新疆鹽堿風(fēng)沙環(huán)境絕緣子防護研究

李銀生

（1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室，西安 710043）

我國新疆地區(qū)鹽堿地分布廣袤，大風(fēng)頻發(fā)，造成電氣化鐵道絕緣損壞，成為電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)故障的主要因素，見圖1. 本文擬結(jié)合新疆地區(qū)的風(fēng)沙氣候環(huán)境，并采用理論分析、電磁場有限元軟件Ansoft仿真試驗、現(xiàn)場工程試驗等相結(jié)合的方法對新疆風(fēng)沙對絕緣子性能的破壞情況進行分析，以提高接觸網(wǎng)絕緣系統(tǒng)抗風(fēng)沙性能.

1 新疆地區(qū)影響絕緣性能的主要因素

圖1 蘭新線鹽湖地區(qū)絕緣子污閃電擊痕跡Fig.1 The hints of flashover and shock on insulators of Lan-Xin Railway near the salt lake

1.1 絕緣污閃的外部條件

絕緣子污閃的發(fā)展需經(jīng)歷四個過程：污穢的沉積、污穢的受潮、電弧發(fā)展、最終閃絡(luò)［1-2］. 瓷絕緣子積污是污閃發(fā)生的前提，污穢物的性質(zhì)、污染程度、大氣環(huán)境均是影響污染的主要外部條件.

1）污穢物的性質(zhì)和污染程度

新疆地區(qū)具有“三山夾兩盆”的地貌特點，其河流主要為內(nèi)陸河，含鹽地地層鹽分被水流帶至低洼處，成為土壤鹽分的主要來源［3］；加之新疆地區(qū)大多干旱少雨，日照充足，水分蒸發(fā)量大，鹽分易在地表聚集，形成了大規(guī)模的鹽漬土區(qū)域［4-10］.

2）氣流

大氣氣流在絕緣子污閃中的主要破壞作用表現(xiàn)在提供污染源、潮濕環(huán)境等.

①污染源. 大多數(shù)鹽漬土地區(qū)的鹽堿成分分布于土壤表層，在風(fēng)力作用下能從土壤表面揚起形成鹽堿沙塵［11-12］，為絕緣子表面積污創(chuàng)造基礎(chǔ)條件.

②潮濕環(huán)境. 污穢在絕緣子表面的積累主要受靜電力和黏附力影響，黏附力影響因素主要為對毛細力影響較大的空氣相對濕度［13］，研究表明60%～99%的空氣濕度下易造成絕緣子污閃［14-15］.

通過對蘭新鐵路、蘭新二線運營情況的總結(jié)，絕緣子污閃更易發(fā)生在鹽湖附近. 主要原因即是此類區(qū)域除了湖區(qū)周圍提供的鹽堿沙塵污染源外，湖水的蒸發(fā)為絕緣子污閃的發(fā)生提供了良好的潮濕空氣，見圖2.

圖2 大風(fēng)過后支柱上的附著物Fig.2 The dust adhering to the pole after big wind

③沖蝕. 新疆在大風(fēng)季節(jié)，風(fēng)卷起砂石擊打絕緣子表面，對絕緣子表面產(chǎn)生沖蝕作用，破壞了絕緣子表面的光潔程度及絕緣性能，并加速了污穢沉積.

④風(fēng)吹雪. 風(fēng)吹雪是雪顆粒在氣流的作用下隨風(fēng)運動的一種復(fù)雜流體，其本質(zhì)是在雪顆粒在風(fēng)場作用下，在一定區(qū)域內(nèi)對積雪密度的重新分配［16-18］.

大風(fēng)作用下，鹽湖區(qū)電氣化鐵路形成風(fēng)吹雪時，極易在接觸網(wǎng)絕緣子傘裙下面的棱槽間和瓷件背后空間產(chǎn)生旋渦、湍流和局部低氣壓，使帶含鹽堿的雪顆粒黏附在電瓷表面，見圖3.

3）大氣溫度和濕度

通過實驗分析得出，大氣溫度為0～-3 ℃、空氣相對濕度低于70%時，干燥的污穢層電阻很大，表面臟污的絕緣子的絕緣水平并無顯著降低. 而在細雨、霧、露等高濕度天氣，污穢層中的可溶性鹽溶解，污穢層變?yōu)閷?dǎo)電層，污穢中的灰分又可保持水分，促進污穢層進一步受潮，溶解更多的電解質(zhì)，使泄露電流增大，閃絡(luò)電壓下降. 大雨沖刷時，可減少絕緣子表面的污穢，有利于提高閃絡(luò)電壓.

