接触网分段绝缘器放电过程分析研究

田升平

摘 要：本研究借助视频资料和分段绝缘器弓位示意图，对机车过分段绝缘器的起弧、燃弧以及电弧的发展过程进行了详细分析。有断口分段绝缘器的放电是由空气间隙形成的贯穿性电弧放电，且不易熄灭;无断口分段绝缘器放电是沿面放电，对绝缘滑道影响极大。通过对无断口的菱形分段绝缘器设置屏蔽环，将放电位置转移到屏蔽环上，可防止绝缘滑道烧毁。通过有限元分析法对绝缘滑道进行电场分析，仿真试验结果表明，增加屏蔽环的改进型菱形分段绝缘器，其绝缘滑道端部等位線分布图较传统菱形分段绝缘器绝缘滑道端部稀疏，且改进型菱形分段绝缘器更不易放电。

关键词：电气化铁道;分段绝缘器;放电过程;有限元电场分析

中图分类号：U225      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）11-0039-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.008

Analysis and Research on Discharge Process of Section Insulator of Overhead Contact System

TIAN Shengping

（China Railway First Survey And Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043， China ）

Abstract：This study through video materials and the section insulator and the pantograph relative position diagrams，this paper analyzes in detail the development process of the igniting，arcing of the section insulator when elextric railway locomotive passes  through a section insulator.The discharge process of the section insulator with opening is mainly a penetrating arc discharge formed by the air gap，which is not easy to extinguish;The discharge process of the section insulator  without opening is mainly discharged along the surface，which has a great impact on the insulated slide.The shielding ring is set for the diamond-shaped section insulator without opening，and the insulated slide can be prevented from burning by transferring the discharge position on the shielding ring;Further，the electric field analysis of the insulated slide is carried out by using the finite element method， the results show that the equipotential line distribution at the end of the insulated slide of the improved diamond-shaped section insulator with shielding ring is thinner than that of the traditional diamond-shaped section insulator， so the improved diamond-shaped section insulator is more difficult to discharge.

Keywords：electrified railway;section insulator;discharge process;finite element electric field analysis

0 引言

分段绝缘器是一种通用的电气化铁道电分段绝缘器件，即可对各供电单元进行电气隔离，又可使机车滑动通过[1]。目前，分段绝缘器在实际运行过程中，存在接触网硬点、接头处接触线磨耗加剧、分段绝缘器绝缘棒烧损等问题。究其原因是分段绝缘器的运行环境比较特殊。分段绝缘器在户外环境中运行，长期受雨淋日晒等，且在机车通过时会产生强大的冲击力。尤其是碳元素材料制成的受电弓与接触网摩擦时会产生碳粉，碳粉在电弧的作用下会逐渐燃烧;在机车通过分段绝缘器时，对间隙或绝缘滑道是一个动态受流过程，放电和拉弧是一个必然过程。

因此，分段绝缘器不仅要具有一定的机械强度和耐机械疲劳的能力，同时还要有防燃弧和灭弧的能力。本研究对分段绝缘器的燃弧过程进行分析，为相关研究的开展提供依据[2]。

1 分段绝缘器的结构

国内外常见的分段绝缘器分为有断口分段绝缘器和无断口分段绝缘器[3]。有断口分段绝缘器的基本结构如图1所示。

有断口分段绝缘器的优点是没有绝缘滑道，不存在沿面放电的问题;缺点是其在长期受到机械冲击后，容易发生机械疲劳，较长一边的滑臂会产生较大变形，出现刮弓及打弓问题，严重时可能会造成断线塌网事故[4]。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

无断口分段绝缘器为菱形结构，基本结构如图2所示。其优点是结构稳定，安装方便，但易引发沿面放电，造成绝缘滑道的端部烧毁[5]。

2 分段绝缘器放电过程分析

2.1 分段绝缘器的气体放电形式

分段绝缘器是一种将空气作为绝缘介质的典型电气设备。气体放电受气压、电源功率、电极形状、电极之间距离等因素的影响，主要有辉光放电、电弧放电、火花放电、电晕放电、刷状放电5种放电形式。有断口的分段绝缘器的放电形式有电晕放电和电弧放电两种，但在大气条件比较恶劣时，也有可能发生刷状放电。而无断口的菱形分段绝缘器主要是沿面放电，放电电压比电弧放电低。

