沈佳高速鐵路牡佳段AF線絕緣子閃絡(luò)故障淺析

張吉彬

0 引言

沈佳高速鐵路牡佳段（以下簡(jiǎn)稱“牡佳高鐵”）起點(diǎn)為牡丹江站，終點(diǎn)為佳木斯站，運(yùn)營(yíng)里程372 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，正線接觸網(wǎng)采用AT供電方式。

牡佳高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備于2021年6月5日送電，全線于2021年12月6日正式開通運(yùn)營(yíng)。接觸網(wǎng)設(shè)備送電后，正饋線（AF線）懸式絕緣子（以下簡(jiǎn)稱絕緣子）頻繁發(fā)生閃絡(luò)跳閘故障.從接觸網(wǎng)送電至2022年6月20日期間，全線累計(jì)發(fā)生AF線絕緣子故障閃絡(luò)跳閘35次。針對(duì)此類故障問(wèn)題，本文通過(guò)梳理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及絕緣子閃絡(luò)故障情況，分析故障發(fā)生原因，并提出解決方案。

1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備基本情況

牡佳高鐵正線接觸網(wǎng)采用AT供電方式，全線絕緣設(shè)備均按重污區(qū)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，絕緣子設(shè)計(jì)泄漏距離不小于1 400 mm。在實(shí)際工程建設(shè)中，牡佳高鐵AF線采用4片U70BD型瓷材質(zhì)懸式絕緣子串，AF線與絕緣子采用預(yù)絞式懸垂線夾連接，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2 絕緣子閃絡(luò)故障情況

本節(jié)將從故障分布、故障發(fā)生時(shí)段、故障現(xiàn)象等方面，對(duì)牡佳高鐵AF線絕緣子發(fā)生的35次閃絡(luò)跳閘進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 故障分布

從故障所在區(qū)間、行別分布看，故障呈現(xiàn)散布趨勢(shì)，上下行分布無(wú)明顯規(guī)律。但從地理位置上分析，橋梁及橋梁路基銜接區(qū)段發(fā)生跳閘31次，路基段發(fā)生跳閘4次?？紤]牡佳高鐵全線橋梁占比約為48%，可以判斷故障分布位置多發(fā)生在橋梁段。

2.2 故障發(fā)生時(shí)段

從時(shí)段上分析，絕緣子閃絡(luò)跳閘全部發(fā)生在凌晨3：00—6：30左右的日出時(shí)段。跳閘發(fā)生時(shí)間與日出時(shí)間變化規(guī)律高度一致。每月跳閘發(fā)生時(shí)間均值趨勢(shì)見圖1。

圖1 絕緣閃絡(luò)跳閘發(fā)生時(shí)間情況

2.3 故障現(xiàn)象特點(diǎn)

從跳閘特性分析，絕緣子閃絡(luò)跳閘后重合閘均成功，重合閘成功后，供電恢復(fù)正常，后續(xù)未再發(fā)生故障跳閘；跳閘電流、電壓、阻抗角數(shù)據(jù)近似，繼電保護(hù)動(dòng)作類型均為距離保護(hù)I段動(dòng)作。

通過(guò)上述分析，基本可以判斷牡佳高鐵發(fā)生的這35次閃絡(luò)跳閘為同類型故障。

3 故障原因分析

綜合上述接觸網(wǎng)跳閘故障的特點(diǎn)，本節(jié)對(duì)故障原因展開分析。

3.1 絕緣子質(zhì)量

2021年10月，供電設(shè)備管理單位將部分發(fā)生過(guò)閃絡(luò)故障的絕緣子以及現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)生閃絡(luò)故障的絕緣子合計(jì)24片進(jìn)行送檢。經(jīng)檢測(cè)，絕緣子各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，基本排除絕緣子質(zhì)量原因引發(fā)閃絡(luò)跳閘。

3.2 絕緣設(shè)計(jì)因素

高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范、運(yùn)維規(guī)范及施工規(guī)范中對(duì)附加導(dǎo)線帶電體距瓷絕緣子裙邊的距離均未明確要求。參考電力系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，《電氣裝置安裝工程 66 kV及以下架空電力線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50173—2014）[1]第8.6.10條規(guī)定：懸式絕緣子裙邊與帶電部位的間隙不應(yīng)小于50 mm。而牡佳高鐵AF線最下方一片絕緣子裙邊距預(yù)絞式懸垂線夾帶電部位約25 mm。該情況可能對(duì)設(shè)備的絕緣性能產(chǎn)生一定影響，是引發(fā)絕緣子閃絡(luò)跳閘的重要原因。

3.3 特殊外部環(huán)境因素

牡佳高鐵發(fā)生AF線絕緣子閃絡(luò)跳閘的區(qū)段均不在污染源影響范圍內(nèi)，且絕大部分處于林區(qū)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良，經(jīng)檢測(cè)，絕緣子附鹽密度值滿足規(guī)范要求，故排除外部污染原因造成絕緣子閃絡(luò)跳閘。

