懸式瓷絕緣子炸裂的分析及改進措施

蘇冬冬 上海鐵路局調(diào)度所

1 懸式瓷絕緣子炸裂事故

懸式絕緣子的作用，一是用于懸掛導(dǎo)線，二是用來對帶電導(dǎo)線起絕緣作用。它具有良好的絕緣性能、抗氣候變化的性能、耐熱性和組裝靈活等優(yōu)點，廣泛用于接觸網(wǎng)線索下錨、水平拉桿、軟橫跨、隧道內(nèi)、饋線、錨段關(guān)節(jié)等處。懸式瓷絕緣子是屬于可擊穿型的，它是采用水泥將物理、化學(xué)性能各異的瓷件與金屬件膠裝而構(gòu)成的，在長期經(jīng)受電場、機械負(fù)荷和大自然的陽光、風(fēng)、雨、雪、霧等的作用，會逐步劣化，對接觸網(wǎng)的安全運行帶來威脅。特別是含有劣化絕緣子的絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)（由于雷擊或污閃等原因）時，可能會使劣化的絕緣子頭部瞬間發(fā)熱爆炸，造成接觸網(wǎng)事故，嚴(yán)重擾亂了運輸秩序。

近幾年來，管內(nèi)接觸網(wǎng)懸式瓷絕緣子炸裂故障的典型案例的統(tǒng)計和照片，見表1，圖1，圖2，圖3：

表1 懸式絕緣子炸裂引起接觸網(wǎng)故障的統(tǒng)計

圖1 絕緣子鋼帽炸裂

圖2 瓷傘裙炸裂

圖3 接觸網(wǎng)墜坨落地

2 懸式絕緣子炸裂故障的原因分析

（1）如果瓷件在制作過程中配方不當(dāng)，工藝流程中原料混合不均勻，焙燒火力不足等，則瓷件易形成吸濕性氣孔，而結(jié)構(gòu)不合理或者成型時失誤、受力不均等，也會使瓷件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在使用過程中內(nèi)應(yīng)力釋放，引起微裂紋，并在載荷作用下逐漸擴大失穩(wěn)導(dǎo)致斷裂。制作瓷絕緣子一般用水泥作為膠合劑，水泥本身吸收水分和CO2后體積會變大，水泥吸收水分后也會反復(fù)凍結(jié)和融解，促使瓷件劣化。而水泥干燥、凝結(jié)不但會形成吸濕性氣孔，還會產(chǎn)生很多的裂紋。

（2）陶瓷、水泥、鑄鐵緊密粘結(jié)在一起組成絕緣子，而3 種材料的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)都是不同的，絕緣子受到冷熱變化時，各部件的熱膨脹不同，使瓷件受到過大的應(yīng)力，在運行過程中受日光、雨露和冰雪等自然條件的作用會產(chǎn)生吸濕和冷熱變化，造成不均勻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，使陶瓷材料自然老化，引起原有的性能的逐步降低，同時，由于嚴(yán)重吸濕而會加速膠合劑的老化形成強度降低的惡性循環(huán)。例如，夏季烈日，突然又降暴雨時，絕緣子的各部分來不及同時脹縮，絕緣子的局部位置(如頭部)將承受很大的機械應(yīng)力，甚至使瓷件開裂。此時，如果瓷件的體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，則開裂的可能性和嚴(yán)重性更大。長期的運行經(jīng)驗表明，質(zhì)量不好的絕緣子，在夏季，特別是烈日曝曬后又突降大雨的天氣中，絕緣子的劣化率往往比冬季高數(shù)倍。同樣，直接受日照，且受到雨淋的多層針式絕緣子的上層瓷裙和頭部，以及絕緣子的膠裝部位都是劣化率較高的部位。而在高寒地區(qū)，由于存在內(nèi)應(yīng)力，可導(dǎo)致瓷件產(chǎn)生裂紋、氣隙，乃至劣化。

（3）運行中的絕緣子承受長期運行電壓的作用和短時過電壓的作用，在潮濕污穢的地區(qū)，也常常會出現(xiàn)電暈甚至引起局部電弧，也是造成瓷件局部發(fā)熱、龜裂以至擊穿的原因之一。另外，絕緣子在運行中承受長期機械負(fù)荷的作用，同一噸位的絕緣子承受機械負(fù)荷愈大，劣化率愈高，統(tǒng)計在各電壓等級下的線路上運行的絕緣子，耐張串的劣化率明顯高于直線串就是例證。同時, 用于V 型串的絕緣子，也由于受到機械振動較大，其劣化率往往高于直線串。此外，絕緣子在運輸、施工過程中，如果沒有妥善的措施，受到外力的沖擊較大，也會造成劣化率增加。

對于接觸網(wǎng)線路中的懸式絕緣子運行中劣化主要表現(xiàn)是絕緣電阻下降和絕緣擊穿，也表現(xiàn)為瓷盤脫落或裂紋以及表面燒傷等；絕緣擊穿及絕緣降低的絕緣子又常稱為“零”值或“低”值絕緣子。如絕緣子串中出現(xiàn)“零值”，有時在一串中能檢出2～3 片，“零值”，則相當(dāng)于部分絕緣被短路，相應(yīng)地也減少了絕緣子串的整體爬電距離，因而大大增加了該串絕緣子的閃絡(luò)概率。如果帶“零值”的絕緣子串發(fā)生了污閃，工頻短路電流將會通過"零值"絕緣子的內(nèi)部流過，強大的短路電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，往往會造成懸式絕緣子鋼帽炸裂或脫開，從而出現(xiàn)絕緣子串的斷串和接觸網(wǎng)落地或墜坨落地等一系列嚴(yán)重事故。