2.2 分段绝缘器放电过程

在有断口的分段绝缘器放电过程的视频中截取到的图片如图3所示，从起弧到灭弧全过程约1 s，共计16张图片。

从图3可以看出，机车从图片右侧向左行进。第1张图片有两个亮点，右侧亮点为机车通过第一个断口时的电弧，持续时间很短，到第2张图片时右侧亮点已经消失;左侧亮点为机车通过第二个断口时电弧，燃弧时间较长。

从图3中左侧放电点放电情况来看，在放电初始时，第2、3张图片中的电弧发出蓝白色亮光;第4～7张图片中的电弧开始变成不规则团状并沿平腕臂向下方燃烧，说明受到可燃物及风压的影响;第8～12张图片燃烧体向左上方发展，并有明显的蓝白色亮光，这时机车已经完全通过分段绝缘器，失去了风压作用，为电弧与可燃物自由燃烧过程;在第13～16张图片中电弧已经熄灭，颜色从亮白色逐步变成橙黄色，脱离分段绝缘器，自由燃烧并逐步熄灭[6]。

对图3中的图片进行分析，可以发现：机车在过分段绝缘器时，起弧和燃弧是空气中可燃物燃烧的现象，并受到机车行驶过程中形成的风压和大气环境中风力的影响。空气中的可燃物主要是受电弓与接触网摩擦而形成的碳粉。

2.3 分段绝缘器放电特点

分段绝缘器两端与不同的接触网电路相连。机车通过时，分段绝缘器与接触网的空气间隙先从大变小，再从小变大，间隙的变化导致电场强度变得非常大，使空气快速电离并瞬间放电。受电弓与接触网之间是滑动接触，常伴随刷状火花放电。受电弓碳滑板在弓网耦合时，一方面高速运动的可燃碳粉与空气碰撞引发空气分子电离，另一方面电弧放电时易形成团状火苗。

2.4 机车过分段绝缘器的过程分析

气体放电理论有汤逊放电理论和流注放电理论，分段绝缘器放电过程更适合用流注放电理论来解释[7]。有断口分段绝缘器和无断口分段绝缘器的弓位示意图见图4。无论是有断口分段绝缘器，还是无断口分段绝缘器，机车过分段绝缘器时有2个重要的位置，即图4中的弓位1和弓位2。

如图4（a）所示，有断口分段绝缘器中的a、b、c、d为导体滑道。受电弓从左到右移动到弓位1时，由于机车负载的原因，受电弓的电压（即滑道a的电压）低于滑道d的电压。在受电弓与滑道d接触前，先出现火花放电，再出现电弧放电，整个放电过程很快，压差变化不大，且受电弓会很快滑到与滑道d接触的位置，受电弓将滑道a、d短接，放电条件不复存在;当受电弓移动到弓位2时，受电弓与滑道a断开，这是一个复杂的过程，其中包括2个主要问题：①对于与滑道a连接的接触网来说，这是一个甩负荷的过程，必然会产生较高的过电压;②在断开的瞬间，由于系统的惯性，必然要通过电弧来保持续流，这将使周围空气快速电离，形成持续的电弧放电，并引起周围空气中的可燃物燃烧，从而形成一个电弧与可燃物同时存在的过程，直至自持放电条件被破坏，电弧才会熄灭。图3中含有蓝白色强光的图片中有电弧的存在，受电弓基本上通过分段绝缘器。图3中的第12张图片仍然有电弧存在，说明机车在通过分段绝缘器后，滑道a和c之间的电弧仍持续了0.6 s左右的时间，这是因为空气中的碳粉有着一定的助弧作用[8]。

