動車組絕緣子污閃分析及防控體系建立與可行性研究

謝紅太，武振鋒

(1. 蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070； 2.中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司 西安動車段，陜西 西安710016)

動車組上受電弓在線運(yùn)行的絕緣子，遇到潮濕空氣時易于污層中形成電水膜，導(dǎo)致泄漏電流沿絕緣子的表面流過.由于絕緣子的形狀、結(jié)構(gòu)尺寸、污穢分布和受潮不均勻等因素的影響，絕緣子表面各部位的電流密度不同，即有的地方電流密度大，水分蒸發(fā)快，就會出現(xiàn)高電阻的“干燥區(qū)”，因?yàn)榇颂幊惺芰溯^高的電壓，從而使絕緣子各處電壓分布更加不均勻.動車組運(yùn)行過程中受電弓連接25 kV的高壓電場，干燥區(qū)場強(qiáng)超過一定數(shù)值，則此處將產(chǎn)生跨越干區(qū)的沿面放電，依臟污和受潮程度的不同，放電的類型可能是輝光放電、火花放電或產(chǎn)生局部電弧[1].局部電弧是一個間歇的放電過程，這種間歇的放電狀態(tài)可能持續(xù)相當(dāng)長時間，當(dāng)臟污和潮濕狀態(tài)嚴(yán)重時，局部電弧會持續(xù)發(fā)展；當(dāng)達(dá)到和超過臨界狀態(tài)時，電弧會貫穿兩極，形成表面閃絡(luò)，這就是動車組絕緣子的污閃，污閃嚴(yán)重危害高速動車組行車安全[2-5].對此中國鐵路總公司公開下發(fā)的技術(shù)管理文件中也有相關(guān)技術(shù)說明與指導(dǎo)，但是未能很好切合本段配屬動車組絕緣子污閃防控實(shí)際情況.鄭西高鐵開通后，西安動車段內(nèi)配屬動車組數(shù)量迅猛增加，2011年1月1日因霧霾天氣導(dǎo)致當(dāng)日上線動車組發(fā)生受電弓絕緣子污閃故障8起，嚴(yán)重影響高鐵運(yùn)輸秩序.為避免由于受電弓支撐絕緣子污閃故障，造成高鐵晚點(diǎn)、停運(yùn)和退票等不良影響，確保動車組持續(xù)安全順利開行，西安動車段相關(guān)部門于2011年1月建立和推廣了高鐵動車組受電弓支撐絕緣子污閃防控體系[6-7].本文對動車組絕緣子污閃進(jìn)行研究,并對防控體系建立以來取得的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益進(jìn)行分析.

1 污閃調(diào)查分析研究

1.1 天氣原因分析

根據(jù)陜西省氣象局西安北郊?xì)庀蟊O(jiān)測站提供數(shù)據(jù)，2011年1月1日在發(fā)生故障的5:55至9:10分時間段內(nèi)，空氣濕度達(dá)到98%，PM10濃度達(dá)到了0.241 mg/m3，外溫分別為零下4.5 ℃、零下3 ℃及零下1.5 ℃，大霧天氣由黃色預(yù)警升級為橙色預(yù)警的極端天氣.低溫大霧天氣影響了絕緣子表面的電場分布，局部小電弧導(dǎo)致了絕緣子表面憎水性能的下降.特別是覆冰條件下，復(fù)合絕緣子的憎水性將減弱甚至喪失，造成表面大面積積水、結(jié)霜、結(jié)冰.而且在動車組長時間運(yùn)行中，空氣中的灰塵和雜質(zhì)逐漸吸附在上面造成爬電現(xiàn)象，使總的最小電氣間隙和隔離距離不足[8].

1.2 運(yùn)行狀態(tài)分析

對故障發(fā)生時動車組運(yùn)行狀態(tài)分析可知，6起故障均發(fā)生在動車組低速運(yùn)行或停車狀態(tài).此時，由于動車組運(yùn)行速度下降，車頂上的高壓支撐絕緣子上傘群表面累積形成的霜凍及灰塵混合物發(fā)生流墜，使得導(dǎo)電介質(zhì)形成通路，發(fā)生爬電現(xiàn)象；另外在高速情況下因?yàn)榭諝饬鲃訜o法形成電弧，但在低速或停車情況下，為產(chǎn)生電弧提供了相對穩(wěn)定的空氣通路，容易產(chǎn)生空氣擊穿.

1.3 絕緣子性能及技術(shù)參數(shù)分析

目前西安動車段配備2型動車組有2A、2C一階段、2C二階段3種型號.對比分析發(fā)現(xiàn)2型動車組同為一個運(yùn)行環(huán)境，此次故障動車組全部為2C動車組，2A動車組自2007年4月投入運(yùn)行以來均未發(fā)生閃絡(luò)放電故障.2A動車組和2C動車組絕緣子的特征參數(shù)特征見表1.

