接觸網(wǎng)分段絕緣器的動(dòng)態(tài)特性分析及維護(hù)

楊 楨

0 引言

隨著國內(nèi)高速鐵路的迅猛發(fā)展，對(duì)接觸網(wǎng)的安全性和可靠性提出了更高的要求。分段絕緣器是接觸網(wǎng)最重要的零部件之一。分段絕緣器質(zhì)量集中，不易安裝，易產(chǎn)生較大硬點(diǎn)，使電力機(jī)車受電弓不能平穩(wěn)通過，容易產(chǎn)生電弧，燒損線路，以至影響弓網(wǎng)的安全性。因此，研究分段絕緣器的特性，提高分段絕緣器的運(yùn)行穩(wěn)定性，延長分段絕緣器的使用壽命顯得十分必要。

1 分段絕緣器常見故障類型

高速鐵路電力機(jī)車運(yùn)行速度的提高及機(jī)車碳滑板受電弓的普遍應(yīng)用，使接觸網(wǎng)分段絕緣器的工作條件發(fā)生了巨大變化，發(fā)生故障的可能性越來越大，直接影響機(jī)車運(yùn)行安全和高速鐵路的正點(diǎn)率。

根據(jù)對(duì)既有的城際鐵路和客運(yùn)專線故障類型分析，分段絕緣器的常見故障類型如下：

（1）分段絕緣器銅滑道和連接線夾底部安裝不在同一平面，底平面未與鋼軌面平行安裝，以至造成拉弧、刮弓、打弓事故。

（2）由于分段絕緣器和接觸線在單位質(zhì)量和彈性方面均存在較大差異，在連接處便形成硬點(diǎn)。當(dāng)連接狀態(tài)不夠平滑時(shí)，硬點(diǎn)值會(huì)增大，使接頭處接觸線磨耗嚴(yán)重。

（3）分段絕緣器鐵配件與接觸線、承力索、絕緣棒之間連接螺栓松動(dòng)，在長期大張力作用下發(fā)生抽脫、斷線事故。

（4）分段絕緣器絕緣棒表面臟污、內(nèi)芯侵入水氣、材質(zhì)老化等，發(fā)生局部電腐蝕，使絕緣棒脆裂、燒損直至發(fā)生斷裂事故。由于金屬構(gòu)件機(jī)械強(qiáng)度較高，因此分段絕緣器的最薄弱環(huán)節(jié)就是絕緣棒，尤其是它的2 個(gè)端部[2]。

2 分段絕緣器動(dòng)態(tài)特性分析

2.1 理論假設(shè)

以菱形分段絕緣器作為研究對(duì)象。當(dāng)分段絕緣器與軌道平面不平行，即存在一個(gè)夾角θ 時(shí)，受電弓通過分段絕緣器的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程可以看作是一個(gè)力學(xué)平衡過程。

在該過程中，受電弓滑板進(jìn)入分段絕緣器時(shí)只與分段絕緣器的滑道作用，滑道受到一向上的抬升力f，從而產(chǎn)生一力矩T，力矩T 會(huì)使分段絕緣器產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度。

由材料力學(xué)知識(shí)[3]可知：對(duì)于長為l，在兩端受一外力偶矩T 作用的等徑圓桿，兩端橫截面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角

式中，T、G、Ip均為常量，T 為扭矩。

直徑為d 的圓截面的極慣性矩

2.2 受電弓過分段絕緣器力學(xué)過程分析

受電弓滑板由左至右通過分段絕緣器時(shí)，因受電弓有前后2 個(gè)滑板，所以受電弓與分段絕緣器的相互作用可分為以下5 個(gè)過程。

（1）前滑板（a）進(jìn)入分段絕緣器至后滑板（b）將要進(jìn)入分段絕緣器時(shí)為第1 個(gè)過程（圖1）。

此時(shí)，滑板a 會(huì)對(duì)滑道1 作用一向上的抬升力f ，產(chǎn)生力矩T1：

圖1 第1 過程系統(tǒng)示意圖

綜合式（1）—式（3），并將T = T1/2 代入可得第1 個(gè)過程扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為

