风区接触网隔离开关引线及其连接结构优化

刘玉辉， 王玉环

（1.中国国家铁路集团有限公司工电部，北京 100000； 2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

1 概述

近年来，电气化铁路接触网隔离开关及其上网引线发生多起安全质量事故，如长大引线抽脱侵限、设备线夹烧损等，严重影响了电气化铁路的安全运营. 隔离开关引线及电连接引线受雨、雪、雾、风、冰、污秽、温度等环境影响，在恶劣的环境条件下极易发生绝缘闪络、设备线夹松脱、引线疲劳断丝或断股等故障，影响供电和行车安全，特别是在以大风著称的兰新铁路及兰新高铁的线路上尤为显著［1-2］.

兰新铁路、兰新高铁贯穿世界上罕见的安西、烟墩、百里、三十里风区及达坂城、阿拉山口风口. 特别是百里、三十里风区内大风频繁、风力强劲、风力变化剧烈、定向性极强，最大瞬时风速超过60 m/s. 且具有特殊的盐湖区，该区段“风吹雪”现象比较严重，雪混合泥沙附带片状垃圾会影响开关精准开合触头［3-5］.

1.1 隔离开关引线受风影响

隔离开关及电连接引线，引接接触网各导线之间、分段之间、各股道之间接触悬挂，为了保证电流的通畅，且具有良好的导电性、伸缩性和耐疲劳性能［6］. 在风场内，长大引线受到横向风作用时，便在线索背后形成以一定频率上下交替变化的气流旋涡，从而使线索受到一个交变脉冲力作用［7-8］. 振动的频率发生一般为1～3 Hz，而接触网的振动频率为1～5 Hz. 如果不采取措施，当气流旋涡交替变化频率与导线固有自振频率相等时，导线在垂直面内产生共振即引起导线振动［9-10］.

1.2 隔离开关本体“风吹雪”状态

盐湖区含有灰尘或雪等气流（风）吹向隔离开关的绝缘子，在绝缘子伞裙下面的棱槽间和瓷件背后空间产生旋涡、湍流和局部低气压，使带雪灰尘颗粒黏附在电瓷表面［11-13］. 典型的“风吹雪”严重影响了隔离开关的绝缘柱体的绝缘性能.

1.3 接线端子及设备线夹接口问题显著

隔离开关的接线端子与设备线夹连接、设备线夹与引线压接（螺栓连接）处因风摆的随机性会产生的机械累积疲劳、刀闸接触不良及上网接口薄弱等问题［14-15］. 近年来，设备线夹故障频现，也是运营单位最为关注及有待优化的课题.

2 风区隔离开关故障梳理

接触网隔离开关在实际运行中出现过诸多因风灾引起的问题. 如开关引线与设备线夹、接线端子接口的“刚柔”连接大于10 mm处，极易形成弦的波节点，波节点两侧的振幅变化剧烈，加速线索的疲劳破坏［16-18］.

2.1 风区隔离开关设置情况

兰新铁路、兰新高铁、南疆吐库隔离开关设置、供电方式、支柱类型、电连接类型等，如表1.

表1 隔离开关设置情况Tab.1 Isolation switch settings

2.2 故障调查汇总

新疆百里、三十里及达坂城等风区电气化铁路建设期间，经现场踏勘、模拟风场计算、试验段验证、正式工程实施、故障整改措施等系列工程实践活动，建立了样本空间观测库. 兰新高铁百里风区设有十处观测点，通过定期巡视、监测、检测、测量参数分析，得到的基本样本规律，如图1，隔离开关观测故障点约为13%左右.

图1 兰新高铁样本空间中各故障类型的分布Fig.1 Fault type distribution in the sample space of Lanzhou-Wulumuqi High-speed Railway

3 典型故障案例

风区隔离开关投入使用后，开关、上网引线及各种电连接断股、绝缘间隙等问题比较突出，且具有一定的规律性和代表性，下面列举几个典型案例.

3.1 开关触头故障

南疆铁路吐库段风区，隔离开关采用水平打开方式，大风持续作用导致水平刀闸接触不良，处于半开合状态，产生间隙放电，导致开关频繁“点灯泡的”故障，如图2.

图2 隔离开关间隙放电Fig.2 Gap discharge of isolating switch

3.2 引线风摆及“两两”磨损

兰新高铁运营期间，多处发生多根引线风摆后相互磨损，引线根数及长度在隔开的抗风设计中非常重要，直接决定发生风振的频率、振幅及往复行程，如图3.