表1 2A、2C動車組絕緣子的參數(shù)特征
Tab.1 Parameters of 2A, 2C EMU insulators

動車組型號絕緣子材質(zhì)高度/mm電氣間隙/mm爬電距離/mmCRH2A硅橡膠400410.3>1 050CRH2C樹脂310353.0>1 050

分析發(fā)生閃絡(luò)放電故障的2C動車組絕緣子與同環(huán)境運(yùn)行區(qū)段內(nèi)均未發(fā)生閃絡(luò)放電故障的2A動車組絕緣子性能參數(shù)可知，造成動車組絕緣子污閃的主要原因?yàn)椋阂皇墙^緣子高度不夠；二是由于絕緣子材質(zhì)因素導(dǎo)致表面憎水性能下降.

憎水性是指絕緣子表面具有低表面張力，受潮后其表面所吸附的水分以不連續(xù)的孤立小水珠的形式存在，不形成連續(xù)水膜.憎水遷移性是指絕緣子表面臟污后，其體內(nèi)的憎水性物質(zhì)會擴(kuò)散到污垢層表面從而使后者也獲得一定的憎水性能.

硅橡膠絕緣子最主要的特點(diǎn)是抗污閃性能好，具有良好的憎水性和憎水遷移性，為同電壓等級瓷絕緣子的3倍；而樹脂絕緣子的抗污閃性能雖不如硅橡膠絕緣子但也可與其媲美.瓷質(zhì)絕緣子的抗污閃性能較差.2C動車組車頂高壓互感器絕緣子材質(zhì)雖為樹脂，但高度調(diào)整在400 mm以上時，在同樣運(yùn)行環(huán)境下未發(fā)生故障[9-11].同時檢查發(fā)生故障絕緣子，發(fā)現(xiàn)所有發(fā)生閃絡(luò)故障的絕緣子上傘群正面均有電弧痕跡，利用憎水性測定儀對憎水性能進(jìn)行簡略測試，并與新品對比發(fā)現(xiàn)故障絕緣子表面憎水性能嚴(yán)重下降.

1.4 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21413.1-2008[12]中機(jī)車車輛電氣設(shè)備部分要求：一般使用條件和通用規(guī)則規(guī)定海拔1 400 m以下的電氣間隙310 mm，更高一級別為370 mm.鐵路總公司關(guān)于過電壓保護(hù)的要求(TB/T 1333.1-2002)：電路直接與接觸網(wǎng)連接、連接點(diǎn)附近無過電壓保護(hù)裝置且可能承受雷電或開關(guān)過電壓，其過電壓等級為0V4.CRH2型動車組運(yùn)行過程中，針對25 kV接觸網(wǎng)系統(tǒng)，0V4部件的額定沖擊耐受電壓Uimp為170 kV.同時依據(jù)鐵路總公司規(guī)定電氣系統(tǒng)最小電氣絕緣間隙相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，額定沖擊耐受電壓Uimp為170 kV的電路系統(tǒng)，其最小電氣絕緣間隙為310 mm.CRH2型動車組車頂高壓使用的絕緣子均滿足GB/T 21413.1-2008的要求[13].

2 動車組絕緣子污閃防控體系建立

為保障動車組安全高效運(yùn)行，盡量避免和杜絕由污閃而引發(fā)的行車危害，西安鐵路局建立了污閃防控體系，分別從質(zhì)量源頭、環(huán)境、檢修、運(yùn)用、應(yīng)急處置等環(huán)節(jié)全面卡控，基本杜絕冬季動車組在霧霾天氣下車頂高壓設(shè)備污閃的發(fā)生，做到污閃一旦發(fā)生后能科學(xué)、快速、有效應(yīng)對[14-15].

2.1 全方位體系創(chuàng)建

1) 質(zhì)量源頭方面：將故障原因反饋廠家，要求廠家提高絕緣子高度(原2C動車組采用絕緣子型號“TSG19A”，四方廠生產(chǎn)，高度310 mm)，從源頭上解決了問題.2012年完成了技術(shù)改造，目前四方廠制定最終措施，研發(fā)高度為400 mm高新型樹脂材料的支撐絕緣子.

2) 環(huán)境方面：一是監(jiān)控動車組開行交路途經(jīng)城市天氣情況，重點(diǎn)盯控濕度、溫度、PM指數(shù)等數(shù)據(jù)(對接沿途各局供電段，掌握線路沿途相關(guān)參數(shù))；二是增加專業(yè)的檢測儀器和檢測方法，即使用絕緣子污垢測試儀檢測各線動車組絕緣子污垢情況，制作各線污垢分布圖，達(dá)到準(zhǔn)確地判斷每條線路及每組動車組絕緣子污穢等級，實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)交路及動車組發(fā)出預(yù)警，形成污閃預(yù)警體系.

3) 檢修方面：一是每年在防寒整備中對受電弓絕緣子進(jìn)行憎水性能試驗(yàn)，絕緣性能不合格的全部更換；二是防寒期，清潔完各絕緣子后對其進(jìn)行憎水性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不合格進(jìn)行更換；三是對預(yù)警線路及動車組采取深度快速保潔、滴水試驗(yàn)，同時研究車頂高壓設(shè)備及專用清洗設(shè)備.

