極端環(huán)境對高速動(dòng)車組受電弓弓角放電電壓影響的試驗(yàn)研究

景所立，張作欽，楊 林，趙立江，楊澤鋒

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 611756)

高速鐵路均采用電力進(jìn)行牽引，高速列車通過受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)接觸獲取動(dòng)力來源，由于接觸網(wǎng)存在線岔、錨段關(guān)節(jié)等不平順部位，為防止車輛運(yùn)行時(shí)接觸網(wǎng)鉆到受電弓弓頭下方損壞接觸網(wǎng)或受電弓導(dǎo)致弓網(wǎng)事故的發(fā)生，受電弓弓頭長度方向左右兩側(cè)對稱設(shè)置有兩根受電弓弓角，以引導(dǎo)其平滑過渡[1-2]，具體安裝方式見圖1。當(dāng)受電弓降弓、而支撐絕緣子絕緣性能正常時(shí)，由于受電弓弓角距列車車頂較近，二者之間的絕緣強(qiáng)度相對薄弱，加上受電弓長期暴露在戶外復(fù)雜環(huán)境，易受到污穢、雨水、鹽霧等環(huán)境的影響，使得車頂絕緣性能進(jìn)一步下降，受電弓弓角與車頂間的閃絡(luò)、放電現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[3-7]。

圖1 受電弓弓角與受電弓盆斷面(單位：mm)

近些年來，通過“引進(jìn)-消化-吸收-再創(chuàng)新”的發(fā)展策略，軌道交通行業(yè)發(fā)展迅猛，高速列車已成為我國的一張名片[8]。在實(shí)際運(yùn)營中，某型號高速列車出現(xiàn)弓角對列車車頂閃絡(luò)、放電等現(xiàn)象，這對受電弓正常升弓、接觸網(wǎng)可靠供電、列車安全運(yùn)營、鐵路穩(wěn)定運(yùn)輸?shù)葞戆踩[患，因此，為保障鐵路安全穩(wěn)定運(yùn)營，不斷完善受電弓弓角的既有設(shè)計(jì)，有必要對該型號動(dòng)車組受電弓弓角放電影響因素及變化規(guī)律進(jìn)行探究。

本文基于某型號高速動(dòng)車組受電弓弓角既有設(shè)計(jì)方案，對各材質(zhì)弓角在不同極端氣候環(huán)境下的工頻、雷電擊穿電壓進(jìn)行考察，擬為其后續(xù)弓角的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)、使用選型等提供依據(jù)與指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)布置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象及模型

被試受電弓弓角按材質(zhì)分類主要包括如下3種，即：金屬弓角、半絕緣弓角和全絕緣弓角。實(shí)際工況中，受電弓弓角相對車頂?shù)陌惭b位置及各類弓角的外形尺寸如圖1、圖2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱ㄋ貌牧现饕ü?、支撐絕緣子、受電弓盆側(cè)板等，均由相應(yīng)廠商提供，模型的架構(gòu)安裝方式如圖3所示，弓角尖端距受電弓盆側(cè)面擋板最短距離為182 mm。

圖2 各類型弓角尺寸參數(shù)(單位：mm)

圖3 弓角-受電弓盆架構(gòu)模型(金屬弓角)

1.2 環(huán)境模擬

1.2.1 雨水環(huán)境

我國氣象局規(guī)定的雨型劃分依據(jù)是24 h內(nèi)的總降雨量，并不反映24 h內(nèi)的某一個(gè)瞬時(shí)的降雨量[9-10]。因此，引入降雨瞬時(shí)雨強(qiáng)概念，選擇特大暴雨的瞬時(shí)雨強(qiáng)(14.5 mm/min)和污穢嚴(yán)重地區(qū)的雨水電導(dǎo)率(100 S/m)作為雨水環(huán)境模擬參量[11]。雨水由自來水和蒸餾水調(diào)制得到，雨強(qiáng)按照降雨量測量方法進(jìn)行計(jì)算，電導(dǎo)率通過電導(dǎo)率測試儀進(jìn)行測定。

