動車組車頂絕緣子預(yù)防性試驗(yàn)研究*

郭旭剛，郭晨曦，楊斯泐

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

鐵路供電技術(shù)

動車組車頂絕緣子預(yù)防性試驗(yàn)研究*

郭旭剛，郭晨曦，楊斯泐

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

大范圍的低溫大霧天氣嚴(yán)重影響到動車組車頂高壓外絕緣，對動車組的安全、正點(diǎn)運(yùn)行造成干擾。動車組作為運(yùn)動的高壓電氣裝備，要保證它的安全運(yùn)行就必須按照高壓電氣設(shè)備的相應(yīng)規(guī)律進(jìn)行必要的預(yù)防性試驗(yàn)，現(xiàn)針對車頂絕緣子進(jìn)行了預(yù)防性試驗(yàn)研究。

動車組；高壓電氣設(shè)備；車頂絕緣子；預(yù)防性試驗(yàn)

隨著近年來投入運(yùn)行動車組數(shù)量的迅速增長，社會影響越來越大，對動車組可靠性的要求越來越高。2011年12月以來，全國大范圍的低溫大霧天氣嚴(yán)重影響到動車組車頂高壓外絕緣，發(fā)生了多起車頂絕緣閃絡(luò)、高壓互感器炸裂、牽引變壓器高壓進(jìn)線套管或高壓電纜T型接頭炸裂、斷路器真空滅弧室絕緣失效等事故，甚至由于高壓絕緣事故引發(fā)了接觸網(wǎng)斷線，對動車組的安全、正點(diǎn)運(yùn)行造成干擾。目前國內(nèi)動車組的絕緣設(shè)計沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，既使是同一個電壓等級，選取的耐受電壓水平也存在較大的差異。比如，不同的動車牽引主變壓器高壓側(cè)的額定雷電沖擊耐壓就有125，150，170，185 k V等多個取值。國外的情況也基本類似。

T B/T 3077中規(guī)定車頂絕緣子的結(jié)構(gòu)高度為400 m m，是綜合了各方面因素之后做出的選擇。目前，CRH2、CRH5等系列車型已經(jīng)采用了符合T B/T 3077要求的受電弓支持絕緣子，運(yùn)行過程中的絕緣事故明顯減少。但是CRH 380系列車型考慮到空氣阻力的影響，絕緣子的結(jié)構(gòu)高度有所減小，在遇到低溫（-3～-7℃）大霧的天氣［1］，絕緣事故率明顯上升。因此有必要研究適用于CRH 380系列車型的新型絕緣子，以改善車頂絕緣狀況。

作為運(yùn)動的車頂高壓電氣設(shè)備，要保證它的安全運(yùn)行就必須按照高壓電氣設(shè)備的相應(yīng)規(guī)律進(jìn)行必要的設(shè)計和試驗(yàn)。

1　動車組高壓絕緣事故調(diào)查與分析

動車組高壓電氣系統(tǒng)的可靠性對于整個動車組的可靠運(yùn)行具有重要意義。動車組車頂高壓系統(tǒng)的主要部件有絕緣子、高壓電纜、高壓互感器、避雷器、斷路器、隔離開關(guān)和牽引變壓器，高壓系統(tǒng)的可靠性與每個高壓部件的可靠性息息相關(guān)。因此提高動車組車頂高壓電氣系統(tǒng)的可靠性應(yīng)具體到每一個車頂高壓部件，本文針對車頂高壓絕緣子進(jìn)行分析與研究。

目前車頂使用絕緣子主要是硅橡膠復(fù)合絕緣子和聚脂類絕緣子。硅橡膠復(fù)合絕緣子具有良好的機(jī)電性能和優(yōu)越的抗污閃能力，但是硅橡膠本身比較柔軟，抗撕裂性能差，自身不能作為結(jié)構(gòu)材料用，只能作外殼，其機(jī)械性能需要通過與其復(fù)合的支撐件來保證，因而在高速情況下傘裙有可能發(fā)生舞動搭邊、撕裂和折斷等現(xiàn)象，而且作為機(jī)械支撐的芯棒存在脆斷的風(fēng)險。聚酯類絕緣子需噴涂防污閃材料，不需噴憎水涂料，建議維護(hù)辦法是使用中性水進(jìn)行清洗，若污垢不易清理可用中性水加中性清潔劑進(jìn)行清理，比例不超過10∶1。資料［1］顯示在雨、雪、霧等惡劣天氣時絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的頻率會明顯升高，因此除注重車頂絕緣子日常維護(hù)之外，在雨、雪、霧等惡劣天氣時應(yīng)增加對于車頂絕緣子的檢查頻次。