图3 多根引线“两两”相磨Fig.3 Lead wire abrasion

3.3 设备线夹及电连接线夹处线索脱落

2014年9月哈密至盐泉北区间1594#支柱隔离开关引线脱落，其主要原因为隔离开关3根引线在支持绝缘子处，采用线鼻子压接后与接线铜板螺栓连接，且左侧线鼻子与引线压接不牢固，引线从在大风作用下从线鼻子内脱出，如图4.

图4 引线从设备线夹中脱出Fig.4 Lead wire disconnected from equipment clips

近年来，发生多起电连接线在线夹压接处断股故障.通过日常的巡视和2C、4C 分析，也不能明显发现电连接线的异常情况，如图5.

图5 上网电连接线夹波接点断裂Fig.5 Broken strand of electrical connection wire

3.4 绝缘距离不足

芨芨槽子牵引所2015年发生一起因大风原因导致AF线对地绝缘距离不足引起跳闸，是因为接触网双极隔离开关AF线侧的引线与接地体间的距离不足造成的.

4 样本空间记录探查

针对此类故障，自兰新高铁开通以来，乌鲁木齐各站段每年在春、秋风季期间对风区的隔开引线进行加强观测并记录数据，累积样本空间，表2为2017年上半年风季长大引线的故障统计，故障频次由2015—2017年呈递减趋势，期间也进行系列的技术整改.

表2 三十里风区风季隔离开关引线故障记录Tab.2 Fault record of isolating switch lead during the windy season

5 故障分析

根据详细的运营记录及样本空间数据显示，每个风季隔离开关的故障均不在少数，主要集中在引线的风摆及其引起的次生故障（设备线夹），故障的位置较为明确，大部分属于规律性故障.

5.1 风场下的引线状态

大风引起的引线风偏、驰振及温度应力耦合，是长大引线脱落、绝缘不足及设备线夹及接口疲劳破坏的主要因素. 温度效应使得引线动态变化由起始的等效线性变为非线性，引线一端固定，另一端引接至承力索，承力索随温度变化也发生动态位移，因此引线的坐标为三维动态坐标. 不稳定的动态特性会导致引线的安装曲线也不是唯一性，等效几何关系如图6所示.

图6 温度影响下的引线偏移状态Fig.6 Lead deflection under the influence of temperature

5.2 设备线夹及隔离开关的端子接口

引线的长短受风响应，其摆动往复行程是引起设备线夹及其端子接口破坏的直接原因，如图7. 通过对引线监测、运营检修排查，断股、断裂的位置基本集中在线夹绑扎处及线夹坡口处，断丝范围在引线弧度端.

图7 隔开端子及设备线夹处引线摆动Fig.7 Lead swing at isolating switch terminal and equipment clamp

5.2.1 上网引线处线夹及线索疲劳

设备线夹连接坡口处，引线受风作用反复折弯，其弧度部分摆幅频率较高，设备线夹处应力集中造成了剪切破坏. 线夹与引线连接处刚柔过渡不畅，导致离线夹10～30 mm处的引线断股. 一般造成引线反复折弯与外部的环境风速的大小和频次有直接关系，据观测，一般起始风速不小于15 m/s，频率约为1 Hz.

5.2.2 设备线夹施工、工艺问题

设备线夹中的压缩型线夹引线脱落，主要原因，一是压接工艺缺陷，二是铜铝过渡技术缺陷［19］.

1）压接损伤

压接工艺用手动或电动专用压接工具对设备管及裸线进行机械压紧而产生的连接，使得金属在规定的限度内发生变形是将导线连接到接触件上的一种技术. 好的压接连接会使金属互溶流动，使绞合导线和接触件材料对称变形，但是近期此种工艺损伤较多，出现了过度压接，导致设备线夹端部变形，线索损伤，加速了风振切口断裂，如图8.

图8 压接不合格结构Fig.8 Crimp unqualified structure

线夹处握裹荷载或滑移荷载不足产生间隙，导致线与绑扎线下部位置磨损.