4) 運(yùn)用方面：采取一弓到底和切除備用弓措施.

5) 應(yīng)急方面：開展技術(shù)攻關(guān)，研究高壓設(shè)備污閃后的相關(guān)應(yīng)對措施.分析目前所執(zhí)行受電弓污閃后不允許再次升弓，而只能換弓升弓措施的科學(xué)性.同時研究遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮及段內(nèi)應(yīng)急現(xiàn)場處置方案.

2.2 檢測制度及方式

1) 每天定時監(jiān)測動車組運(yùn)行交路涉及的城市天氣狀況，主要包括PM10、濕度和溫度，并做好相關(guān)記錄，特別對空氣質(zhì)量較差的途經(jīng)城市，做好重點(diǎn)盯控.

2) 在每天夜班一級修車頂作業(yè)前，使用鹽密電導(dǎo)儀測量不同交路動車組絕緣子的污穢等級，在此我段暫且根據(jù)所測等值附鹽密度(ESDD，mg/cm2)指數(shù)將其定位為三級：分別為0級(ESDD≤0.03)、Ⅰ級(0.030.06).建立各交路運(yùn)行動車組污垢情況動態(tài)等級分布圖，指導(dǎo)動車組入庫檢修擦拭作業(yè)，并根據(jù)各線路污染情況對乘務(wù)車間擔(dān)當(dāng)該交路隨車機(jī)械師發(fā)出預(yù)警，對于在異地存放動車組終到站后隨車機(jī)械師密切關(guān)注爬電情況.

3) 針對每條交路動車組絕緣子的污穢等級，以及第二天運(yùn)行城市的天氣預(yù)報情況，檢修車間依據(jù)交路對動車組車頂高壓設(shè)備清潔程度制定不同的卡控措施，同時針對污染等級較高的動車組，結(jié)合次日開行情況，及時向乘務(wù)車間發(fā)出預(yù)警，提示隨車機(jī)械師途中重點(diǎn)盯控車頂高壓設(shè)備，停車站及折返站作業(yè)時加強(qiáng)對受電弓絕緣子外觀狀態(tài)的檢查.

4) 對于預(yù)警時間，暫且規(guī)定為一個一級修周期，對于當(dāng)天晚上回庫檢修的動車組，需要再次檢測絕緣子污穢等級，若等級降低，可視情況解除預(yù)警，對于同處于Ⅱ級污穢等級時則按規(guī)定繼續(xù)執(zhí)行預(yù)警制度，直至預(yù)警解除.

3 經(jīng)濟(jì)社會效益

從2012年1月建立和運(yùn)行了高鐵動車組污閃防控系統(tǒng)以來，經(jīng)過不斷的修改和完善，確保了動車組高壓系統(tǒng)途中工況良好，保證了動車組高壓系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，連續(xù)5年無高壓系統(tǒng)污閃故障.此外還能夠早期發(fā)現(xiàn)隱性故障，實(shí)現(xiàn)動車組受電弓支撐絕緣子憎水性下降的預(yù)防，對動車組受電弓支撐絕緣子檢修時清潔保養(yǎng)質(zhì)量起到卡控作用.同時投入少量搶修、維修費(fèi)用，避免了由于高壓系統(tǒng)污閃故障造成的不良影響，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具體情況見表2及圖1.

表2 2012—2016年污閃防控體系運(yùn)用情況
Tab.2 Application of pollution flash prevention and control system from 2012 to 2016

年份絕緣子污閃數(shù)發(fā)現(xiàn)隱性故障件數(shù)投入成本/元避免退票/元收入/元2012840305 040488 000182 9602013027205 902305 00099 0982014019144 894183 00038 10620150538 13061 00022 87020160212 87425 00012 126合計893706 8401 062 000355 160

圖1 2012—2016年污閃防控體系取得的經(jīng)濟(jì)效益Fig.1 Economic benefits contributed by pollution prevention and control system from 2012 to 2016

從表2和圖1中可以看出，該污閃防控體系自2012年全面實(shí)施5年以來，西安動車段絕緣子污閃問題得到明顯的遏制，實(shí)現(xiàn)從2012年污閃8起到2013-2016年4年的0起跨越式改變.同時發(fā)現(xiàn)隱性故障次數(shù)也得到明顯的降低，保證了動車組安全可靠運(yùn)行，從而避免了旅客大幅退票現(xiàn)象的發(fā)生.

4 結(jié)束語

針對CRH2C型動車組絕緣子污閃問題，分別從天氣原因、運(yùn)行狀態(tài)、絕緣子性能技術(shù)參數(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，全面列出造成絕緣子污閃的主要原因、存在問題和隱患，進(jìn)而建立相應(yīng)污閃防控體系，實(shí)現(xiàn)對動車組車頂高壓設(shè)備污閃的全方位綜合管控.同時，對建立以來取得的社會經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究分析，說明該防控體系的可行性，也為后續(xù)動車組運(yùn)營及安全技術(shù)研究方面提供了經(jīng)驗(yàn)支持.