圖3 斜腕臂絕緣子“風(fēng)吹雪”Fig.3 The snow drifts on the insulators of OCS

干燥條件下，棒式絕緣子的閃絡(luò)電壓可達到運行電壓的3倍，即75 kV，而在潮濕狀態(tài)下降為45 kV，特殊情況閃絡(luò)電壓甚至可能低到10 kV 以下.

1.2 絕緣子結(jié)構(gòu)對絕緣的影響

圖4 絕緣子實物模型Fig.4 The model of insulator

1）利用Ansoft模型對絕緣子進行建模

絕緣子沿其軸向1/2剖面圖如圖4，完整絕緣子模型如圖4. 模型中橙色部分代表上下兩部分的金屬附件.

國鐵接觸網(wǎng)的標稱電壓為25 kV［19］. 在上側(cè)金屬附件施加激勵為35 355 V，即為工頻25 kV 交流電壓的最大值. 瓷質(zhì)絕緣子相對介電常數(shù)范圍為6～8，本仿真工作取相對介電常數(shù)為8進行仿真計算.

2）傘群大小對絕緣的影響

采取有限元方法來仿真分析大傘裙半徑對最大場強影響. 計算了大傘裙半徑從108 mm變化至118 mm（步長為1 mm）時，路徑2上最大場強的值，收入表1并繪成場強分布圖5. 仿真結(jié)果表明，大傘裙對絕緣子的場強分布影響不明顯.

表1 路徑2上最大場強與距離關(guān)系Tab.1 The relation between max strengths of field and distance on path 2

圖5 最大場強隨大傘裙半徑變化圖Fig.5 The changes of biggest field strengths with the petticoat radiuses

3）絕緣子附屬金具對絕緣子性能的影響

在上側(cè)金屬附件的下端進行倒角處理，利用仿真軟件計算添加倒角半徑從1 mm 變化至10 mm（步長為1 mm）時，路徑2 上最大場強的值，收入表2 并繪成圖6（此時大傘裙半徑為108 mm），此時最大網(wǎng)格尺寸為10 mm.

表2 模型上側(cè)金具下端添加倒角后路徑2上最大場強Tab.2 The max strengths of field on the chamfered model on path 2

由仿真結(jié)果可得，當(dāng)上側(cè)金具的下端加工成大曲率倒角后，倒角附件附近最大場強情況出現(xiàn)一定程度的減小.

1.3 絕緣材料對絕緣性能的影響

選取瓷絕緣子、涂PRTV、硅橡膠絕緣子進行實驗室分析.

1）憎水性

干燥條件下，瓷絕緣子表面污穢分布均勻，涂PRTV 和硅橡膠絕緣子表面污穢為離散分布，涂PRTV 絕緣子表面污穢分布離散情況好于硅橡膠絕緣子，見圖7.

圖6 路徑2上最大場強隨倒角半徑變化圖Fig.6 The changes of biggest field strengths with the chamferings

圖7 不同絕緣子表面污穢分布及水珠狀態(tài)觀測Fig.7 The distribution of pollution and water on different types of insulators

水霧條件下，PRTV表面留下水珠滾下后自潔通道；硅橡膠表面則形成均勻分布水珠. 顯示前者自潔性能較好，比硅橡膠更不易積污.

2）電氣性能

①污穢閃絡(luò)電壓. 在表面干燥的情況下，標準污穢和三倍污穢時，3種絕緣子都能耐受60 kV工頻電壓有效值而未發(fā)生閃絡(luò).

噴霧狀態(tài)下模擬絕緣子在雨天情況下的狀態(tài)，試驗結(jié)果如表3.

表3 噴霧條件下絕緣子閃絡(luò)電壓Tab.3 The flashover voltages of insulators in the mist spray condition

該試驗結(jié)果表明，陶瓷絕緣子在霧室中閃絡(luò)電壓最低；涂PRTV絕緣子在噴霧情況下的污穢閃絡(luò)電壓仍然幾乎達到兩倍額定電壓；硅橡膠絕緣子在霧室中的閃絡(luò)電壓也遠高于陶瓷絕緣子.

