中低速磁浮C型接触轨分段绝缘器优化研究

绳 贺

(中铁建电气化局集团科技有限公司 河北高碑店 074000)

1 前言

分段绝缘器是磁浮接触轨系统中的重要组成部分，其主要作用是把供电线路分隔成独立的供电区。一般情况下，磁浮机车受电靴带电滑行通过，如果其中一侧供电区出现故障或者需要停电检修，分段绝缘器就能够使部分接触轨断电，而不影响其他供电区的正常工作，从而使供电区运行的可靠性和灵活性大幅提高[1－2]。

2 磁浮接触轨系统中分段绝缘器常见故障分析

磁浮接触轨系统中分段绝缘器的接触面设置有槽道，受电靴长期摩擦产生的导电微粒在槽道内沉积，而导电微粒存在连通导电的风险，使得绝缘器存在丧失其绝缘功能的风险，同时槽道对于受电靴的磨损和绝缘器的磨损也不容忽视。

目前，我国已建成多条磁浮线路，由于磁浮机车的受电靴为碳滑板，受电靴在接触轨的表面滑行时会在凹槽里堆积碳粉，时间久后绝缘器的表面和凹槽就会通过堆积的碳粉连接成为一个导电体，将导致绝缘器电分段的性能消失。

正常情况下，各个供电分区独立供电，正极带电、负极不带电。当相邻两供电分区的正极分段绝缘器绝缘性能丧失，两个供电分区的其中一个供电分区停电，停电的供电分区正极会通过分段绝缘器与带电的供电分区正极形成通路，导致停电的供电分区带电。因变电所内隔离开关的出线端高压带电显示装置连接在正负极铜排之间，电压通过高压带电显示装置引至负极，这样就会带来施工的风险。

3 磁浮接触轨系统中分段绝缘器优化措施

(1)优化分段绝缘器结构

目前，磁浮列车普遍使用装配碳滑板的受电靴，受电靴通过分段绝缘器时，碳滑板与分段绝缘器的上表面直接摩擦，并在摩擦面上形成一层致密的碳膜。试验证明，在干燥的状态下，附着碳膜的分段绝缘器扔呈现较高的电阻值；但在表面淋水潮湿的状态下，其表面会放电，产生烧灼的现象。

鉴于目前存在的问题，通过改型设计、材质的选用、技术等方面进行研究，确定使用双层设计:第一层为受电靴滑行面，此设计为相互交叉断开结构，避免了在使用过程中产生的碳粉聚集导致串电。第二层为凹槽设计，一方面的作用使第一层断开结构连接成为一整体；另一方面的作用是增加两端带电体之间的爬电距离，防止串电。分段绝缘器整体涂敷优锁防腐漆，碳粉仅仅依附在分段绝缘器表面，雨水冲刷即可清洁分段绝缘器表面，从而总体实现免维护功能。

(2)表层处理

固体表面的湿润过程可分为铺展、浸润和沾湿3种，而发生在分段绝缘器表面污层的湿润主要由污层的吸湿性、雾的冷凝以及水分子在污层扩散造成。当分段绝缘器表面受潮时，由于雾的冷凝和水分子与表面的碰撞在相同条件下是一致的，因此，造成分段绝缘器表面受潮的影响因素主要取决于污层的吸湿能力以及水分子在污层中的扩散能力。

分段绝缘器的受潮速度主要影响因素为水珠存留时间的长短及水珠与污层间的凝结力。当水珠存留量大、与污层接触时间长，表面憎水性丧失速度较快，水珠对污层表面压力增大，会增加其渗入污层的渗透压力，水分就易于渗入污层内，表面憎水性弱化速度加快。当水珠在分段绝缘器表面吸附时，其重力方向与其吸附力方向相反，当水珠与污层接触时间短时，污层接触面小，易于从污层表面滴落，因而下表面受潮速度缓慢。

为尽量避免上述问题的产生，在高压绝缘子类产品上都会涂一层疏水性涂料，但受外界环境的影响，分段绝缘器表面的涂料会失去憎水性功能。憎水性功能的丧失会导致分段绝缘器憎水性下降。如果憎水性的差异表现在不同位置，分段绝缘器局部的憎水性就会完全丧失。比如在分段绝缘器的喷涂过程中，在其绝缘部及连接部中间隔层位置出现漏涂现象，就会导致憎水性出现较大的差异。不仅如此，人为破坏对涂层造成的脱落，或污秽在绝缘子表面长期积累沉降造成的差异，均有可能对分段绝缘器表面憎水性造成差异。

分段绝缘器表面涂敷高分子纳米疏水性绝缘材料(RTV)，可有效抑制导电颗粒等在其表面沉积，具有良好的防污闪功能。涂敷疏水性涂料后，其特殊性质会同化分段绝缘器表面的污秽，致使污秽也具有一定的憎水性。由于憎水性的机理，在分段绝缘器浸水后，会阻止放电通道的形成，减小泄漏电流带来的不利影响[3]。