2）铜铝过渡

在25 ℃下，铜的标准电极电位为+0.337～+0.521 V之间，铝的标准电极为-1.66 V，二者之间有约2 V电位差，有电流通过时易引起铜铝晶界面腐蚀而造成断裂. 工艺的缺陷也是铜铝过度线夹断裂的一个重要因素，经过闪光焊、摩擦焊等工艺的铜铝过渡线夹，滞留焊缝中氧化铝会形成“夹渣”，由于铜、铝热膨胀系数差异为0.000 006 9，在隔离开关合闸状态下，在焊接面的组织处产生热应力损伤. 接触电阻增大，局部电流增大，在热疲劳效应下及频繁的振动下，可导致线夹烧损、断裂，如图9.

图9 设备线夹断裂Fig.9 Broken equipment clamp

5.3 开关引线及设备线夹故障项点

自兰新铁路及兰新高铁开通后，通过现场调查、样本空间记录统计及事故案例分析，隔离开关引线及其相关的故障项点及位置主要有6项，如表3.

表3 三十里风区风季隔离开关引线故障记录Tab.3 Fault record of isolating switch lead during the windy season

6 隔离开关相关针对性抗风措施

综合以上的事故案例总结，在风区接触网隔离开关的故障大多以引线为主导，风作为外激励引发的故障主体为引线风摆疲劳、磨损、线夹处疲劳断股以及设备线夹及隔离开关端子接口故障等. 逐本溯源，我们根据不同线路特征及环境特征，采取了系列抗风措施以抑制引线风振后效性的故障率.

6.1 独立设置开关柱

兰新铁路风区，接触网隔离开关采用单独立柱方式，与转换柱间距为2 m，实现故障分离，保证了一侧的上网引线最短，可有效减少线索风振. 兰新铁路2012 年年底开通，经历了16 个风季，最大瞬时风力17级. 单独设置等径圆钢管柱增强了开关安装稳定性，减少对网的扰动，且隔振支撑有效地缓解了引线摆幅，运营近8年事故率相对较少，如图10.

图10 单独立柱Fig.10 Single pillar

6.2 隔振措施

现场采用隔振措施主要是过渡绝缘子及横担式隔振支撑.

6.2.1 隔开本体接线端子接口保护

过渡绝缘子直接将受风摆动的长大引线阻隔，使隔开接线端子板处的端子及线夹刚性增加，如图11，图中L1的距离一般不大于800 mm，在瞬时风速60 m/s下，偏移不大于5 mm.

图11 过渡绝缘子Fig.11 Transition insulator

6.2.2 隔振支撑

上网前采用折角风振阻隔支撑及支持绝缘子做引线过渡. 最大特点是减少引线的长度，对风振频率进行机械阻隔，有效减少设备线夹与引线固定处的折弯频次，如图12.

图12 隔振支撑Fig.12 Vibration isolation support

利用ANSYS仿真模拟计算兰新高铁隔离开关引线在最大风偏不同温度下的伸缩量动态变化，如图13.

图13 引线有限元模型Fig.13 Finite element model of lead wire

1）兰新高铁. 0 ℃时线索长度为9.558 m（半引线长），按照有过渡隔振支撑与无隔振支撑进行模拟计算，增设隔振支撑后引线的最大风偏为134 mm，线胀量不大于12 mm. 采用折角风振阻隔支撑及支持绝缘子做引线过渡. 隔振支撑的结构形式为矩形管焊接结构，长度约为2.0 m，折叠角度30°左右，可有效地将风摆降低50%以上.

2）兰新铁路. 0 ℃时线索长度为5.025 m（半个线长），极限温差的伸缩量7 mm左右，不设置支撑情况线极限风偏约为105 mm左右，设置阻隔支撑后风偏移为37 mm，风偏及设备线夹坡口的折弯概率降低64.7%，如图14.

图14 有隔振支撑引线的安装曲线Fig.14 Installation curve of lead with vibration isolation support

6.3 引线的间隔措施

本文的图3中，三根TRJ95的引线，在大风的作用下“两两”磨损，造成其断丝、断股. 采用预绞式非等距间隔线夹，柔性间隔措施，且无螺栓免维护. 非等距间隔线夹宜在双支及以上的引线间设置，双支引线设置一组，位于引线跨度的1/3处. 三支引线间隔错位设置两组，间距不小于一组非等距间隔线夹的结构长度.

非等距间隔线夹的本体单丝按照TB/T 3111—2017［20］，采用铜合金单线. 制造工艺采用螺旋预制成型工艺，成型时应保证节距一致，缠绕的方向与引线线索外层绞向一致. 本体握力不小于300 N，振幅±35 mm、频率3～5 Hz、2×106振动试验后非等距间隔线夹无滑移、损伤，如图15和表4所示.