按設(shè)計要求動車組壽命一般在25年以上，根據(jù)目前發(fā)現(xiàn)的這些故障，很多是由于目前我國動車組的設(shè)計、制造、配件選型、維護(hù)機(jī)制等方面還不是很完善，因此，在很長一段時間內(nèi)，源頭質(zhì)量問題（包括設(shè)計不合理、制造缺陷、配件選型不合理等）都是導(dǎo)致故障的主要原因。

同時應(yīng)該對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和統(tǒng)計出的故障及時采取解決辦法，提高動車組車頂高壓部件的質(zhì)量，加強(qiáng)日常維護(hù)和保養(yǎng)以提高動車組車頂高壓電氣系統(tǒng)的可靠性。另外，對于車頂高壓部件燒損的問題，應(yīng)該盡量減少尖端放電的可能、增加絕緣子的絕緣性能、提高設(shè)備質(zhì)量。

2　動車組車頂絕緣子概況

根據(jù)目前動車組車頂絕緣子類型和形式，對絕緣子的電氣性能、物理性能和力學(xué)性能進(jìn)行對比試驗(yàn)。對新型絕緣子、運(yùn)行一定時間后的絕緣子老化性能進(jìn)行測試。動車組使用的絕緣子類型主要有受電弓支持用、母線支持用、隔離開關(guān)用等，按使用材質(zhì)分有瓷質(zhì)絕緣子、聚酯類絕緣子和復(fù)合絕緣子3大類，如圖1和圖2所示。

圖1　動車組車頂復(fù)合絕緣子（紅色外套），普通玻璃盤形絕緣子，城鐵D C 1 500 V聚酯絕緣子

圖2　動車組車頂受電弓支持用聚酯類絕緣子

絕緣子的失效可分為內(nèi)部擊穿和外絕緣閃絡(luò)。外澆裝的瓷質(zhì)支柱絕緣子為不可擊穿型，只有內(nèi)澆裝的瓷絕緣子才可能發(fā)生內(nèi)擊穿。復(fù)合絕緣子由于存在界面問題，生產(chǎn)過程中如果界面工藝處理不當(dāng)，則運(yùn)行過程中可能受潮，絕緣性能逐漸下降，達(dá)到一定程度時，在工作電壓下也會發(fā)生內(nèi)部擊穿。更多情況下，絕緣子失效主要是由外絕緣發(fā)生閃絡(luò)造成的。

3　絕緣子的預(yù)防性試驗(yàn)設(shè)計

動車組車頂絕緣子的預(yù)防性試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［2-6］進(jìn)行設(shè)計和研究。

對抽樣絕緣子進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法如表1所示。

表1　絕緣子預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目及評判標(biāo)準(zhǔn)

4　絕緣子預(yù)防性試驗(yàn)測試及結(jié)果

根據(jù)動車組不同型號和材質(zhì)的車頂絕緣子在典型線路上的運(yùn)行情況，調(diào)查絕緣子使用中的老化規(guī)律，尤其是要掌握硅橡膠復(fù)合絕緣子憎水性喪失特性，為硅橡膠絕緣子退出運(yùn)行判據(jù)提供依據(jù)。本文僅給出典型案例的測試結(jié)果，選取兩家公司的絕緣子進(jìn)行抽檢試驗(yàn)。

4.1某公司產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果

某公司共提供8只產(chǎn)品，均為國內(nèi)生產(chǎn)，其中5只產(chǎn)品為經(jīng)過運(yùn)行使用，測試結(jié)果如下。

（1）界面和金屬附件連接區(qū)試驗(yàn)

未運(yùn)行的產(chǎn)品經(jīng)熱機(jī)試驗(yàn)后的陡波試驗(yàn)出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象，產(chǎn)品經(jīng)解剖后發(fā)現(xiàn)下附件處芯棒有明顯放電灼燒痕跡，芯棒整體有裂紋，未能滿足M D C L為8 k N的界面試驗(yàn)，測試結(jié)果如圖3～圖5。

圖3　樣品解剖后電弧燒灼痕跡

圖4　樣品解剖后上、下附件電弧燒灼痕跡

圖5　樣品解剖后芯棒上的貫穿放電通道

（2）芯棒材料試驗(yàn)

10只直徑φ60 m m的芯棒樣品，長度范圍在（9.9～10.2）m m（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（10±0.5）m m）放入盛有1%質(zhì)量的品紅乙醇溶液的玻璃容器中的鋼球上16 min（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)大于15 min）后，經(jīng)檢查，運(yùn)行后產(chǎn)品的芯棒樣品有貫穿滲透現(xiàn)象，呈現(xiàn)滲透點(diǎn)，未能滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

