鄭西高鐵接觸網(wǎng)絕緣管理問題的分析與對策

兀新野

鄭西高鐵接觸網(wǎng)絕緣管理問題的分析與對策

兀新野

分析了鄭西高鐵在運(yùn)營中存在的問題，并對其整改狀況進(jìn)行了評估，提出了提高接觸網(wǎng)絕緣管理水平的意見及建議。

高鐵；絕緣管理；問題；對策

0 引言

接觸網(wǎng)的絕緣設(shè)置就是根據(jù)接觸網(wǎng)所在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中所可能施加的正常工作電壓、操作過電壓和大氣過電壓等，并考慮保護(hù)裝置的特性和接觸網(wǎng)絕緣特性，確保接觸網(wǎng)對所加電壓的耐受強(qiáng)度，以便把作用于接觸網(wǎng)上的各種電壓所導(dǎo)致的接觸網(wǎng)損壞和影響接觸網(wǎng)不間斷正常供電的概率降低到經(jīng)濟(jì)上和鐵路運(yùn)營所能接受的最佳水平。它主要涉及各類絕緣部件的選配標(biāo)準(zhǔn)、絕緣間隙的確定、限壓措施的設(shè)置。科學(xué)地協(xié)調(diào)好接觸網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用、運(yùn)營管理成本和事故損失費(fèi)用三者之間的關(guān)系是設(shè)計(jì)、維護(hù)的工作要求。

在實(shí)際運(yùn)用中，因設(shè)計(jì)、施工、產(chǎn)品質(zhì)量等原因，導(dǎo)致設(shè)備在投入運(yùn)營后存在這樣或那樣的問題。下面針對鄭西高鐵在運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)的一些傾向性問題，從絕緣產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)及施工安裝和運(yùn)營維護(hù)等方面進(jìn)行剖析，并提出相應(yīng)的對策及建議。

1 問題的分析及對策、建議

1.1 絕緣部件的質(zhì)量問題

鄭西高鐵自2010年2月6日開通以來，由于采用的AF線懸棒式絕緣子（以下簡稱懸棒）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在雷電、雨雪、霧霾、融雪結(jié)冰等惡劣天氣和鳥害預(yù)防方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到運(yùn)行要求，經(jīng)常出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)跳閘現(xiàn)象。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自開通至2013年底，管內(nèi)共發(fā)生絕緣子閃絡(luò)故障75件，而AF線懸棒閃絡(luò)占41件，為總件數(shù)的54.7%，影響了鄭西高鐵牽引供電設(shè)備的暢通運(yùn)行（表1）。

1.1.1 原因分析

鄭西高鐵正饋線絕緣子，瓷瓶結(jié)構(gòu)高度為502 mm，空氣絕緣距離為330 mm，爬電距離≥1 400 mm。如圖1所示。

而根據(jù)鐵標(biāo)要求，電氣化鐵道接觸網(wǎng)所用棒形瓷絕緣子的總體高度最小值為660 mm，瓷質(zhì)長度最小為430 mm，而該絕緣子相應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為502和330 mm，不能滿足行業(yè)要求。

1.1.2 建議和措施

（1）對于環(huán)境比較惡劣的區(qū)段，將其更換為憎水性、自潔能力強(qiáng)的硅橡膠絕緣子（泄漏距離為1 400 mm）。

（2）對于其他區(qū)段，將其更換為4片懸式絕緣子，但是更換后又帶來了另一個(gè)問題：

由于更換為4片懸式絕緣子后，AF線的泄漏距離為1 600 mm，導(dǎo)致其與T線的泄漏距離不匹配（T線的泄漏距離為1 400 mm），在遭遇雷電天氣時(shí)，T線絕緣子閃絡(luò)故障較更換前有了明顯增多。距統(tǒng)計(jì)，自2012年上半年將AF線絕緣子大批更換為懸式絕緣子后，T線棒式絕緣子較更換前所遭受雷電的幾率大大增加，更換前為8.33%，更換后為48.4%。這個(gè)問題須待進(jìn)一步探討。

表1 2010—2013年鄭西高鐵跳閘統(tǒng)計(jì)表

圖1 AF線懸棒型絕緣子示意圖

1.2 絕緣配合問題

1.2.1 問題的引入

絕緣配合就是綜合考慮電氣化鐵路供電系統(tǒng)中各設(shè)備的絕緣能力，欲使絕緣能耐受所有可能遇見的最大過電壓，尤其是大氣過電壓。對于接觸網(wǎng)系統(tǒng)來說，必須要求在任何運(yùn)行條件下（如由于風(fēng)力或受電弓的抬升力使導(dǎo)線擺動(dòng)或振動(dòng)），導(dǎo)線及其它帶電金具和接地部分之間空氣間隙的絕緣強(qiáng)度不小于接觸網(wǎng)絕緣子的絕緣強(qiáng)度。

