接觸網(wǎng)分段絕緣器放電過(guò)程分析研究

田升平

摘 要：本研究借助視頻資料和分段絕緣器弓位示意圖，對(duì)機(jī)車過(guò)分段絕緣器的起弧、燃弧以及電弧的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。有斷口分段絕緣器的放電是由空氣間隙形成的貫穿性電弧放電，且不易熄滅;無(wú)斷口分段絕緣器放電是沿面放電，對(duì)絕緣滑道影響極大。通過(guò)對(duì)無(wú)斷口的菱形分段絕緣器設(shè)置屏蔽環(huán)，將放電位置轉(zhuǎn)移到屏蔽環(huán)上，可防止絕緣滑道燒毀。通過(guò)有限元分析法對(duì)絕緣滑道進(jìn)行電場(chǎng)分析，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，增加屏蔽環(huán)的改進(jìn)型菱形分段絕緣器，其絕緣滑道端部等位線分布圖較傳統(tǒng)菱形分段絕緣器絕緣滑道端部稀疏，且改進(jìn)型菱形分段絕緣器更不易放電。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵道;分段絕緣器;放電過(guò)程;有限元電場(chǎng)分析

中圖分類號(hào)：U225 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）11-0039-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.008

Analysis and Research on Discharge Process of Section Insulator of Overhead Contact System

TIAN Shengping

（China Railway First Survey And Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043， China ）

Abstract：This study through video materials and the section insulator and the pantograph relative position diagrams，this paper analyzes in detail the development process of the igniting，arcing of the section insulator when elextric railway locomotive passes? through a section insulator.The discharge process of the section insulator with opening is mainly a penetrating arc discharge formed by the air gap，which is not easy to extinguish;The discharge process of the section insulator? without opening is mainly discharged along the surface，which has a great impact on the insulated slide.The shielding ring is set for the diamond-shaped section insulator without opening，and the insulated slide can be prevented from burning by transferring the discharge position on the shielding ring;Further，the electric field analysis of the insulated slide is carried out by using the finite element method， the results show that the equipotential line distribution at the end of the insulated slide of the improved diamond-shaped section insulator with shielding ring is thinner than that of the traditional diamond-shaped section insulator， so the improved diamond-shaped section insulator is more difficult to discharge.

Keywords：electrified railway;section insulator;discharge process;finite element electric field analysis

0 引言

分段絕緣器是一種通用的電氣化鐵道電分段絕緣器件，即可對(duì)各供電單元進(jìn)行電氣隔離，又可使機(jī)車滑動(dòng)通過(guò)[1]。目前，分段絕緣器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，存在接觸網(wǎng)硬點(diǎn)、接頭處接觸線磨耗加劇、分段絕緣器絕緣棒燒損等問(wèn)題。究其原因是分段絕緣器的運(yùn)行環(huán)境比較特殊。分段絕緣器在戶外環(huán)境中運(yùn)行，長(zhǎng)期受雨淋日曬等，且在機(jī)車通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力。尤其是碳元素材料制成的受電弓與接觸網(wǎng)摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生碳粉，碳粉在電弧的作用下會(huì)逐漸燃燒;在機(jī)車通過(guò)分段絕緣器時(shí)，對(duì)間隙或絕緣滑道是一個(gè)動(dòng)態(tài)受流過(guò)程，放電和拉弧是一個(gè)必然過(guò)程。

因此，分段絕緣器不僅要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐機(jī)械疲勞的能力，同時(shí)還要有防燃弧和滅弧的能力。本研究對(duì)分段絕緣器的燃弧過(guò)程進(jìn)行分析，為相關(guān)研究的開(kāi)展提供依據(jù)[2]。

1 分段絕緣器的結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的分段絕緣器分為有斷口分段絕緣器和無(wú)斷口分段絕緣器[3]。有斷口分段絕緣器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

有斷口分段絕緣器的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有絕緣滑道，不存在沿面放電的問(wèn)題;缺點(diǎn)是其在長(zhǎng)期受到機(jī)械沖擊后，容易發(fā)生機(jī)械疲勞，較長(zhǎng)一邊的滑臂會(huì)產(chǎn)生較大變形，出現(xiàn)刮弓及打弓問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成斷線塌網(wǎng)事故[4]。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