如图4（b）所示，无断口分段绝缘器中的e、h为导体滑道，f、g为绝缘体滑道。受电弓从左向右移动到弓位1时，由于机车负载的原因，两侧接触网存在电位差。与带断口分段绝缘器不同的是，无断口分段绝缘器在受电弓与金属滑道h接触前，会先沿着绝缘滑道f出现沿面放电，然后出现沿面贯穿性放电。由于受电弓的移动速度很快，当绝缘滑道f两侧的电位相等时，放电条件不存在，这个放电过程会很快结束。当受电弓移动到弓位2时，受电弓与滑道e断开，这个断开的过程同样有2个问题：①对于滑道e连接的接触网来说，这是一个甩负荷的过程，必然会产生较高的过电压;②在断开的瞬间，由于系统的惯性，必然要通过电弧来保持续流，从而快速形成沿面放电，使周围空气快速电离，形成持续的沿面贯穿性放电，并引起周围空气中的可燃物燃烧，从而形成一个电弧与可燃物同时存在的过程，直至自持放电条件被破坏，电弧才会熄灭[9]。

从这两种绝缘器的放电过程来看，两者主要有3个区别：①有断口分段绝缘器的放电过程主要是由空气间隙形成的贯穿性电弧放电，而无断口分段绝缘器的放电过程主要是沿面放电;②在弓位2形成放电后，带断口的分段绝缘器是一个棒对棒的绝缘结构，不利于电弧熄灭，而无断口的菱形分段绝缘器的电极结构会好很多，随着受电弓的移动，自持放电条件很快被破坏，电弧快速熄灭;③有断口分段绝缘器的放电间隙通道是一种可恢复的绝缘结构，而无断口分段绝缘器绝缘滑道的损伤是不可恢复的，多次放电后会对其表面造成损伤，从而影响放电电压，长期使用会烧坏绝缘滑道[10]。

3 改进型菱形分段绝缘器

3.1 分段绝缘器设置屏蔽环

传统菱形分段绝缘器的绝缘滑道长期暴露于户外环境中，绝缘材料的老化及沿面放电是其固有的症结。在其绝缘滑道两侧设置屏蔽环，如图5所示。通过采取屏蔽措施，将放电位置转移到屏蔽体上，这样可以防止绝缘子表面发生沿面放电，从而避免绝缘滑道被烧毁。

3.2 絕缘滑道电场有限元分析

分段绝缘器安装于接触悬挂中，其电场分布受周围环境的影响较大，主要影响因素有工作支的承力索、接触线、吊弦布置、导流滑道与绝缘滑道的安装精度，以及相邻非工作支的承力索、接触线距离。导流滑道与绝缘滑道处于同一个水平面时，主要对绝缘滑道水平方向上的电位线分布进行分析。当滑道存在偏斜，两端接头线夹等连接零件方位发生变化时，分段绝缘器的电场、电位分布均会发生变化。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

分段绝缘器的绝缘器和间隙电场均属于开域场，其电场分析和计算难度很大，现仅对菱形分段绝缘器增设屏蔽环前后的绝缘滑道电场情况采用有限元法进行分析研究，如图6所示。

图中通过等位线来分析绝缘滑道端部的电场情况，图6（a）为传统菱形分段绝缘器绝缘滑道的等位线分析图，图6（b）为改进型菱形分段绝缘器绝缘滑道的等位线分析图。对图6（a）和图6（b）进行对比分析，改进型菱形分段绝缘器的绝缘滑道大大降低了分段绝缘器绝缘滑道根部的电场强度，从而提高了分段绝缘器端部电晕放电和火花放电的电压，这样将最大场强转移到绝缘器屏蔽环的外侧，即便是出现电晕，也不会伤及绝缘滑道。

4 结语

综上所述，分段绝缘器的放电过程是一个复杂过程，机车通过第一个断口或绝缘滑道时，放电过程很快，原则上不会对分段绝缘器造成较大损伤。机车通过第二个断口或绝缘滑道时，燃弧现象比较严重。随着机车移动，电弧会被拉长，并在空气中出现可燃物燃烧现象。同时，受到机车通过形成的风压与自然空气流动的影响，可燃物对电弧有一定的助燃作用。改进型菱形分段绝缘器在绝缘滑道端部增加屏蔽环后，可有效防止其端部出现电晕、火花放电、沿面放电等问题。

参考文献：

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