极端环境对高速动车组受电弓弓角放电电压影响的试验研究

景所立，张作钦，杨 林，赵立江，杨泽锋

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111；2.西南交通大学电气工程学院，成都 611756)

高速铁路均采用电力进行牵引，高速列车通过受电弓与接触网滑动接触获取动力来源，由于接触网存在线岔、锚段关节等不平顺部位，为防止车辆运行时接触网钻到受电弓弓头下方损坏接触网或受电弓导致弓网事故的发生，受电弓弓头长度方向左右两侧对称设置有两根受电弓弓角，以引导其平滑过渡[1-2]，具体安装方式见图1。当受电弓降弓、而支撑绝缘子绝缘性能正常时，由于受电弓弓角距列车车顶较近，二者之间的绝缘强度相对薄弱，加上受电弓长期暴露在户外复杂环境，易受到污秽、雨水、盐雾等环境的影响，使得车顶绝缘性能进一步下降，受电弓弓角与车顶间的闪络、放电现象时有发生[3-7]。

图1 受电弓弓角与受电弓盆断面(单位：mm)

近些年来，通过“引进-消化-吸收-再创新”的发展策略，轨道交通行业发展迅猛，高速列车已成为我国的一张名片[8]。在实际运营中，某型号高速列车出现弓角对列车车顶闪络、放电等现象，这对受电弓正常升弓、接触网可靠供电、列车安全运营、铁路稳定运输等带来安全隐患，因此，为保障铁路安全稳定运营，不断完善受电弓弓角的既有设计，有必要对该型号动车组受电弓弓角放电影响因素及变化规律进行探究。

本文基于某型号高速动车组受电弓弓角既有设计方案，对各材质弓角在不同极端气候环境下的工频、雷电击穿电压进行考察，拟为其后续弓角的优化方案设计、使用选型等提供依据与指导。

1 试验布置及方法

1.1 实验对象及模型

被试受电弓弓角按材质分类主要包括如下3种，即：金属弓角、半绝缘弓角和全绝缘弓角。实际工况中，受电弓弓角相对车顶的安装位置及各类弓角的外形尺寸如图1、图2所示。试验模型搭建所用材料主要包括弓角、支撑绝缘子、受电弓盆侧板等，均由相应厂商提供，模型的架构安装方式如图3所示，弓角尖端距受电弓盆侧面挡板最短距离为182 mm。

图2 各类型弓角尺寸参数(单位：mm)

图3 弓角-受电弓盆架构模型(金属弓角)

1.2 环境模拟

1.2.1 雨水环境

我国气象局规定的雨型划分依据是24 h内的总降雨量，并不反映24 h内的某一个瞬时的降雨量[9-10]。因此，引入降雨瞬时雨强概念，选择特大暴雨的瞬时雨强(14.5 mm/min)和污秽严重地区的雨水电导率(100 S/m)作为雨水环境模拟参量[11]。雨水由自来水和蒸馏水调制得到，雨强按照降雨量测量方法进行计算，电导率通过电导率测试仪进行测定。

1.2.2 NaCl盐雾

以高电导率盐雾来模拟极端水雾(雾霾)环境，通过在蒸馏水中加入适量的NaCl配制得到所需溶液[12]。其中所加NaCl试剂纯度超过99.5%，通过改变NaCl含量来调整雾水电导率，NaCl盐雾中主要离子为Na+和Cl-。雾水电导率为0.43 S/m，由电导率测试仪进行测定。

1.2.3 污秽环境

依据标准IEC60077—1—1999中的规定对弓角配制污秽物并进行染污处理，使其表面连续性导电以模拟受污染最严重情况。污液配制及染污具体操作均参照标准DL/T 859—2015《高压交流系统用复合绝缘子人工污秽试验》进行，污液的盐密为0.2 mg/cm2，灰密为1 mg/cm2，主要成分包括高岭土、蒸馏水、商业纯氯化钠，染污方法采用浸污法。弓角污液涂敷效果见图4。