1.2.2 NaCl鹽霧

以高電導(dǎo)率鹽霧來模擬極端水霧(霧霾)環(huán)境，通過在蒸餾水中加入適量的NaCl配制得到所需溶液[12]。其中所加NaCl試劑純度超過99.5%，通過改變NaCl含量來調(diào)整霧水電導(dǎo)率，NaCl鹽霧中主要離子為Na+和Cl-。霧水電導(dǎo)率為0.43 S/m，由電導(dǎo)率測試儀進(jìn)行測定。

1.2.3 污穢環(huán)境

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60077—1—1999中的規(guī)定對弓角配制污穢物并進(jìn)行染污處理，使其表面連續(xù)性導(dǎo)電以模擬受污染最嚴(yán)重情況。污液配制及染污具體操作均參照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 859—2015《高壓交流系統(tǒng)用復(fù)合絕緣子人工污穢試驗(yàn)》進(jìn)行，污液的鹽密為0.2 mg/cm2，灰密為1 mg/cm2，主要成分包括高嶺土、蒸餾水、商業(yè)純氯化鈉，染污方法采用浸污法。弓角污液涂敷效果見圖4。

圖4 各類型弓角涂污效果

環(huán)境中大氣污穢物主要來源于土壤塵、汽車尾氣、生物質(zhì)燃料及煤燃燒，對電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度影響最大的是CaSO4和NaCl，CaSO4使污閃電壓升高，NaCl使污閃電壓降低[13]。因此，在環(huán)境污穢模擬中污穢物主要以NaCl和不可溶性惰性物質(zhì)進(jìn)行配制。本試驗(yàn)空間污穢環(huán)境主要考慮環(huán)境濕度和空間懸浮塵埃兩方面因素，通過配制100 S/m的NaCl水溶液，并利用加濕器加濕、鼓塵裝置吹起超細(xì)高嶺土粉末加以實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)環(huán)境相對濕度要求>95%，鼓塵后能見度要求<1 m。試驗(yàn)環(huán)境效果見圖5。

圖5 空間污穢環(huán)境效果

1.3 試驗(yàn)平臺及測試方法

試驗(yàn)平臺主要包括工頻電壓源(0～200 kV)、雷電沖擊電壓源(100～1 800 kV)和自制的環(huán)境模擬箱。其中，環(huán)境模擬箱由透明樹脂板拼接而成，外形尺寸為2 m×1.5 m ×1.5 m，主要由噴淋裝置、供水系統(tǒng)和鼓塵裝置三部分組成。通過調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)水壓和噴頭種類，可實(shí)現(xiàn)淋雨和噴霧兩種功能，通過鼓塵裝置可使箱內(nèi)空間彌漫污穢物，營造極端污穢環(huán)境。實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備裝置見圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備、裝置

試驗(yàn)時(shí)，將弓角-受電弓盆架構(gòu)模型放入環(huán)境模擬箱內(nèi)，在雷電沖擊、工頻電壓條件下，分別測試金屬弓角、半絕緣弓角、全絕緣弓角在干燥、雨水、鹽霧、污穢環(huán)境下的擊穿電壓，通過與弓角在相應(yīng)電壓類型條件下的耐壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比(雷電沖擊耐壓等級為185 kV、工頻耐壓等級為65 kV)，判定各類型弓角在各環(huán)境下的適用情況。實(shí)驗(yàn)升壓方式為均勻升壓法，實(shí)驗(yàn)開始前預(yù)留15 min待模擬箱內(nèi)環(huán)境達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，每種工況下試驗(yàn)次數(shù)≮5次，所有數(shù)據(jù)取平均值后計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差百分?jǐn)?shù)，標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%為有效數(shù)據(jù)。此外，利用高速相機(jī)拍攝弓角對受電弓盆側(cè)板放電瞬間，以對各類型弓角放電路徑進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，利用工頻電壓源、雷電沖擊電壓源分別對干燥、雨水、鹽霧、污穢環(huán)境下的金屬弓角、半絕緣弓角、全絕緣弓角進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)，其中，工頻最高試驗(yàn)電壓為150 kV，雷電沖擊最高試驗(yàn)電壓為230 kV(包括正、負(fù)極性兩種條件)，每種工況條件下的試驗(yàn)次數(shù)≮5次，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選整理后所得結(jié)果見表1。