無(wú)斷口分段絕緣器為菱形結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安裝方便，但易引發(fā)沿面放電，造成絕緣滑道的端部燒毀[5]。

2 分段絕緣器放電過(guò)程分析

2.1 分段絕緣器的氣體放電形式

分段絕緣器是一種將空氣作為絕緣介質(zhì)的典型電氣設(shè)備。氣體放電受氣壓、電源功率、電極形狀、電極之間距離等因素的影響，主要有輝光放電、電弧放電、火花放電、電暈放電、刷狀放電5種放電形式。有斷口的分段絕緣器的放電形式有電暈放電和電弧放電兩種，但在大氣條件比較惡劣時(shí)，也有可能發(fā)生刷狀放電。而無(wú)斷口的菱形分段絕緣器主要是沿面放電，放電電壓比電弧放電低。

2.2 分段絕緣器放電過(guò)程

在有斷口的分段絕緣器放電過(guò)程的視頻中截取到的圖片如圖3所示，從起弧到滅弧全過(guò)程約1 s，共計(jì)16張圖片。

從圖3可以看出，機(jī)車從圖片右側(cè)向左行進(jìn)。第1張圖片有兩個(gè)亮點(diǎn)，右側(cè)亮點(diǎn)為機(jī)車通過(guò)第一個(gè)斷口時(shí)的電弧，持續(xù)時(shí)間很短，到第2張圖片時(shí)右側(cè)亮點(diǎn)已經(jīng)消失;左側(cè)亮點(diǎn)為機(jī)車通過(guò)第二個(gè)斷口時(shí)電弧，燃弧時(shí)間較長(zhǎng)。

從圖3中左側(cè)放電點(diǎn)放電情況來(lái)看，在放電初始時(shí)，第2、3張圖片中的電弧發(fā)出藍(lán)白色亮光;第4～7張圖片中的電弧開(kāi)始變成不規(guī)則團(tuán)狀并沿平腕臂向下方燃燒，說(shuō)明受到可燃物及風(fēng)壓的影響;第8～12張圖片燃燒體向左上方發(fā)展，并有明顯的藍(lán)白色亮光，這時(shí)機(jī)車已經(jīng)完全通過(guò)分段絕緣器，失去了風(fēng)壓作用，為電弧與可燃物自由燃燒過(guò)程;在第13～16張圖片中電弧已經(jīng)熄滅，顏色從亮白色逐步變成橙黃色，脫離分段絕緣器，自由燃燒并逐步熄滅[6]。

對(duì)圖3中的圖片進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：機(jī)車在過(guò)分段絕緣器時(shí)，起弧和燃弧是空氣中可燃物燃燒的現(xiàn)象，并受到機(jī)車行駛過(guò)程中形成的風(fēng)壓和大氣環(huán)境中風(fēng)力的影響?？諝庵械目扇嘉镏饕鞘茈姽c接觸網(wǎng)摩擦而形成的碳粉。

2.3 分段絕緣器放電特點(diǎn)

分段絕緣器兩端與不同的接觸網(wǎng)電路相連。機(jī)車通過(guò)時(shí)，分段絕緣器與接觸網(wǎng)的空氣間隙先從大變小，再?gòu)男∽兇螅g隙的變化導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度變得非常大，使空氣快速電離并瞬間放電。受電弓與接觸網(wǎng)之間是滑動(dòng)接觸，常伴隨刷狀火花放電。受電弓碳滑板在弓網(wǎng)耦合時(shí)，一方面高速運(yùn)動(dòng)的可燃碳粉與空氣碰撞引發(fā)空氣分子電離，另一方面電弧放電時(shí)易形成團(tuán)狀火苗。

2.4 機(jī)車過(guò)分段絕緣器的過(guò)程分析

氣體放電理論有湯遜放電理論和流注放電理論，分段絕緣器放電過(guò)程更適合用流注放電理論來(lái)解釋[7]。有斷口分段絕緣器和無(wú)斷口分段絕緣器的弓位示意圖見(jiàn)圖4。無(wú)論是有斷口分段絕緣器，還是無(wú)斷口分段絕緣器，機(jī)車過(guò)分段絕緣器時(shí)有2個(gè)重要的位置，即圖4中的弓位1和弓位2。