（2）滑板b 進(jìn)入分段絕緣器至滑板a 移動(dòng)到中心絕緣棒處為第2 個(gè)過程，如圖2 所示。

此時(shí)分段絕緣器受到受電弓2 個(gè)滑板同時(shí)向上的抬升力，均為f，受電弓滑板對(duì)x 軸的力矩T2就由2 部分組成，滑板a、滑板b 對(duì)分段絕緣器作用力的力矩分別表示為 2T′，2T′總力矩為T2：

圖2 第2 過程系統(tǒng)示意圖

綜上可得第2 個(gè)過程扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為

（3）滑板a 通過中心絕緣棒開始至滑板b 移動(dòng)到中心絕緣棒處為第3 個(gè)過程，如圖3 所示。

圖3 第3 過程系統(tǒng)示意圖

分析過程與過程2 類似，結(jié)果：

即第3 個(gè)過程扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為

（4）滑板b 移動(dòng)到中心絕緣棒開始至滑板a滑出分段絕緣器時(shí)為第4 個(gè)過程，如圖4 所示。

圖4 第4 過程系統(tǒng)示意圖

同樣參考前面過程的分析，得

綜上可得第4 個(gè)過程扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式

（5）滑板a 滑離分段絕緣器開始至滑板b 滑離分段絕緣器時(shí)為第5 個(gè)過程，如圖5 所示。

圖5 第5 過程系統(tǒng)示意圖

計(jì)算可得：

第5 個(gè)過程扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為

2.3 問題分析

綜上所述，受電弓通過分段絕緣器整個(gè)過程中分段絕緣器在受電弓作用下的扭轉(zhuǎn)角可整理如下：

2.3.1 偏移角θ 整定

分析整個(gè)過程不難發(fā)現(xiàn)：由于分段絕緣器在受電弓通過的整個(gè)過程中都受到變化力矩的作用，因此一直處于振動(dòng)狀態(tài)，即θ 始終都在變化，但變化一般較小，并且是圍繞分段絕緣器初始平衡狀態(tài)及θ 的初值而變化的，所以這里θ 可用初值近似計(jì)算，取θ = 10°。

2.3.2 抬升力f 整定

受電弓向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，受電弓抬升力

受電弓向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，受電弓抬升力

式中，F(xiàn)0為受電弓靜態(tài)抬升力；Fm為受電弓鉸接處摩擦阻力；Fa為受電弓壓力的動(dòng)力分量，由受電弓的歸算質(zhì)量及垂直加速度決定；Fk為受電弓壓力的空氣動(dòng)力分量。

電力機(jī)車通過分段絕緣器時(shí)通常速度相對(duì)較慢，此時(shí)可不考慮Fk的影響，又因?yàn)镕m、Fa受多種因素影響，如軌道坡度、風(fēng)速等，不易確定，所以采用靜態(tài)抬升力來代替實(shí)際抬升力，取F =70 N，則滑板a、b 產(chǎn)生的抬升力均為f = F/2 = 35 N。

2.3.3 接觸線長度l 整定

分段絕緣器一般安裝在距定位點(diǎn)3～5 m 處，所以對(duì)分段絕緣器兩側(cè)的接觸線，l 取值不等，由φ的表達(dá)式容易看出取較小值時(shí)，接觸線的扭轉(zhuǎn)角度較小，即分段絕緣器的扭轉(zhuǎn)角取決于扭轉(zhuǎn)角度較小一邊的接觸線長度，所以l 就等于分段絕緣器到近端定位點(diǎn)的距離，這里取l = 5 m。

2.4 問題討論

本文以CTHA-110 銀銅合金接觸線為例，其中切變模量G = 4.8×1010N/m2。代入得：

由此可以做出受電弓過分段絕緣器時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角φ與受電弓通過距離x 的關(guān)系圖（圖6）。