但是，該問題目前在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上做不到。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，主要掌握一個(gè)原則：若進(jìn)一步改善絕緣可靠性所花費(fèi)用，不能用減少絕緣損壞事故所節(jié)約的費(fèi)用來補(bǔ)償?shù)脑?，就不要再以提高絕緣水平作為代價(jià)。也就是說，在考慮牽引供電系統(tǒng)的絕緣配合時(shí)，若在過電壓破壞絕緣不可避免時(shí)，應(yīng)將這種破壞引導(dǎo)、限制在最小的、安全可控的范圍之內(nèi)。

而鄭西高鐵隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，只要求接觸網(wǎng)、供電線、正饋線等帶電部分至接地體的凈空靜態(tài)最小距離不小于300 mm，動(dòng)態(tài)情況下不小于240 mm，但是沒有考慮在遭受雷電過電壓時(shí)，這些設(shè)備至接地體的凈空距離要求。從而導(dǎo)致出現(xiàn)空氣間隙被擊穿而燒斷線索現(xiàn)象，一旦接觸網(wǎng)斷線，后果將不堪設(shè)想。下面就2013年8月11日鄭西高鐵澠池南至三門峽南區(qū)間朱家溝1#隧道西口上行K806+336m處非支承力索由于距AF線肩架絕緣距離不足，導(dǎo)致遭遇雷電時(shí)空氣間隙被擊穿，發(fā)生承力索斷股情況分析如下。

1.2.2 原因分析

（1）現(xiàn)場調(diào)查情況。鄭西高鐵澠池南至三門峽南區(qū)間朱家溝1#隧道與朱家溝2#隧道間為朱家溝中橋，兩隧道間距229 m，隧道頂部為小土丘，山體坡度平緩，山體高于接觸網(wǎng)20 m左右，兩隧道間為風(fēng)口地段，易遭受雷電沖擊；朱家溝1#隧道鄭州方向?yàn)榍帻垵咎卮髽?，南交口分區(qū)所上網(wǎng)隔開（設(shè)置有避雷器）距故障點(diǎn)較遠(yuǎn)，達(dá)1.715 km。

故障點(diǎn)為朱家溝1#隧道西口上行T12#吊柱西側(cè)2.8 m（公里標(biāo)為K806+336m）處非支承力索（距隧道口約37 m）處，承力索對AF線Z型肩架端部尖角放電（圖2）。

圖2 承力索對F線Z型肩架端部尖角放電圖

距故障點(diǎn)最近T線設(shè)備絕緣間隙測量：朱家溝1#隧道西口錨柱1036#柱距跳閘點(diǎn)58 m，其棘輪底座距斜腕臂鐵錨壓板處帶電距離為430 mm。

距跳閘點(diǎn)最近AF線設(shè)備絕緣間隙測量：AF線Z型肩架距AF線水平距離約320 mm。

（2）故障原因推理分析。首先，根據(jù)故障現(xiàn)場調(diào)查情況分析，應(yīng)排除設(shè)備遭受感應(yīng)雷過電壓的可能性，因?yàn)锳F線最小空氣絕緣間隙遠(yuǎn)小于T線。其次，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，引起跳閘有2種可能性。

a.直擊雷過電壓。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，雖然故障點(diǎn)在隧道口，并且在兩山體間。但是，該處山體較小，而且處于風(fēng)口區(qū)段，為雷電易擊區(qū)，容易遭受直擊雷的影響；那么，T線遭受直擊雷的概率應(yīng)較其他處所大一些。另外，根據(jù)高電壓技術(shù)明確要求35 kV等級電線路要求其雷電過電壓最小空氣絕緣間隙不小于450 mm。牽引供電線路的空氣絕緣間隙應(yīng)較450 mm稍大一些，那么，現(xiàn)場測量的接觸網(wǎng)承力索對AF線Z型肩架端頭絕緣間隙僅為415 mm，就不滿足雷電過電壓的要求。

另外，根據(jù)故障性質(zhì)分析，承力索對AF線Z型肩架端部尖角放電，屬于在極不均勻的電場中發(fā)生的，肩架端部尖角導(dǎo)致局部場強(qiáng)增強(qiáng)，從而引起擊穿電壓下降。因此，可參照針尖電極-平板的空氣間隙（S）的50%沖擊放電電壓曲線（圖3）對其進(jìn)行分析。從圖中顯示，空氣絕緣間隙S與50%沖擊放電電壓（Y）為線性關(guān)系。由此得出放電電壓與空氣絕緣間隙關(guān)系為Y = S / 3 + 70。據(jù)此可推知，該類絕緣間隙必須確保在600 mm以上。

圖3 50%沖擊放電電壓曲線圖

b.異物搭接。故障也有可能為被風(fēng)吹落的異物在跳閘點(diǎn)導(dǎo)致短路跳閘。但是，據(jù)調(diào)查，故障發(fā)生時(shí)無風(fēng)且沒有動(dòng)車組通過，異物被吹進(jìn)去的可能性可以排除。

