接觸網(wǎng)腕臂絕緣子斷裂的分析及對策

朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司原平分公司　弋　崗

接觸網(wǎng)腕臂絕緣子斷裂的分析及對策

朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司原平分公司弋崗

近年來，隨著我國電氣化鐵路事業(yè)飛速發(fā)展，各大鐵路干線不斷地進行了電氣化改造。電氣化鐵路列車重量大、慣性大，不可能在事故發(fā)生后立即停車。一旦腕臂絕緣子斷裂發(fā)生后，接觸網(wǎng)的破壞范圍都比較大，損失比較嚴重，恢復供電所需時間較長，是屬于接觸網(wǎng)事故中破壞范圍比較嚴重的，給鐵路運輸安全造成了嚴重影響，是電氣化鐵路面臨的一個非常重要的問題。因此分析腕臂絕緣子斷裂的原因并提出相應的防范措施對鐵路運輸安全生產(chǎn)有著重要的意義。

接觸網(wǎng)；腕臂絕緣子斷裂；防范措施

1.引言

電氣化鐵路列車重量大、慣性大，不可能在事故發(fā)生后立即停車。這樣，一旦腕臂絕緣子斷裂發(fā)生后，接觸網(wǎng)的破壞范圍都比較大，損失比較嚴重，恢復供電所需時間較長，是屬于接觸網(wǎng)事故中破壞范圍比較嚴重的。

腕臂絕緣子斷裂，直接后果就是弓網(wǎng)故障。忽略機車受電弓對接觸線68.6±9.8N的壓力抬升量，單以結構高度值考量腕臂絕緣子兩個極限情況斷裂時（絕緣子鋼帽單耳處或上金屬附件處發(fā)生斷裂），脫落的絕緣腕臂（腕臂及腕臂絕緣子）或腕臂（僅指鋼管）與機車受電弓的相對位置，脫落的絕緣腕臂或腕臂的長度大于結構高度值，其越過接觸線與受電弓發(fā)生沖擊，勢必與受電弓發(fā)生沖擊，弓網(wǎng)故障是直接后果。

腕臂絕緣子斷裂，接觸網(wǎng)設備損毀嚴重。腕臂絕緣子斷裂故障的發(fā)生，機車司機不可能在故障第一時間采取降弓、停車措施；再則，腕臂絕緣子斷裂致成的機車受電弓損壞，絕大多情況是致命的硬傷，往往是發(fā)生鉆網(wǎng)、無法正常動作落頂?shù)?。所以，我們一般最保守的是按機車500m的緊急停車距離來大體估算受損受電弓對接觸網(wǎng)的破壞范圍的。嚴重失去工作狀態(tài)的機車受電弓在繼續(xù)走行500米的過程中會對接觸網(wǎng)設備的支持裝置、定位裝置、接觸懸掛造成極大的破壞，甚至拉斷接觸線，塌網(wǎng)。

腕臂絕緣子斷裂，嚴重影響運輸暢通。腕臂絕緣子斷裂，脫落的接觸網(wǎng)零部件（腕臂、定位管、定位器等）會對機車（車輛）放電，引起變電所跳閘，造成整個供電臂單行（上行或下行）中斷供電，停止運輸。在設備恢復上，對受電弓的破壞基本上是現(xiàn)場無法修復運行的；對于接觸網(wǎng)設備的恢復來說，一則因為破壞范圍長，其次因為損壞程度大，再則往往故障機車占用著線路（供電作業(yè)車無法進入故障現(xiàn)場），都給接觸網(wǎng)設備的恢復形成了困難。

2.腕臂絕緣子斷裂的原因分析

2.1接觸線拉出值的問題

接觸線拉出值不當，接觸線脫弓，受電弓鉆網(wǎng)，拉（憋）斷或抽脫腕臂絕緣子。電氣化鐵路上，接觸網(wǎng)通過受電弓向電力機車輸送電能，電力機車沿接觸線滑行取流。接觸線與受電弓之間的可靠配合，是二者在高速摩擦運動中完成輸電和受電任務，保證電力機車良好取流的重要條件。因此，有必要分析接觸線拉出值原因的弓、網(wǎng)配合不當造成的腕臂絕緣子斷裂的問題。弓、網(wǎng)配合，接觸線拉出值---定位點處接觸線距受電弓中心的距離（即，定位點處接觸線對受電弓中心垂直投影線的垂線長度）是確保接觸線與受電弓接觸，不脫弓，并使受電弓均勻摩擦的主要技術條件。接觸線拉出值問題的本質(zhì)其實就是接觸線的位置與受電弓接觸板的有效匹配問題，以保證接觸線拉出值的正常。

2.2定位器坡度的問題

防風支撐使定位管與支持裝置縱方向上膠結為一個無活動余量的整體，在抑制風負載致定位管上下擺動的同時，卻也一定程度的削弱了定位裝置的彈性。定位器坡度過小，高速運行機車受電弓68.6±9.8N的壓力在定位點處易形成硬點，通過防風支撐給三角結構固定的腕臂系統(tǒng)一個向上的沖擊力，而拉斷或憋斷腕臂絕緣子。