②泄漏電流. 在干燥與潮濕條件下，測得普通陶瓷絕緣子、涂PRTV 陶瓷絕緣子、硅橡膠絕緣子的泄露電流分別見表4～表6.

表4 25 kV級陶瓷絕緣子表面直流泄漏電流Tab.4 The DC leakage currents on the surfaces of 25 kV porcelain insulators

表5 25 kV級陶瓷絕緣子涂覆PRTV表面直流泄漏電流Tab.5 The DC leakage currents on the surfaces of 25 kV porcelain insulators with PRTV coat

表6 25 kV級硅橡膠復(fù)合絕緣子表面直流泄漏電流Tab.6 DC leakage currents on the surfaces of 25 kV silicone rubber insulators

在表面干燥的情況下，三種絕緣子的泄漏電流都比潮濕情況下絕緣子泄漏電流要小. 而在潮濕情況下，PRTV 瓷絕緣子泄漏電流最小，硅橡膠絕緣子居中，瓷絕緣子表面泄漏電流遠大于前兩種情況達幾個數(shù)量級，表明PRTV或硅橡膠具有優(yōu)良的抗污穢能力，而又以涂PRTV絕緣子防污穢能力最強，甚至比硅橡膠復(fù)合絕緣子抗污穢性能優(yōu)異.

2 絕緣子防護方案

2.1 采用增爬裙

增爬裙通過粘膠黏結(jié)在瓷絕緣子傘群表面，可以改變瓷表面的特性和結(jié)構(gòu)形狀，從而改善絕緣子的耐污性能.

1）閃絡(luò)電壓

分別在陶瓷絕緣子不同位置加裝硅橡膠增爬裙，其對污穢閃絡(luò)電壓的提升效果見表7.

表7 陶瓷絕緣子采用增爬裙時的污穢閃絡(luò)電壓Tab.7 The flashover voltages of porcelain insulators with creepage extenders

試驗結(jié)果表明，加裝增爬裙能夠顯著提升絕緣子的污穢閃絡(luò)電壓，并且隨著增爬裙數(shù)量的增加絕緣子閃絡(luò)電壓呈上升趨勢. 加裝一片增爬裙時污閃電壓的提高最明顯，并且加裝在絕緣子中部位置效果最佳，且對污穢閃絡(luò)電壓提升以及工程造價具有最佳性價比且便于施工.

2）泄露電流

對帶有增爬裙的絕緣子進行測試，泄露電流見表8～表10.

表8 帶一個增爬裙25 kV級陶瓷絕緣子表面直流泄漏電流Tab.8 The DC leakage currents on the surfaces of porcelain insulators with one creepage extender

表9 帶兩個增爬裙25 kV級陶瓷絕緣子表面直流泄漏電流Tab.9 The DC leakage currents on the surfaces of porcelain insulators with two creepage extenders

表10 帶三個增爬裙25 kV級陶瓷絕緣子表面直流泄漏電流Tab.10 The DC leakage currents on the surfaces of porcelain insulators with three creepage extenders

針對帶有增爬裙的絕緣子的直流泄漏電流測試結(jié)果表明，增爬裙數(shù)量從1增加到2，整體泄漏電流下降，但是下降幅度有限；當(dāng)增爬裙數(shù)量增加到3時，泄漏電流卻并未下降，反而出來了一定的上升. 這主要是由于在粘貼過程中會使用大量的粘貼劑，粘貼劑的電導(dǎo)率明顯高于絕緣子表面電導(dǎo)率，在增爬裙數(shù)量較多的情況下，泄漏電流路徑可能更多的是在粘貼劑上流過，所以導(dǎo)致帶三個增爬裙的絕緣子泄漏電流反而上升.因而同樣建議采用一片增爬裙.

試驗結(jié)果表明，設(shè)置一片增爬群后絕緣子的性能能夠得以有效改善.

2.2 采用大小間隔傘裙瓷絕緣子或增加大傘裙絕緣子

大小間隔傘裙瓷絕緣子通過增大兩個大傘間距及增大大傘傘緣伸出量（見圖8），能夠大大優(yōu)化其空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)，改善積污情況，提高瓷絕緣子的風(fēng)雨自潔能力，降低粉塵、鹽份等污穢物在瓷絕緣子傘盤表面上的聚集.