图4 各类型弓角涂污效果

环境中大气污秽物主要来源于土壤尘、汽车尾气、生物质燃料及煤燃烧，对电气设备绝缘强度影响最大的是CaSO4和NaCl，CaSO4使污闪电压升高，NaCl使污闪电压降低[13]。因此，在环境污秽模拟中污秽物主要以NaCl和不可溶性惰性物质进行配制。本试验空间污秽环境主要考虑环境湿度和空间悬浮尘埃两方面因素，通过配制100 S/m的NaCl水溶液，并利用加湿器加湿、鼓尘装置吹起超细高岭土粉末加以实现。试验环境相对湿度要求>95%，鼓尘后能见度要求<1 m。试验环境效果见图5。

图5 空间污秽环境效果

1.3 试验平台及测试方法

试验平台主要包括工频电压源(0～200 kV)、雷电冲击电压源(100～1 800 kV)和自制的环境模拟箱。其中，环境模拟箱由透明树脂板拼接而成，外形尺寸为2 m×1.5 m ×1.5 m，主要由喷淋装置、供水系统和鼓尘装置三部分组成。通过调节供水系统水压和喷头种类，可实现淋雨和喷雾两种功能，通过鼓尘装置可使箱内空间弥漫污秽物，营造极端污秽环境。实验平台设备装置见图6。

图6 实验平台设备、装置

试验时，将弓角-受电弓盆架构模型放入环境模拟箱内，在雷电冲击、工频电压条件下，分别测试金属弓角、半绝缘弓角、全绝缘弓角在干燥、雨水、盐雾、污秽环境下的击穿电压，通过与弓角在相应电压类型条件下的耐压标准进行对比(雷电冲击耐压等级为185 kV、工频耐压等级为65 kV)，判定各类型弓角在各环境下的适用情况。实验升压方式为均匀升压法，实验开始前预留15 min待模拟箱内环境达到稳定状态，每种工况下试验次数≮5次，所有数据取平均值后计算其标准偏差百分数，标准偏差<5%为有效数据。此外，利用高速相机拍摄弓角对受电弓盆侧板放电瞬间，以对各类型弓角放电路径进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 实验结果

依据相关试验标准，利用工频电压源、雷电冲击电压源分别对干燥、雨水、盐雾、污秽环境下的金属弓角、半绝缘弓角、全绝缘弓角进行耐压击穿试验，其中，工频最高试验电压为150 kV，雷电冲击最高试验电压为230 kV(包括正、负极性两种条件)，每种工况条件下的试验次数≮5次，对实验数据进行筛选整理后所得结果见表1。

表1 工频、雷电冲击条件下各类型弓角在不同环境中的击穿电压试验数据 kV

2.2 工频电压下环境条件对各类弓角击穿电压的影响

工频电压条件下各类型弓角的击穿电压随环境变化趋势见图7，通过对比可以发现：在不同环境中，各类型弓角击穿电压虽然都能满足高于65 kV电压等级的要求，但受环境影响波动幅度较大。相比于干燥环境，盐雾、雨水、污秽环境均会使各类型弓角的击穿电压不同程度的下降，其中，全绝缘弓角在3种环境下的击穿电压降幅依次为48.3%、35%、25.3%，半绝缘弓角在3种环境下的击穿电压降幅依次为34.8%、34.7%、8.7%，金属弓角在3种环境下的击穿电压降幅依次为20.4%、22.5%、11.8%。由此可见，全绝缘弓角、半绝缘弓角、金属弓角的击穿电压受环境的影响依次降低，且3种环境中盐雾环境对弓角击穿电压的影响最大，这是由于盐雾中含有大量的带电粒子，可为放电的发展提供大量的自由电荷[14-15]。此外，可以发现此时全绝缘弓角的击穿电压略低于金属弓角，这与两方面的因素有关：一方面是金属弓角的尖端有绝缘套，该绝缘套有一定的高度及厚度，不仅增加了弓角导电部位与受电弓盆的最短路径，还使弓角尖端的曲率半径变大，故利于击穿电压的提升；另一方面，金属、半绝缘弓角与全绝缘弓角的外形尺寸有所差异，后者的尖端曲率半径较小，利于初始放电条件的形成。在雨水环境中，由于雨水的介电常数比空气大得多(约为80∶1)，放电间隙中雨滴的存在使得雨滴颗粒附近的空间场强增强，故弓角的击穿电压有所降低[16-17]；在污秽环境中，由于环境湿度较大，且周围有悬浮导电粒子使场强发生畸变，故也会使弓角的击穿电压下降[18]。