2.3承力索座或定位器偏移超標問題

安裝或檢修不當，致承力索座或定位器朝錨結方向偏移超標。溫度變化時，線索張力的原因，承力索和接觸線帶動本已超標偏移的承力索座和定位器發(fā)生進一步偏移（特別是錨結末端附近）。對這一個（承力索座或定位器）或兩個（承力索座和定位器）進一步偏移的抑制，最終都是作用在腕臂絕緣子上的，當大于腕臂絕緣子的額定拉伸破壞負荷力時，拉斷腕臂絕緣子。

2.4接觸網(wǎng)設備卡滯的問題

發(fā)生墜砣丟失（接觸線和承力索張力偏差增大），或補償裝置、定位裝置、支持裝置（特別是雙絕緣腕臂結構的轉(zhuǎn)換柱和中心柱的承力索座處）發(fā)生卡滯，某點承力索座或定位器不能隨溫度變化正常移動，在本已存在1.96線脹系數(shù)的情況下（GLCN-250線脹系數(shù)為16.9×10-6，LGJ-185線脹系數(shù)為18.86×10-6），接觸線和承力索的偏移差量進一步擴大，憋斷或拉斷絕緣子。

2.5腕臂底座轉(zhuǎn)動件光潔度的問題

在設計承受力范圍內(nèi)隨承力索的張力順線路方向自由轉(zhuǎn)動是理想的腕臂系統(tǒng)工作狀態(tài)。腕臂，通過腕臂絕緣子鋼帽單耳與腕臂底座“一橫一縱”兩個銷釘轉(zhuǎn)動件連接。由此，腕臂底座轉(zhuǎn)動件的光潔度是影響腕臂系統(tǒng)自由轉(zhuǎn)動的一個重要因素。我們知道，接觸懸掛重量對絕緣腕臂的壓力（含外來力量，約為一跨距接觸懸掛重量的1.5～2倍）最終均會傳遞到腕臂底座轉(zhuǎn)動件（銷釘及其接觸面）上。轉(zhuǎn)動件的摩擦阻力是決定接觸懸掛重量發(fā)生于轉(zhuǎn)動件產(chǎn)生力矩大小的關鍵因素。我們現(xiàn)用的腕臂底座轉(zhuǎn)動件及腕臂絕緣子鋼帽多為碳鋼鑄造、表面粗糙的，這給腕臂系統(tǒng)的自由轉(zhuǎn)動形成了極大的阻力。當這個阻力歸算到腕臂絕緣子的力（該力使腕臂絕緣子受彎）超過了腕臂絕緣子瓷體或鋼體（特別是鋼帽單耳）的實際抗彎破壞力時，就會發(fā)生腕臂絕緣子斷裂。

2.6腕臂絕緣子的選擇問題

正確選用腕臂絕緣子，使之鋼帽單耳在腕臂底座橫銷釘上有充足的活動余量。腕臂絕緣子鋼帽單耳有16±0.5mm和20±0.5mm兩種制造厚度，而《電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件》規(guī)定的腕臂底座的對應尺寸只有一個---18mm。因此，選擇額定機械彎曲負荷16kN的腕臂絕緣子時，絕緣子鋼帽單耳無法與腕臂底座匹配，更談不上自由轉(zhuǎn)動。

2.7腕臂絕緣子鋼帽單耳的問題

腕臂絕緣子的制造工藝及結構特點，瓷體與鋼體的膠合部位，特別是鋼帽單耳是絕緣腕臂承力抗彎薄弱點。比照TB/T3199.1-2008《電氣化鐵路接觸網(wǎng)用絕緣子》之試驗方法（固定鋼帽單耳，呈絕緣腕臂水平狀），我們可以由材料力學理論，計算單絕緣腕臂工況最惡劣時加在腕臂頂端使腕臂絕緣子鋼帽單耳根部斷裂所需的負荷：

F=（δd×d×h2）/（6×L）

F—加在腕臂頂端使腕臂絕緣子鋼帽單耳根部斷裂所需的負荷，kN；

δb—腕臂絕緣子鋼帽單耳所用鋼材--- ZG310-570鑄鋼的抗拉強度， 570MPa；

d—腕臂絕緣子鋼帽單耳根部的寬度，mm。這里取TB/ T3199.1-2008制造規(guī)定的腕臂絕緣子鋼帽單耳的最大寬度---20.5mm；

h—腕臂絕緣子鋼帽單耳根部的長度，mm。TB/T3199.1 -2008規(guī)定為60mm，測量實際數(shù)據(jù)多為100mm；

L—絕緣腕臂長度，mm。

公式表明，加在腕臂頂端使腕臂絕緣子鋼帽單耳根部斷裂所需的負荷F與鋼體抗拉強度δb、單耳根部寬度b及單耳根部長度h成正比，與絕緣腕臂長L成反比。

這里，姑且以腕臂雙耳安裝位置算起，取最小絕緣腕臂L長2290mm，

F=（570×20.5×1002）/（6×2290）

F=2.345kN

實際測量試驗同等條件下的負荷F要比2.345kN小，這是因為絕緣子鋼體是鑄造件，內(nèi)部難免有缺陷（小的氣孔、加渣、縮松等）等，所以實測值較低。

因此，就單絕緣腕臂而言，盡管腕臂絕緣子瓷體的抗彎破壞強度很大（4～16kN 。QBN2-25/8D型腕臂絕緣子的彎曲破壞負荷是8kN），但鋼帽單耳的抗彎破壞強度卻要小的多。