在結(jié)構(gòu)長度與既有值保持一致的前提下，能夠保持標準規(guī)定的工頻耐受值，干、濕閃電壓耐受值，雷電沖擊電壓耐受值，而污閃電壓可提高到40 kV，其各項指標均優(yōu)于滿足鐵標的QBG-25型棒型瓷絕緣子，其主要性能指標見表11.

圖8 大小傘裙絕緣子Fig.8 Insulator with different petticoats

表11 優(yōu)化傘群結(jié)構(gòu)后的絕緣子性能Tab.11 The characters of insulators with optimized petticoat cluster structure

2.3 噴涂RTV-Ⅱ或PRTV型防污閃涂料

RTV硅橡膠防污閃涂料是以聚硅氧烷為基料，并引入特殊助劑制成，具有持久性和徹底性. 絕緣子表面使用RTV材料能夠使絕緣子有良好的憎水性以及憎水遷移性防污閃性能，顯著提高絕緣子的耐污能力，是行之有效的防污閃措施［20-21］.

PRTV在RTV涂料基礎(chǔ)上加入了納米級高絕緣補強材料，使其具有很高的機械強度和附著力，能夠耐受強風(fēng)沙氣候侵蝕（例如：處于風(fēng)口的地區(qū)、電力機車等）、滿足設(shè)備檢修蹬踏的要求、在污穢特殊嚴重情況下可進行必要的水沖洗或清掃，涂層的機械性能可達到合成絕緣子的傘裙護套材料的強度.

2.4 更換復(fù)合絕緣子

硅橡膠復(fù)合絕緣子具有優(yōu)異的憎水性和憎水遷移特性，具有相對較強的耐污閃能力.

2.5 更換新型瓷復(fù)合絕緣子

瓷復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖見圖9. 新型瓷復(fù)合絕緣子是采用添加改性基體的高溫硫化硅橡膠作外絕緣傘裙護套，精細工業(yè)氧化鋁高強度陶瓷作內(nèi)絕緣芯棒的混合絕緣子.

其電氣性能、機械性能見表12.

圖9 瓷復(fù)合絕緣子產(chǎn)品圖片及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Porcelain composite insulator

表12 瓷復(fù)合絕緣子機電性能Tab.12 The characters of porcelain composite insulators

其他特性如下：

1）從材料上絕緣子的外表采用氟硅橡膠，其接觸角達到130°以上表面光滑度較高，不易積污.

2）傘形結(jié)構(gòu)為開放型大小小傘結(jié)構(gòu)，又稱空氣動力型傘形. 在有風(fēng)的情況下，沉積在傘面上的污穢會被吹掉，不易積污；降雨情況下，瓷絕緣子的下表面雨水沖刷作用較小，而瓷復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)更利于雨水對污穢的沖刷，大大提高了其自潔性能；此外，對瓷復(fù)合絕緣子增加爬電距離或增大個別傘裙的直徑也比瓷絕緣子容易實現(xiàn).

3）機械強度穩(wěn)定.

4）瓷芯棒不易老化，使用壽命長.

5）傘裙材料采用含氟元素硅橡膠，具有良好的耐堿、耐寒、耐候性能.

3 現(xiàn)場試驗

新疆地區(qū)電氣化鐵路蘭新二線、吐庫二線采用對腕臂絕緣子進行RTV-II防污閃涂料噴涂的防污閃加強措施，目前運行狀態(tài)良好.

4 結(jié)論

通過仿真以及實驗結(jié)果可知，可以采取優(yōu)化絕緣子端部金具形狀、在絕緣子表面噴涂PRTV材料、加裝增爬群對絕緣子的電場分布進行改善，提高絕緣性能. 其中噴涂材料已經(jīng)在蘭新線予以實施，并且效果良好.

近期采用加強絕緣子清掃頻度，縮短清掃周期來減少污閃的發(fā)生率，遠期可通過調(diào)整爬電距離，更換大爬距防污型絕緣子來有效解決此問題.

腕臂絕緣子采用“采用大小間隔傘裙瓷絕緣子，并噴涂RTV-Ⅱ或PRTV型防污閃涂料以提高防污閃能力的加強措施，沙蝕嚴重地區(qū)可采用瓷復(fù)合絕緣子.