图15 非等距间隔线夹Fig.15 Non-equal spacing wire clips

表4 非等距间隔线夹Tab.4 Non-equal spacing wire clips

6.4 引线板

从隔离开关端子引出的引线经过渡绝缘子，由原断线通过改为连续通过上网，其目的是减少设备线夹的数量、保证电流连续性及防止隔离开关本体出线侧线索疲劳. 连续引线在风摆时，绝缘子的金属附件侧产生微动切割，发生累积磨损. 现场反馈，在很短时间内会将引线的单丝磨断，严重时可引发断线事故. 针对这一问题，拟采用具有线槽、坡口的引线压板，平滑缓坡过渡，可有效防止线索相对微动及切割，如图16、17.

图16 引线压板安装图Fig.16 Installation grapb of lead wire pressure plate

图17 引线压板安装图（单位：mm）Fig.17 Installation graph of lead wire pressure plate（unit：mm）

引线压板的过渡措施在西成高铁及银西高铁中均有应用，西成高铁开通4年，银西开通2年，目前引线压板的工作状态良好.

6.5 铜铝过渡设备线夹优化

引线为铝绞线时，铝质设备线夹与铜质隔离开关接线端子间的过渡方式一般可采用直接或间接过渡.下面介绍一下过渡的具体措施.

6.5.1 工艺优化的铜铝过渡线夹

原铜铝过渡线夹工艺一般有：闪光对接焊、摩擦对接焊、爆炸焊和钎焊. 闪光、摩擦焊其失效主要是由电化学腐蚀、受力条件、热膨胀系数等因素造成. 由于铜铝属于异种金属，二者间天然的电位差再加上环境介质侵蚀是导致线夹断裂的主要原因，经试验及应用调查，采用层压熔化焊接优化工艺，即用弧光把铜铝复合板表面加热融化后加压压接在一起，可有效提高铜铝过渡线夹性能，目前在京沪高铁、西成高铁等线路均有应用，如图18.

图18 铜铝过渡线夹Fig.18 Copper aluminum transition clamp

螺栓型、压接型铜铝过渡线夹，本体均按照GB/T 1196—2017，采用铝含量不低于99.5%的铝型材制造，过渡铜层按照GB/T 5231—2012，采用T2铜型材.

6.5.2 间接铜铝过渡

间接过渡方式推荐采用铜铝过渡板进行电气及机械过渡，铜铝过渡板是一种铜铝复合型材，具有导电性强、导热性好、耐腐蚀等特点.

该型材采用连续半熔态轧制复合方法，在表面连续复合一定厚度铜及铜合金板带，铜铝界面处发生原子扩散，铜铝结合界面为冶金结合. 该型材具有良好的机电性能，在温度变化范围-50～130 ℃、循环1000次后，铜铝剥离强度仍能达到12 N/mm，具有良好的热稳定性. 图19中铜铝过渡板安装时，在板的端部有弯曲识别，可避免安装反向.

图19 铜铝过渡板安装图Fig.19 Installation graph of copper aluminum transition plate

7 结论

本文在总结我国风区电气化铁路接触网隔离开关运营实践经验基础上，利用百里风区样本观测点，通过定期巡视、监测、检测、测量参数分析等，针对兰新铁路、兰新高铁运营期间故障梳理，对接触网的隔离开关的安装、引线设置、设备线夹及局部结构防护进行了优化. 主要建议如下：

1）实践证明，无论普速铁路还是高速铁路，单、双极隔离开关本体输出端子侧宜增设过渡支持绝缘子.

2）引线的长度应根据具体的工程工况计算确定，长大引线增设隔震支撑措施.

3）线索连接、固定处的微动磨损及坡口处累积疲劳可采用引线压板过渡，但是需要注意的是引线压板须有卡槽和弯弧曲面.

4）附加导线上网处的铜铝过渡板的使用，注意识别标致.

5）建议运维单位加强对开关及开关引线的监控，可采取在线监测测温等技术手段.

实践表明，采取以上的优化措施，在规范接触网隔离开关施工安装、引线连接、零部件匹配及提高接触网隔离开关应用的安全性、可靠性等方面均有指导性意义，内陆及沿海地区的电气化铁路接触网隔离开关的安装也可参考使用.