圖6　芯棒材料試驗(yàn)前后對比

（3）傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)

傘套材料均出現(xiàn)過流現(xiàn)象，并且有嚴(yán)重蝕損現(xiàn)象，未能滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4.2某公司產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果

某公司本批次送樣10只，其中1只為事故損壞的絕緣子；4只新絕緣子，5只為運(yùn)行后絕緣子。

圖7　傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)后情況

（1）界面和金屬附件連接區(qū)試驗(yàn)

4只新絕緣子中3只樣品經(jīng)熱機(jī)、水煮試驗(yàn)后，進(jìn)行陡波電壓試驗(yàn)，其中1只樣品在負(fù)極性第19次擊穿，其典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片如圖8所示；

圖8　新絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片

5只運(yùn)行后絕緣子中3只樣品經(jīng)熱機(jī)、水煮試驗(yàn)后，進(jìn)行陡波電壓試驗(yàn)，其中2只分別在負(fù)極性第6次和正極性第22次擊穿，其典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片分別如圖9和圖10所示；

圖9　運(yùn)行后絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片

圖10　運(yùn)行后絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)典型示波圖及擊穿點(diǎn)照片

（2）傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)

取新絕緣子1只樣品中傘套材料的5片試樣，表面經(jīng)打磨處理，用蒸餾水清洗干凈后，采用恒壓法進(jìn)行漏電起痕和電蝕損試驗(yàn)，其中前3片試樣分別在178 min、124 min、107 min過流中斷，如圖11所示。

圖11　新絕緣子傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)

取運(yùn)行后絕緣子1只樣品中傘套材料的5片試樣，表面經(jīng)打磨處理，用蒸餾水清洗干凈后，采用恒壓法進(jìn)行漏電起痕和電蝕損試驗(yàn)，其中5片試樣均過流中斷，如圖12所示。

圖12　運(yùn)行后絕緣子傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗(yàn)

4.3憎水性恢復(fù)特性試驗(yàn)結(jié)果

憎水性是指固體材料的一種表面性能，水在憎水性的固體表面形成的是一種相互分離的水滴或者水珠狀態(tài)，而不是連續(xù)的水膜或者水片狀態(tài)。憎水性狀態(tài)用靜態(tài)接觸角θ和憎水性分級（H C：H ydrophobcity Class）來表示。

測量復(fù)合絕緣子憎水性的噴水分級法［7］是由瑞典輸配電研究所（the S wedish Transmission Research Institute，S T RI）提出的。該方法操作簡單，用普通噴壺對試品表面噴灑水霧，觀察水分在試品表面的分布情況，對比分級判據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)圖片，得出絕緣子表面的憎水性狀況。該方法用H C（H ydrophobcity Class）等級來表征絕緣子表面的憎水性狀態(tài)。S T RI G uide-92/1將硅橡膠表面的憎水性分為H C1～H C7級：H C1～H C3級為憎水性狀態(tài)，其中H C1級對應(yīng)憎水性最強(qiáng)的狀態(tài)（即絕緣子表面形成分布均勻的完全規(guī)則的球狀水珠）；H C4級為中間過渡狀態(tài)（即絕緣子表面形成分離的水珠和連續(xù)的水膜共存的狀態(tài)）；H C5～H C7級為親水性狀態(tài)，其中H C7級分別對應(yīng)憎水性最差的狀態(tài)（即絕緣子表面形成完全的水膜）。

在IE C/T S 62073-2003中，“H C等級”被重新命名為“W C等級”（W ettability Class），但W C各等級所對應(yīng)的絕緣子表面濕潤狀態(tài)與H C等級所對應(yīng)的完全一致。與S T RI G uide-92/1不同的是：IE C/T S 62073 -2003將W C1～W C2規(guī)定為憎水性狀態(tài)，將W C3～W C5規(guī)定為中間過渡狀態(tài)，而將W C6～W C7規(guī)定為親水性狀態(tài)，本文采用W C等級這一概念。

復(fù)合絕緣子的憎水性和憎水遷移性取決于材料本身，受運(yùn)行時間的影響。憎水性是衡量復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能的重要指標(biāo)，復(fù)合絕緣子憎水性和憎水遷移性是復(fù)合絕緣子具有優(yōu)異耐污閃性能的基礎(chǔ)。水珠大小和表面粗糙度對憎水性影響顯著，水珠越大，靜態(tài)接觸角受重力影響越大，測量誤差越大，表面越粗糙，靜態(tài)接觸角越大，當(dāng)粗糙度達(dá)到一定時靜態(tài)接觸角趨于穩(wěn)定。