如圖4（a）所示，有斷口分段絕緣器中的a、b、c、d為導(dǎo)體滑道。受電弓從左到右移動(dòng)到弓位1時(shí)，由于機(jī)車負(fù)載的原因，受電弓的電壓（即滑道a的電壓）低于滑道d的電壓。在受電弓與滑道d接觸前，先出現(xiàn)火花放電，再出現(xiàn)電弧放電，整個(gè)放電過(guò)程很快，壓差變化不大，且受電弓會(huì)很快滑到與滑道d接觸的位置，受電弓將滑道a、d短接，放電條件不復(fù)存在;當(dāng)受電弓移動(dòng)到弓位2時(shí)，受電弓與滑道a斷開(kāi)，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其中包括2個(gè)主要問(wèn)題：①對(duì)于與滑道a連接的接觸網(wǎng)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)甩負(fù)荷的過(guò)程，必然會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓;②在斷開(kāi)的瞬間，由于系統(tǒng)的慣性，必然要通過(guò)電弧來(lái)保持續(xù)流，這將使周圍空氣快速電離，形成持續(xù)的電弧放電，并引起周圍空氣中的可燃物燃燒，從而形成一個(gè)電弧與可燃物同時(shí)存在的過(guò)程，直至自持放電條件被破壞，電弧才會(huì)熄滅。圖3中含有藍(lán)白色強(qiáng)光的圖片中有電弧的存在，受電弓基本上通過(guò)分段絕緣器。圖3中的第12張圖片仍然有電弧存在，說(shuō)明機(jī)車在通過(guò)分段絕緣器后，滑道a和c之間的電弧仍持續(xù)了0.6 s左右的時(shí)間，這是因?yàn)榭諝庵械奶挤塾兄欢ǖ闹∽饔肹8]。

如圖4（b）所示，無(wú)斷口分段絕緣器中的e、h為導(dǎo)體滑道，f、g為絕緣體滑道。受電弓從左向右移動(dòng)到弓位1時(shí)，由于機(jī)車負(fù)載的原因，兩側(cè)接觸網(wǎng)存在電位差。與帶斷口分段絕緣器不同的是，無(wú)斷口分段絕緣器在受電弓與金屬滑道h接觸前，會(huì)先沿著絕緣滑道f出現(xiàn)沿面放電，然后出現(xiàn)沿面貫穿性放電。由于受電弓的移動(dòng)速度很快，當(dāng)絕緣滑道f兩側(cè)的電位相等時(shí)，放電條件不存在，這個(gè)放電過(guò)程會(huì)很快結(jié)束。當(dāng)受電弓移動(dòng)到弓位2時(shí)，受電弓與滑道e斷開(kāi)，這個(gè)斷開(kāi)的過(guò)程同樣有2個(gè)問(wèn)題：①對(duì)于滑道e連接的接觸網(wǎng)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)甩負(fù)荷的過(guò)程，必然會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓;②在斷開(kāi)的瞬間，由于系統(tǒng)的慣性，必然要通過(guò)電弧來(lái)保持續(xù)流，從而快速形成沿面放電，使周圍空氣快速電離，形成持續(xù)的沿面貫穿性放電，并引起周圍空氣中的可燃物燃燒，從而形成一個(gè)電弧與可燃物同時(shí)存在的過(guò)程，直至自持放電條件被破壞，電弧才會(huì)熄滅[9]。