图7 工频电压下各类型弓角击穿电压随环境变化趋势

2.3 雷电冲击电压下环境条件对各类弓角击穿电压的影响

从表1中雷电冲击电压试验结果中可以看到，各类型弓角的击穿现象均发生在正极性过电压条件下，这是由于受电弓盆及弓角均存在一定的曲率半径，极不均匀电场下的极性效应凸显，故使得该种现象发生[19]。

正极性雷电冲击下各类型弓角击穿电压随环境变化趋势见图8。通过对比可以发现：各类型弓角都未能满足在各个环境下击穿电压均高于185 kV的要求，且击穿电压受环境影响有所波动。相比于干燥环境，盐雾环境和污秽环境均使各类型弓角的击穿电压不同程度的下降，其中，全绝缘弓角在两种环境下的击穿电压降幅为19.5%和5.2%，半绝缘弓角在两种环境下的击穿电压降幅为22.9%和6.4%，金属弓角在两种环境下的击穿电压降幅为6.2%和2.7%；而在雨水环境中，各类型弓角的击穿电压有上升的趋势，这是由于在极不均匀电场中，水分子具有弱电负性，容易吸附电子形成负离子，故使间隙的击穿电压有所提高[20]。

图8 正极性雷电冲击下各类型弓角击穿电压随环境变化趋势

2.4 环境条件对各类弓角放电路径的影响

各类型弓角在不同环境中的放电瞬间见表2，从表2可以看到，在干燥环境中，金属、半绝缘弓角均通过空气击穿，从高压金属端表面沿间隙最短路径进行放电。在雨水环境中，金属弓角则因空气绝缘能力下降，使间隙击穿电压降低；半绝缘、全绝缘弓角则由于雨水在弓角表面滴落、汇集导电，高压等电位端延伸至弓角尖端的绝缘材质表面，使绝缘材质失效，故起弧均发生在弓角尖端位置。在盐雾环境中，雾珠富集在弓角表面并沿着弓角尖端向下滴落，与雨水环境类似，此时弓角绝缘材质失效，由于雾滴导电、空气绝缘能力降低的缘故，各类型弓角的对地击穿电压均降低。在污秽环境中，各类型弓角的电弧放电强度与前3种环境相比有所不同，该种环境下的电弧放电范围更宽，弧柱由细枝状变为火球状，且边界更为模糊、不易区分，这是由于该种环境条件下，空气湿度较高、且周围弥漫有大量的悬浮导电尘埃所致，此外，由于污秽物沉积在弓角表面并润湿形成连续导电物质，使得绝缘材质弓角易沿其表面进行污闪放电。

表2 各类型弓角在不同环境中的放电瞬间(工频电压)

3 结论

本文对某高速动车组车顶受电弓弓角在不同环境下的工频和冲击耐压特性开展了研究，对比分析了不同类型弓角的耐受电压、放电过程，得出如下结论。

(1)工频电压条件下，金属、半绝缘弓角和全绝缘弓角在各极端环境下的击穿电压均高于65 kV电压等级，环境条件对其击穿电压有较大影响，相比于干燥环境，弓角在污秽、雨水、盐雾中的击穿电压依次降低，电压降低幅度分别在8.7%～25.3%、22.5%～35%和20.4%～48.3%。

(2)雷电冲击电压条件下，极性效应使各类弓角放电均发生在正极性冲击电压条件下，且金属、半绝缘弓角和全绝缘弓角都未能满足在各种环境下击穿电压均高于185 kV的要求。相比于干燥环境，盐雾和污秽环境使各类弓角的击穿电压依次降低，降低幅度分别在6.2%～22.9%和2.7%～6.4%，雨水环境反而有利于击穿电压的提升。

(3)雨水、盐雾和污秽环境都是通过在绝缘材料表面形成连续导电通路使绝缘材料失效，进而大幅影响绝缘类弓角的击穿电压，总体而言，3种弓角在各环境条件下的耐受电压表现排序为：全绝缘弓角>半绝缘弓角>金属弓角。

从极端环境工况角度考虑，该型号动车组现役3种类型的弓角中仅全绝缘弓角的各项性能指标接近相关标准要求。动车组车顶受电弓弓角的优化设计有进一步的提升空间，建议从弓角的外形尺寸、绝缘材质以及安装高度设计3个方面进行综合考量，以应对复杂多变的环境条件。