表1 工頻、雷電沖擊條件下各類型弓角在不同環(huán)境中的擊穿電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù) kV

2.2 工頻電壓下環(huán)境條件對各類弓角擊穿電壓的影響

工頻電壓條件下各類型弓角的擊穿電壓隨環(huán)境變化趨勢見圖7，通過對比可以發(fā)現(xiàn)：在不同環(huán)境中，各類型弓角擊穿電壓雖然都能滿足高于65 kV電壓等級的要求，但受環(huán)境影響波動(dòng)幅度較大。相比于干燥環(huán)境，鹽霧、雨水、污穢環(huán)境均會(huì)使各類型弓角的擊穿電壓不同程度的下降，其中，全絕緣弓角在3種環(huán)境下的擊穿電壓降幅依次為48.3%、35%、25.3%，半絕緣弓角在3種環(huán)境下的擊穿電壓降幅依次為34.8%、34.7%、8.7%，金屬弓角在3種環(huán)境下的擊穿電壓降幅依次為20.4%、22.5%、11.8%。由此可見，全絕緣弓角、半絕緣弓角、金屬弓角的擊穿電壓受環(huán)境的影響依次降低，且3種環(huán)境中鹽霧環(huán)境對弓角擊穿電壓的影響最大，這是由于鹽霧中含有大量的帶電粒子，可為放電的發(fā)展提供大量的自由電荷[14-15]。此外，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)全絕緣弓角的擊穿電壓略低于金屬弓角，這與兩方面的因素有關(guān)：一方面是金屬弓角的尖端有絕緣套，該絕緣套有一定的高度及厚度，不僅增加了弓角導(dǎo)電部位與受電弓盆的最短路徑，還使弓角尖端的曲率半徑變大，故利于擊穿電壓的提升；另一方面，金屬、半絕緣弓角與全絕緣弓角的外形尺寸有所差異，后者的尖端曲率半徑較小，利于初始放電條件的形成。在雨水環(huán)境中，由于雨水的介電常數(shù)比空氣大得多(約為80∶1)，放電間隙中雨滴的存在使得雨滴顆粒附近的空間場強(qiáng)增強(qiáng)，故弓角的擊穿電壓有所降低[16-17]；在污穢環(huán)境中，由于環(huán)境濕度較大，且周圍有懸浮導(dǎo)電粒子使場強(qiáng)發(fā)生畸變，故也會(huì)使弓角的擊穿電壓下降[18]。

圖7 工頻電壓下各類型弓角擊穿電壓隨環(huán)境變化趨勢

2.3 雷電沖擊電壓下環(huán)境條件對各類弓角擊穿電壓的影響

從表1中雷電沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果中可以看到，各類型弓角的擊穿現(xiàn)象均發(fā)生在正極性過電壓條件下，這是由于受電弓盆及弓角均存在一定的曲率半徑，極不均勻電場下的極性效應(yīng)凸顯，故使得該種現(xiàn)象發(fā)生[19]。

正極性雷電沖擊下各類型弓角擊穿電壓隨環(huán)境變化趨勢見圖8。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：各類型弓角都未能滿足在各個(gè)環(huán)境下?lián)舸╇妷壕哂?85 kV的要求，且擊穿電壓受環(huán)境影響有所波動(dòng)。相比于干燥環(huán)境，鹽霧環(huán)境和污穢環(huán)境均使各類型弓角的擊穿電壓不同程度的下降，其中，全絕緣弓角在兩種環(huán)境下的擊穿電壓降幅為19.5%和5.2%，半絕緣弓角在兩種環(huán)境下的擊穿電壓降幅為22.9%和6.4%，金屬弓角在兩種環(huán)境下的擊穿電壓降幅為6.2%和2.7%；而在雨水環(huán)境中，各類型弓角的擊穿電壓有上升的趨勢，這是由于在極不均勻電場中，水分子具有弱電負(fù)性，容易吸附電子形成負(fù)離子，故使間隙的擊穿電壓有所提高[20]。