分別從某公司的灰色和紅色絕緣子樣品上割取傘材料進(jìn)行試驗(yàn)，檢測傘材料的憎水性通常特性、憎水性遷移特性、憎水性減弱特性和憎水性恢復(fù)特性。檢測方法和判據(jù)可參見D L/T 864，不符合要求時應(yīng)進(jìn)行復(fù)涂。

經(jīng)過憎水性減弱特性后的灰色和紅色樣片，用濾紙吸去表面水分，放置在試驗(yàn)室環(huán)境下靜置48 h，取出樣片后測量樣品的憎水性能，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2和表3，測試結(jié)果照片見圖13和圖14。

表2　灰色樣片憎水性恢復(fù)特性試驗(yàn)結(jié)果，樣號8測試結(jié)果

圖13　灰色樣片憎水性恢復(fù)角度和憎水性恢復(fù)分級

表3　紅色樣片憎水性恢復(fù)特性試驗(yàn)結(jié)果，樣號9測試結(jié)果

圖14　紅色樣片憎水性恢復(fù)角度和憎水性恢復(fù)分級

同時進(jìn)行了絕緣子憎水性遷移特性試驗(yàn)，結(jié)果表明復(fù)合絕緣子的憎水性遷移特性對高速動車組外絕緣不再是防污閃的最重要特性，傘裙造型對外絕緣的影響更加突出，今后絕緣子設(shè)計制造應(yīng)予以重視。

5　結(jié)束語

由上述預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同廠家和不同型號的產(chǎn)品經(jīng)熱機(jī)試驗(yàn)后的陡波試驗(yàn)出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象；傘套材料均出現(xiàn)過流現(xiàn)象，并且有嚴(yán)重蝕損現(xiàn)象，且運(yùn)行后產(chǎn)品的芯棒呈現(xiàn)滲透點(diǎn)，未能滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；復(fù)合絕緣子的憎水性恢復(fù)特性均有不同程度喪失，這是由于復(fù)合絕緣子的運(yùn)行環(huán)境不同于地面靜態(tài)運(yùn)行方式造成的，灰色產(chǎn)品的憎水性各檢測的特性良好，明顯優(yōu)于紅色產(chǎn)品的相關(guān)性能。

所以加強(qiáng)對產(chǎn)品原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)、生產(chǎn)過程控制至關(guān)重要，同時應(yīng)提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。同時我國高速動車組高壓電氣系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)還處于空白期，有必要編寫相應(yīng)的檢修試驗(yàn)導(dǎo)則來指導(dǎo)動車組高壓設(shè)備的預(yù)防性試驗(yàn)和診斷試驗(yàn)，為完善動車組檢修規(guī)程提供技術(shù)依據(jù)。

［1］ 郭晨曦，焦文根.霜狀冰對電力機(jī)車高壓外絕緣的影響［J］.鐵道機(jī)車車輛：2009，29（1）：13-16.

［2］ G B/T 20142-2006.標(biāo)稱電壓高于1000 V的交流架空線路用線路柱式復(fù)合絕緣子—定義、試驗(yàn)方法及接收準(zhǔn)則［S］.

［3］ G B/T 775.2-2003.絕緣子試驗(yàn)方法第2部分：電氣試驗(yàn)方法［S］.

［4］ JB/T 10944-2010.電氣絕緣用玻璃纖維增強(qiáng)擠拉型材—復(fù)合絕緣子芯棒［S］.

［5］ D L/T 864-2004.標(biāo)稱電壓高于1000 V交流架空線路用復(fù)合絕緣子使用導(dǎo)則［S］.

［6］ T B/T 3077.2-2006.電力機(jī)車車頂絕緣子第2部分：復(fù)合絕緣子［S］.

［7］ ST RI Guide 92-1.H ydrophobicity Classification Guide［Z］.S wedish Transmission Research Institute，1992.

Research on Preventive Test of High-speed EMU Roof Insulator

G U O X ugang，G U O Chenxi，Y A N G Sile
（Loco m otive and Car Research Institute，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

A wide range of cold fog weather seriously affects the pressure outside the EMU roof insulation，w hich causes disruption to safety and punctual running of High-speed EMU.In order to ensure the safe operation of High-speed EMU，itis necessary to take preventive test according to the corresponding rules of high voltage electrical.The research on preventive test of High-Speed EMU roofinsulator will be discussed in this paper.

electric m ultiple units（EMU）；high voltage electric divice；roof insulator；preventive test

U225.4+3

B

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.15

1008-7842（2015）05-0067-05

*鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目（J2013J001）

郭旭剛（1986—）男，研究實(shí)習(xí)員（2015-05-14）