改造。

(3)切断操作箱高电位的来源通道

将GW开关接地装置与操作机构箱进行绝缘隔离，不让开关箱出现高电势。采取措施：①隔离开关传动杆用绝缘材料或中间加绝缘；②操作箱与支柱绝缘安装；③隔离开关接地引下线采用绝缘电缆；④隔离开关接地极单独设置，距离操作机构箱接地极大于15 m。

(4)操作机构箱、远动控制箱内电源线、控制线装设浪涌保护器

装设浪涌保护器后，一旦操作箱、远动控制箱有高电位，浪涌保护器瞬时导通，使得电源线、控制线电压和操作机构箱等电位，不会出现反向击穿现象，不会造成设备烧损。

(5)将操作机构箱接地、远动控制箱接地、变压器接地采用绝缘电缆联通，实现等电位

该措施起到水涨船高的效果，操作机构箱、远动控制箱、变压器开关箱电位协调一致，不会发生线缆、设备与箱体出现较高电位差的现象。

(6)变电所控制光缆装设入户绝缘节

该措施防止光缆将高电位带到所内烧损室内设备的作用。

(7)装设隔离变压器

变电所附近的隔离开关的操作电源一般来自变电所内交流屏，为防止将高电位带到所内，需在所内装设隔离变压器给外部开关操作箱供电。

3　结束语

阐述了一起接触网隔离开关操作机构烧损故障，分析了产生问题的原因，据此针对性地提出防范措施，部分措施已经被采取，并取得良好效果。文中分析成果对接触网运行管理和工程设计具有较好的实用价值。