圖8 正極性雷電沖擊下各類型弓角擊穿電壓隨環(huán)境變化趨勢

2.4 環(huán)境條件對各類弓角放電路徑的影響

各類型弓角在不同環(huán)境中的放電瞬間見表2，從表2可以看到，在干燥環(huán)境中，金屬、半絕緣弓角均通過空氣擊穿，從高壓金屬端表面沿間隙最短路徑進(jìn)行放電。在雨水環(huán)境中，金屬弓角則因空氣絕緣能力下降，使間隙擊穿電壓降低；半絕緣、全絕緣弓角則由于雨水在弓角表面滴落、匯集導(dǎo)電，高壓等電位端延伸至弓角尖端的絕緣材質(zhì)表面，使絕緣材質(zhì)失效，故起弧均發(fā)生在弓角尖端位置。在鹽霧環(huán)境中，霧珠富集在弓角表面并沿著弓角尖端向下滴落，與雨水環(huán)境類似，此時(shí)弓角絕緣材質(zhì)失效，由于霧滴導(dǎo)電、空氣絕緣能力降低的緣故，各類型弓角的對地?fù)舸╇妷壕档?。在污穢環(huán)境中，各類型弓角的電弧放電強(qiáng)度與前3種環(huán)境相比有所不同，該種環(huán)境下的電弧放電范圍更寬，弧柱由細(xì)枝狀變?yōu)榛鹎驙?，且邊界更為模糊、不易區(qū)分，這是由于該種環(huán)境條件下，空氣濕度較高、且周圍彌漫有大量的懸浮導(dǎo)電塵埃所致，此外，由于污穢物沉積在弓角表面并潤濕形成連續(xù)導(dǎo)電物質(zhì)，使得絕緣材質(zhì)弓角易沿其表面進(jìn)行污閃放電。

表2 各類型弓角在不同環(huán)境中的放電瞬間(工頻電壓)

3 結(jié)論

本文對某高速動(dòng)車組車頂受電弓弓角在不同環(huán)境下的工頻和沖擊耐壓特性開展了研究，對比分析了不同類型弓角的耐受電壓、放電過程，得出如下結(jié)論。

(1)工頻電壓條件下，金屬、半絕緣弓角和全絕緣弓角在各極端環(huán)境下的擊穿電壓均高于65 kV電壓等級，環(huán)境條件對其擊穿電壓有較大影響，相比于干燥環(huán)境，弓角在污穢、雨水、鹽霧中的擊穿電壓依次降低，電壓降低幅度分別在8.7%～25.3%、22.5%～35%和20.4%～48.3%。

(2)雷電沖擊電壓條件下，極性效應(yīng)使各類弓角放電均發(fā)生在正極性沖擊電壓條件下，且金屬、半絕緣弓角和全絕緣弓角都未能滿足在各種環(huán)境下?lián)舸╇妷壕哂?85 kV的要求。相比于干燥環(huán)境，鹽霧和污穢環(huán)境使各類弓角的擊穿電壓依次降低，降低幅度分別在6.2%～22.9%和2.7%～6.4%，雨水環(huán)境反而有利于擊穿電壓的提升。

(3)雨水、鹽霧和污穢環(huán)境都是通過在絕緣材料表面形成連續(xù)導(dǎo)電通路使絕緣材料失效，進(jìn)而大幅影響絕緣類弓角的擊穿電壓，總體而言，3種弓角在各環(huán)境條件下的耐受電壓表現(xiàn)排序?yàn)椋喝^緣弓角>半絕緣弓角>金屬弓角。

從極端環(huán)境工況角度考慮，該型號動(dòng)車組現(xiàn)役3種類型的弓角中僅全絕緣弓角的各項(xiàng)性能指標(biāo)接近相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。動(dòng)車組車頂受電弓弓角的優(yōu)化設(shè)計(jì)有進(jìn)一步的提升空間，建議從弓角的外形尺寸、絕緣材質(zhì)以及安裝高度設(shè)計(jì)3個(gè)方面進(jìn)行綜合考量，以應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境條件。