綜合以上分析，故障應(yīng)該是直擊雷過電壓引起跳閘的概率大一些，而且很有可能是直擊雷繞擊造成（因?yàn)锳F線高于T線）。當(dāng)直擊雷擊于T線后，由于附近絕緣子性能良好，而朱家溝隧道T12西接觸網(wǎng)非支承力索對AF線Z型肩架絕緣間隙為415 mm，滿足不了雷電過電壓要求。那么，該處就成為雷電釋放能量的最薄弱點(diǎn)，從而造成T線對AF線Z型肩架放電引起跳閘。

1.2.3 建議和措施

為了防止隧道內(nèi)非懸掛點(diǎn)處線索（懸掛點(diǎn)處一般均設(shè)置護(hù)線條，一旦跳閘不會造成線索斷股、斷線）在遭受雷電壓的沖擊下引起線索斷股、斷線跳閘，筆者建議采取以下措施：

（1）首先，對于空氣間隙能夠調(diào)整的處所，必須確?？諝忾g隙所耐受的放電電壓大于棒式絕緣子全波耐受電壓270 kV。根據(jù)Y = S / 3 + 70關(guān)系式可推知，絕緣間隙必須確保在600 mm以上。

（2）其次，對于絕緣間隙調(diào)整不到位的處所，須在線索上加裝預(yù)交式護(hù)線條，這樣，一旦發(fā)生空氣間隙擊穿，也不會因線索燒斷而引發(fā)更大事故。

1.3 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理問題

鄭西高鐵在AF線架設(shè)過程中，對于涉及AF線架設(shè)轉(zhuǎn)換角度較大處所，為確保AF線與接地體的絕緣間隙不受曲線力和大風(fēng)天氣影響，在這些處所將單懸棒全部改為“V”拉懸棒。但是，從運(yùn)營情況看，效果很不理想。

1.3.1 原因分析

當(dāng)初的設(shè)計(jì)理念是通過“V”拉懸棒來穩(wěn)定AF線，確保其在曲線力和風(fēng)力的影響下能夠滿足AF線與接地體的瞬間絕緣間隙需要。但是忽視了另外一個(gè)問題，即2個(gè)懸棒瓷瓶與AF線是通過軟連接固定在一起（圖4），遭受外部環(huán)境的影響非常大，惡劣天氣時(shí)，若2支懸棒瓷瓶之間相互錯(cuò)位而人為縮短絕緣子的絕緣爬距，很可能會引起絕緣子閃絡(luò)跳閘。下面就2014年3月6日鄭西高鐵澠池南至三門峽南區(qū)間854#“V”拉懸棒瓷瓶閃絡(luò)故障進(jìn)行分析。

圖4 AF線“V”拉懸棒結(jié)構(gòu)圖

854#位于張茅隧道口鄭州方向第2支AF線懸掛點(diǎn)，854#AF線懸掛點(diǎn)在線路外側(cè)，需轉(zhuǎn)換到856#線路內(nèi)側(cè)，再過渡到隧道內(nèi)，所以854#AF線轉(zhuǎn)角較大，所受曲線力也較大。不但如此，由于854#兩端AF線懸掛點(diǎn)的位置不妥，從而造成其還受線索抬升力，兩力作用結(jié)果造成2支“V”拉懸棒絕緣子相互錯(cuò)位現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，其線路側(cè)瓷裙（從接地側(cè)數(shù)第4片，即懸棒小裙）與田野側(cè)瓷裙（從帶電側(cè)數(shù)第1片）相對應(yīng)，間隙僅30 mm（圖5），大大減小了線路側(cè)懸棒絕緣強(qiáng)度。這也直接導(dǎo)致了其在雨加雪且有大霧天氣下空氣間隙被擊穿，短路電流由田野側(cè)懸棒瓷瓶的帶電側(cè)經(jīng)擊穿的空氣間隙流經(jīng)線路側(cè)懸棒瓷瓶接地側(cè)，從而引起跳閘。

圖5 “V”拉懸棒閃絡(luò)示意圖

1.3.2 建議和措施

將其改造為倒裝式腕臂結(jié)構(gòu)（圖6），確保其橫線路方向的位置在任何情況下都不會發(fā)生變化（不受風(fēng)力和曲線力的影響），而且還能滿足其隨溫度變化時(shí)順線路方向自由移動(dòng)的要求。

圖6 “V”拉懸棒改造后腕臂結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)語

總的來說，國內(nèi)高速電氣化鐵路發(fā)展至今，雖然在絕緣管理和雷電防護(hù)方面做了很多工作，也取得了很大成效，但是還有很多問題需不斷探索。高速鐵路接觸網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)需要做到“心細(xì)如發(fā)、明察秋毫”，不斷地發(fā)現(xiàn)問題、積累經(jīng)驗(yàn)，從技術(shù)上、管理上保障安全，從而為我國高速電氣化鐵路的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.

[2] 唐興祚.高電壓技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社.

The paper analyzes the existed problems on operation of Zhengzhou-Xi’an high speed railway, assesses its state of modification, and offers comments and suggestions on improment of overhead contact system insulation management.

High speed railway; insulation management; problem; measures

U225.4

B

1007-936X(2015)01-0017-04

2014-06-16

兀新野.鄭州鐵路局洛陽供電段，助理工程師，電話：13939838621。