分析得到的數(shù)據(jù)及圖6 可以發(fā)現(xiàn)：分段絕緣器在受電弓作用下扭轉(zhuǎn)角度很小，最大扭轉(zhuǎn)角不超過0.6°，若要減少因分段絕緣器的不平順而造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定，則需要采取措施增大扭轉(zhuǎn)角φ。

由扭轉(zhuǎn)角表達(dá)式可知：d4G 由接觸線性質(zhì)決定，則為常量；雖然在滿足受流特性的基礎(chǔ)上，受電弓滑板的抬升力f 有一定的變化區(qū)間，但變化范圍不大，影響較??；x 很顯然也無法改變。所以只能依靠改變l 來增大φ值，l 越大，φ值越大，而φ值取決于分段絕緣器距一跨距內(nèi)兩端定位點(diǎn)較小的l，即最大值是在跨中的位置。

圖6 φ - x 關(guān)系圖

另外，從圖6 可看出，受電弓移動(dòng)至分段絕緣器靠近中間位置時(shí)，扭轉(zhuǎn)角相對(duì)兩端大很多，這是由于菱形分段絕緣器兩端較窄，中間較寬造成的。

由上述分析可得如下結(jié)論：

（1）分段絕緣器應(yīng)當(dāng)安裝在跨中，從而使分段絕緣器兩端受壓平衡，減少受電弓通過時(shí)發(fā)生側(cè)磨、打弓、產(chǎn)生大電弧等現(xiàn)象。

（2）分段絕緣器兩端的寬度不能過窄，這樣有助于增大扭轉(zhuǎn)角，進(jìn)而改善分段絕緣器的不平順性，即在結(jié)構(gòu)形式上對(duì)分段絕緣器進(jìn)行改進(jìn)。

3 分段絕緣器維護(hù)措施

3.1 改善分段絕緣器的單位質(zhì)量和彈性

分段絕緣器的基本要求是過渡平滑和絕緣可靠，因此在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式等方面還需進(jìn)一步改進(jìn)，使其單位質(zhì)量和彈性盡可能地接近接觸線的性能，并且在不同運(yùn)行條件下，選擇不同類型的分段絕緣器以確保弓網(wǎng)匹配的要求。

3.2 加強(qiáng)分段絕緣器的維護(hù)

接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)里唯一的無備用設(shè)施，加強(qiáng)接觸網(wǎng)的日常維護(hù)，定期對(duì)分段絕緣器等重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行檢查是保證供電可靠性的關(guān)鍵。

分段絕緣器的重點(diǎn)部位檢查包括：連接螺栓是否緊固，銅滑道、絕緣棒、連接線夾是否存在臟污、裂痕、電腐蝕、材料老化和潮濕等現(xiàn)象，做到及時(shí)維護(hù)和清理。

3.3 及時(shí)更換損壞的分段絕緣器

分段絕緣器在大張力作用下產(chǎn)生非彈性變形，以及局部電腐蝕，造成斷裂、燒損等現(xiàn)象都有可能造成設(shè)備的永久性損壞。發(fā)生上述事件后，供電段、接觸網(wǎng)工區(qū)需及時(shí)派人奔赴現(xiàn)場，進(jìn)行應(yīng)急事故搶修，縮短事故停電時(shí)間。

4 結(jié)論

本文從分段絕緣器的運(yùn)行穩(wěn)定性出發(fā)，對(duì)受電弓過分段絕緣器的動(dòng)態(tài)不平順特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，并借助材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)總結(jié)出受電弓經(jīng)過分段絕緣器時(shí)動(dòng)態(tài)過程，進(jìn)而提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施；同時(shí)對(duì)分段絕緣器的其他故障類型提出了改善和維護(hù)措施，以降低高速鐵路運(yùn)行中分段絕緣器故障的發(fā)生概率，為鐵路供電系統(tǒng)運(yùn)行及維護(hù)提供了相應(yīng)的參考依據(jù)。

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