3 改進措施

3.1 采用新型絕緣子

3.1.1 采用鋼化玻璃絕緣子

近年來，鋼化玻璃懸式絕緣子在電氣化鐵道中有所應(yīng)用。它由鐵帽、鋼化玻璃絕緣件和鋼腳組成，并用水泥膠合劑膠合為一體。其特點如下：

（1）零值自破、便于檢測。即當(dāng)絕緣子失去絕緣性能或機械過負(fù)荷時，傘裙就會自動破裂脫落，容易發(fā)現(xiàn)，可及時進行更換，且無需等桿逐片檢測，降低了工人的勞動強度。

（2）耐電弧和耐振動性能好。在運行中，玻璃絕緣子遭受雷電燒傷的新表面仍是光滑的玻璃體，并有鋼化內(nèi)應(yīng)力保護層，因此，它仍保持了足夠的絕緣性能和機械強度。

（3）自潔性能好，不易老化。玻璃絕緣子不易積污和易于清掃，人工清掃的周期比瓷絕緣子長，降低了維護費用。對典型地區(qū)線路上的玻璃絕緣子定期取樣測定運行后的機電性能，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明35 年后的玻璃絕緣子的機電性能與出廠時基本一致，未出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

（4）主容量大，成串電壓分布均勻。玻璃的介電常數(shù)為7～8，使玻璃絕緣子具有較大的主電容，成串的電壓分布均勻，有利于降低導(dǎo)線側(cè)和接地側(cè)附近絕緣子所承受的電壓，從而達到減少無線電干擾、降低電暈損耗和延長使用壽命的目的。缺點是裙件遇外力破壞易炸裂，損壞率比瓷絕緣子高。玻璃絕緣子的自爆率屬早期暴露，隨著運行時間的延長，自爆率呈逐年下降趨勢。

普通的鋼化玻璃絕緣子型號為LX-4.5，其技術(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表2 鋼化玻璃絕緣子技術(shù)數(shù)據(jù)

3.1.2 采用復(fù)合絕緣子

復(fù)合絕緣子的基本絕緣部件由芯棒和傘套組成，芯棒用玻璃纖維素經(jīng)樹脂浸漬而成，具有很高的抗拉強度，芯棒外部的護套和傘裙一般由硅橡膠和乙丙橡膠材料制成，護套包裹在芯棒外表面，一方面提供良好的外絕緣性能，另一方面保護芯棒免受大氣侵蝕。主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 復(fù)合絕緣子主要技術(shù)參數(shù)

復(fù)合絕緣子的優(yōu)點為：

①機械強度大，抗拉、抗彎、耐受沖擊性能好。

②自身重量較輕，只有瓷絕緣子重量的1/10 左右，方便運輸、安裝。

③絕緣性能好，硅橡膠是憎水性材料，特別是在嚴(yán)重污染和大氣潮濕情況下的絕緣性能十分優(yōu)越，從而減少防污清掃量。

④耐電弧性能好。

缺點是：

①其價格較為昂貴。

②缺乏簡單有效的現(xiàn)場檢測技術(shù)。

3.1.3 采用棒形懸式瓷絕緣子

采用棒形懸式瓷絕緣子，來防止雷閃、污閃情況下的掉串事故，因為棒形懸式瓷絕緣子是一種外裝球窩式的不可擊穿結(jié)構(gòu)，其電氣性能好，不存在零值、低值絕緣子，且壽命長，價格便宜及耐電弧性能好。因此在雷閃、污閃情況下，內(nèi)部不會有通道，只會發(fā)生沿面閃絡(luò)，也就不會發(fā)生絕緣子炸裂造成接觸網(wǎng)塌網(wǎng)事故。但由于棒形懸式瓷絕緣子掛網(wǎng)時間短，運行經(jīng)驗少，必須經(jīng)過長期運行的考核檢驗。

我們對各種絕緣子的性能作了分析和比較，結(jié)合不同的場合，不同的用途，日常工作中可以參考一下（見表4）。

表4 不同類型線路絕緣子的性能比較

3.2 改進施工和現(xiàn)場維護檢測

絕緣子瓷體易碎，安裝、運輸中應(yīng)特別注意。絕緣子連接件不允許機械加工和熱加工處理。絕緣子在安裝使用前應(yīng)嚴(yán)格檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)絕緣子瓷體與連接件間的水泥澆注物有輻射狀裂紋及瓷體表面破損面積超過300 mm2時，應(yīng)禁止使用該絕緣子。

絕緣子的電氣性能隨著時間的推移，其絕緣強度會逐漸下降，因此，在使用中每年至少進行一次絕緣電壓分布測量，以檢查絕緣子的性能是否正常可靠。為了保證絕緣子性能可靠，應(yīng)對每個絕緣子按具體情況進行定期或不定期的清掃和檢查。特別是在雨、雪、霧、霜天氣以及混合牽引區(qū)段，應(yīng)經(jīng)常觀察絕緣子的狀態(tài)，及時清掃防患于未然。

4 小結(jié)

造成懸式絕緣子炸裂劣化的原因是多方面的，為避免劣質(zhì)絕緣子在接觸網(wǎng)中繼續(xù)運行，防止前述惡性接觸網(wǎng)事故發(fā)生，必須從材料、施工、組織、日常管理、運行維護，加強對絕緣子質(zhì)量的全過程管理，保證電氣化鐵道接觸網(wǎng)安全運營。

[1]張萬里. 接觸網(wǎng)工技術(shù)問答850 題.北京：中國鐵道出版社，1998.

[2]于萬聚. 高速電氣化鐵道接觸網(wǎng). 成都：西南交通大學(xué)出版社，2002.

[3]張道俊陶維富. 接觸網(wǎng)運營檢修與管理.北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]馬崇,杜箏.輸電線路陶瓷絕緣子劣化原因分析.華北電力技術(shù)，2006 No.7.