2.8腕臂絕緣子本身機械性能下降的問題

接觸網(wǎng)本身的特點，絕緣子也不例外，在長期的室外裸露運行中，要經(jīng)受風吹日曬以及雨、雪、霧和其他污染物的侵蝕，要經(jīng)受污穢、鳥害、高濕、高寒、溫差等環(huán)境因素的影響，要經(jīng)受接觸網(wǎng)本身的強電場、雷電沖擊、工頻電弧的作用。特別是腕臂絕緣子，還要承受接觸懸掛及支持裝置本身重量以及機車振動、導線舞動和腕臂絕緣子本身及其相關連接金屬部件熱脹冷縮致腕臂絕緣子的拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等機械力。這些影響腕臂絕緣子性能維持的重要因素都會造成其機械性能下降。

3.預防腕臂絕緣子斷裂的對策

腕臂絕緣子是電氣化鐵路接觸網(wǎng)的重要構件，接觸懸掛通過它對地絕緣，另一方面，腕臂絕緣子還要承受支持裝置本身以及接觸懸掛施加于其上的各種機械荷載。腕臂絕緣子斷裂是個系統(tǒng)、復雜的問題，根據(jù)以上綜合性的分析，針對性的制定對策、進行防范是非常必要的。

3.1加強接觸網(wǎng)拉出值管理

（1）在變更線路超高時，一定要通知接觸網(wǎng)人員，接觸網(wǎng)人員根據(jù)變更后的超高值重新調(diào)整接觸線拉出值并復核跨中接觸線對受電弓中心的偏移值。

（2）工務部門在變更線路超高時，一定要同時調(diào)整軌距。

（3）供電部門應正確測量超高、導高和軌距值。

（4）盡管導高對弓網(wǎng)位置的影響很小，但力求拉出值盡可能準確的情況下，還是應該標準檢修、標準測量（盡量采用激光測量儀，避免傳統(tǒng)的測桿受風的影響或目測的偏差）。

（5）提高供電檢修水平，加強接觸網(wǎng)測試車的作用，確保接觸線各部拉出值符合技術標準；

（6）對風口地段接觸網(wǎng)設備采取防風措施，增強接觸懸掛穩(wěn)定性。對此，盡不相同，如加大補償重量、采用限位定位器、安裝V型拉線、加裝防風支撐、建設擋風墻等等。

3.2強化接觸網(wǎng)設備檢修

（1）充分利用接觸網(wǎng)測試車，提高檢修水平，確保定位器坡度符合技術要求，消除定位硬點；

（2）采用限位定位器，但限位定位器工作原理的原因，安裝或調(diào)整時必須確保其正常合理的抬升開口，以防止限位定位器本身造成定位硬點。

（3）加強設備巡視測量，防止承力索座或定位器偏移超標，嚴禁出現(xiàn)接觸網(wǎng)設備卡滯現(xiàn)象。

（4）檢修作業(yè)時，作業(yè)人員盡量避免或減少腕臂絕緣子承力薄弱部位的長時間負力集重。

3.3腕臂底座、絕緣子機械配合統(tǒng)籌一致

（1）采用新工藝、新設備，改善腕臂底座轉(zhuǎn)動件及腕臂絕緣子鋼帽單耳（耳孔）的光潔度，以減小腕臂系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的阻力，尤其要特別重視錨段末端支柱腕臂底座轉(zhuǎn)動件的靈活性。

（2）腕臂底座的制造限制，選用銷釘外徑不得大于18mm。

（3）建議腕臂絕緣子行業(yè)標準制訂單位和腕臂絕緣子生產(chǎn)單位在滿足經(jīng)濟條件情況下，提高鋼材標號，以提高“δd”值。腕臂絕緣子鋼帽單耳根部寬度“d”因受前述腕臂底座“18mm”的限制，不便再考慮增大。

（4）將QBN2-25/8D改為QBN2-25/12D或更大型腕臂絕緣子，使腕臂絕緣子瓷體彎曲破壞負荷提高到12kN或更大。但，因為“腕臂絕緣子的選擇問題”中腕臂底座“18mm”的限制，QBN2-25/16D型腕臂絕緣子是不適合使用的

3.4加強絕緣部件清掃

針對鐵路本身就是一個接觸網(wǎng)污染源的特點，要求最低限度的必須按規(guī)定的6～12個月對腕臂絕緣子進行組織清洗（鐵運［2007］69號《接觸網(wǎng)運行檢修規(guī)程》之規(guī)定）。對重點地段，要視實際情況縮短規(guī)程周期。