4 分段绝缘器性能要求

一个状态良好、运行稳定的分段绝缘器应满足下列几点要求:

(1)优良的绝缘性能

在日常检修线路中，检查分段绝缘器有无破损、裂纹和烧伤现象。如有以上缺陷，应立即进行更换处理。

(2)平滑过渡、稳定性好

当受电靴正常通过分段绝缘器时，分段绝缘器能承受最高设计时速的受电靴冲击，并且各部件受力状态良好，保证分段绝缘器及其连接部件的平滑连接过渡，无打靴现象。受电靴在运行过程中对各部位的弹性冲击不可避免，应尽量减小与本跨距内接触轨弹性误差，减小弹性破坏。

(3)转移负荷过程中电弧尽量小

受电靴在通过分段绝缘器时，由于负荷的转换及分段两端存在电位差，因此在通过分段绝缘器时产生电弧不可避免，但应尽量采取措施减小电弧的危害程度[4－5]。

5 优化后分段绝缘器结构形式

分段绝缘器包括绝缘部101、绝缘支撑连接部102。

绝缘部101由E型部件和Π型部件构成(不相交的部件构成)，受电靴在面1011上滑动。接触面1011平顺度好，可有效减小受电靴磨耗；绝缘支撑连接部102保证了分段绝缘器的强度和稳定性。设置有一定间距的槽道，可有效增大分段绝缘器的爬电距离。

分段绝缘器表面涂敷高分子纳米疏水性绝缘材料，可有效抑制导电颗粒等在其表面沉积。分段绝缘器具有自洁功能，可大幅降低日常维护的工作量。

分段绝缘器通过开孔103，采用螺栓与供电轨连接。分段绝缘器结构及安装见图1～图2。

图1 分段绝缘器结构

图2 分段绝缘安装使用示意

6 分段绝缘器的材料选择

当受电靴在分段绝缘器的滑行部分运行时(见图3)，由于相互摩擦对滑行部分产生的磨耗较大，这就需选择摩擦系数小的材质作为分段绝缘器的母材。除需对摩擦系数的考虑外，分段绝缘器在磁浮线路中会受到热膨胀力，这就要求母材需具有一定的力学性能。综上，母材选取聚四氟乙烯和G11环氧板进行对比分析。

图3 分段绝缘示意

(1)聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，简写为PTFE)为以四氟乙烯作为单体聚合制得的聚合物，白色蜡状，半透明，耐热及耐寒性优良，可在－180℃～260℃长期使用。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂，耐候性好，有塑料中最佳的老化寿命；不黏附，是固体材料中表面张力最小者，不黏附任何物质；同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，且摩擦系数极低，是固体材料中摩擦系数最低者[6－8]。

在通过拉力试验测试下，以聚丙乙烯为材质的分段绝缘器在10.62 kN作用力下，外观上无破坏；分段绝缘器绝缘部分由原来的200.3 mm变为203.74 mm，卸载至0后回至200.4 mm。但由于此材质的分段绝缘器形变量偏大，其滑行部分的强度低，受电靴在通过时易产生挤压形变，对机车运行会产生影响。综合考量，虽然此材质绝大多数参数均满足要求，但其关键部位的力学强度不够，不能作为分段绝缘器的首选母材(见图4)。

图4 分段绝缘拉力测试

(2)G11环氧板材料机械性能高、耐潮性、耐高温；优良的阻燃性达到UL94V-0级；优良的加工性能，可根据不同的图纸加工成不同的样式，且易切割；良好的吸水率，吸水系数几乎为零，24 h的浸水也只有0.09%，满足各种载荷下的受力要求，同时满足电气绝缘性能要求。实际的检测数据见表1～表2。

表2 分段绝缘器电学性能

通过检测数据可看出，分段绝缘器的电学性能及力学性能都能满足实际线路运行需要，并且滑行部分的强度也能保证受电靴正常运行。

7 分段绝缘器机械及电学性能

分段绝缘器作为供电系统的重要部件，其机械和电学性能必须满足产品设计要求。国家权威检测机构对产品相关性能进行了检测，检测结果见表1；电学性能检测主要检测项目包括绝缘电阻、泄漏电流、雷电全波冲击耐受电压试验、工频干耐受电压、工频湿耐受电压、人工污秽工频耐受电压试验，检测结果见表2。从表1和表2可以看出此产品相关性能均合格，可以满足产品设计和使用要求。

8 结束语

磁浮供电系统中分段绝缘器是供电线路的绝缘设备，其主要作用是对各供电分区的电气进行分隔和机械连接，是供电系统中的重要组成部分。设置在两电分段区间，一旦发生串电事故，很可能会引发维修人员的触电危险。因此，必须要对分段绝缘器的常见故障进行研究，找出引发故障的原因，制定优化措施，优化分段绝缘器的结构，加强日常维护等，以此来降低分段绝缘器的故障发生频率，保证磁浮机车运行畅通。