從這兩種絕緣器的放電過(guò)程來(lái)看，兩者主要有3個(gè)區(qū)別：①有斷口分段絕緣器的放電過(guò)程主要是由空氣間隙形成的貫穿性電弧放電，而無(wú)斷口分段絕緣器的放電過(guò)程主要是沿面放電;②在弓位2形成放電后，帶斷口的分段絕緣器是一個(gè)棒對(duì)棒的絕緣結(jié)構(gòu)，不利于電弧熄滅，而無(wú)斷口的菱形分段絕緣器的電極結(jié)構(gòu)會(huì)好很多，隨著受電弓的移動(dòng)，自持放電條件很快被破壞，電弧快速熄滅;③有斷口分段絕緣器的放電間隙通道是一種可恢復(fù)的絕緣結(jié)構(gòu)，而無(wú)斷口分段絕緣器絕緣滑道的損傷是不可恢復(fù)的，多次放電后會(huì)對(duì)其表面造成損傷，從而影響放電電壓，長(zhǎng)期使用會(huì)燒壞絕緣滑道[10]。

3 改進(jìn)型菱形分段絕緣器

3.1 分段絕緣器設(shè)置屏蔽環(huán)

傳統(tǒng)菱形分段絕緣器的絕緣滑道長(zhǎng)期暴露于戶外環(huán)境中，絕緣材料的老化及沿面放電是其固有的癥結(jié)。在其絕緣滑道兩側(cè)設(shè)置屏蔽環(huán)，如圖5所示。通過(guò)采取屏蔽措施，將放電位置轉(zhuǎn)移到屏蔽體上，這樣可以防止絕緣子表面發(fā)生沿面放電，從而避免絕緣滑道被燒毀。

3.2 絕緣滑道電場(chǎng)有限元分析

分段絕緣器安裝于接觸懸掛中，其電場(chǎng)分布受周圍環(huán)境的影響較大，主要影響因素有工作支的承力索、接觸線、吊弦布置、導(dǎo)流滑道與絕緣滑道的安裝精度，以及相鄰非工作支的承力索、接觸線距離。導(dǎo)流滑道與絕緣滑道處于同一個(gè)水平面時(shí)，主要對(duì)絕緣滑道水平方向上的電位線分布進(jìn)行分析。當(dāng)滑道存在偏斜，兩端接頭線夾等連接零件方位發(fā)生變化時(shí)，分段絕緣器的電場(chǎng)、電位分布均會(huì)發(fā)生變化。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

分段絕緣器的絕緣器和間隙電場(chǎng)均屬于開(kāi)域場(chǎng)，其電場(chǎng)分析和計(jì)算難度很大，現(xiàn)僅對(duì)菱形分段絕緣器增設(shè)屏蔽環(huán)前后的絕緣滑道電場(chǎng)情況采用有限元法進(jìn)行分析研究，如圖6所示。

圖中通過(guò)等位線來(lái)分析絕緣滑道端部的電場(chǎng)情況，圖6（a）為傳統(tǒng)菱形分段絕緣器絕緣滑道的等位線分析圖，圖6（b）為改進(jìn)型菱形分段絕緣器絕緣滑道的等位線分析圖。對(duì)圖6（a）和圖6（b）進(jìn)行對(duì)比分析，改進(jìn)型菱形分段絕緣器的絕緣滑道大大降低了分段絕緣器絕緣滑道根部的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高了分段絕緣器端部電暈放電和火花放電的電壓，這樣將最大場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)移到絕緣器屏蔽環(huán)的外側(cè)，即便是出現(xiàn)電暈，也不會(huì)傷及絕緣滑道。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，分段絕緣器的放電過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，機(jī)車通過(guò)第一個(gè)斷口或絕緣滑道時(shí)，放電過(guò)程很快，原則上不會(huì)對(duì)分段絕緣器造成較大損傷。機(jī)車通過(guò)第二個(gè)斷口或絕緣滑道時(shí)，燃弧現(xiàn)象比較嚴(yán)重。隨著機(jī)車移動(dòng)，電弧會(huì)被拉長(zhǎng)，并在空氣中出現(xiàn)可燃物燃燒現(xiàn)象。同時(shí)，受到機(jī)車通過(guò)形成的風(fēng)壓與自然空氣流動(dòng)的影響，可燃物對(duì)電弧有一定的助燃作用。改進(jìn)型菱形分段絕緣器在絕緣滑道端部增加屏蔽環(huán)后，可有效防止其端部出現(xiàn)電暈、火花放電、沿面放電等問(wèn)題。

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