從發(fā)生跳閘的時(shí)間看，所有AF線絕緣子閃絡(luò)跳閘均發(fā)生在每日清晨時(shí)段，跳閘時(shí)間隨日出時(shí)間變化呈規(guī)律性變化，該時(shí)間段屬于晝夜溫差急劇變化時(shí)段，空氣濕度大。經(jīng)定點(diǎn)檢測(cè)，跳閘發(fā)生時(shí)間基本為每日空氣濕度最大的時(shí)段，空氣濕度一般在90%以上，可以判斷空氣濕度大是引發(fā)絕緣子閃絡(luò)的一個(gè)重要誘因。

綜合以上分析，對(duì)牡佳高鐵AF線絕緣子閃絡(luò)故障原因進(jìn)行初步推斷，結(jié)論如下：

每日清晨時(shí)段環(huán)境濕度較大，絕緣子表面附著水汽，形成了沿面泄漏電流通路，受日照及泄漏電流發(fā)熱影響，導(dǎo)致絕緣子表面局部干燥，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣子串電壓分布不均，絕緣子干帶承受了更高的電壓，可能形成爬電電弧[2]。隨著爬電現(xiàn)象的發(fā)展，絕緣子表面逐漸干燥后，一般情況下爬電電弧會(huì)自行消失，但特殊條件下，爬電電弧繼續(xù)爬升，導(dǎo)致絕緣子有效絕緣距離降低，當(dāng)懸式絕緣子裙邊與帶電部位的間隙處承受的電壓過(guò)高時(shí)，可能導(dǎo)致該位置空氣擊穿發(fā)生放電。絕緣子從沿面放電到最終閃絡(luò)的電場(chǎng)變化過(guò)程如圖2所示[3]。

圖2 絕緣子從沿面放電到閃絡(luò)過(guò)程電場(chǎng)變化情況

放電引發(fā)跳閘后，同一供電臂內(nèi)所有絕緣子已形成的電弧隨之熄滅，再送電后已不具備再形成沿面放電的條件，因此不會(huì)引發(fā)二次跳閘。

4 解決方案

針對(duì)牡佳高鐵AF線絕緣子閃絡(luò)故障，通過(guò)研討分析初步確定兩種解決方案以改善絕緣子串的電場(chǎng)分布，一是增加1片懸式瓷絕緣子，二是在預(yù)絞式懸垂線夾與絕緣子柱腳間增設(shè)三腿直角掛板。

結(jié)合以上方案，對(duì)4種不同工況（4片懸瓷絕緣子、4片懸瓷絕緣子+掛板、5片懸瓷絕緣子、5片懸瓷絕緣子+掛板）下絕緣子串的電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算，以獲取懸式瓷絕緣子串各部件的電場(chǎng)分布情況。

對(duì)于靜電場(chǎng)問(wèn)題，根據(jù)麥克斯韋方程

靜電場(chǎng)E為無(wú)旋場(chǎng)，則有

電位移矢量D與電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為

式中：ρ為自由電荷密度；ε為介電常數(shù)；φ為電位。

則靜電場(chǎng)的基本方程為泊松方程，在求解域內(nèi)有

不同介質(zhì)的連續(xù)分界面上有

式中：ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)，r=1, 2。

高壓端，φ=U0；接地端，φ= 0。對(duì)于三維靜電場(chǎng)問(wèn)題，用電位函數(shù)φ=φ(x,y,z)來(lái)描述場(chǎng)的分布，即

對(duì)單個(gè)絕緣子積分可以得到絕緣子的電壓V：

對(duì)于絕緣子串模型，重點(diǎn)關(guān)注每片絕緣子承受的電壓，以原有4片懸式瓷絕緣子串電場(chǎng)分布為例，電場(chǎng)最大值主要分布在導(dǎo)線兩端、鋼腳的端部、鋼帽的端部，如圖3所示。

圖3 原有4片絕緣子結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布

通過(guò)計(jì)算，不同結(jié)構(gòu)形式下各片絕緣子承載的電壓如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式下各絕緣子片電壓分布情況 kV

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用增加1片絕緣子以及增加1片絕緣子并增設(shè)掛板的2種方案，對(duì)電場(chǎng)影響基本相同，各單片絕緣子分布電壓均明顯降低。綜合考慮肩架負(fù)載、線索弛度以及成本等因素，確定了采用增加 1片絕緣子的方式以優(yōu)化絕緣設(shè)備的電場(chǎng)分布。

確定整治方案后，組織在牡佳高鐵改裝絕緣子串3 143組，重點(diǎn)對(duì)橋梁段及橋梁、路基銜接段的AF線絕緣子加裝1片絕緣子。2022年4月完成大部分絕緣子改裝后，4～6月間，牡佳高鐵AF線絕緣子發(fā)生閃絡(luò)故障4次，對(duì)比4月份以前月均跳閘3.1次的數(shù)據(jù)看，絕緣子閃絡(luò)發(fā)生頻率明顯降低。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)牡佳高鐵AF線絕緣閃絡(luò)故障，在采取增加 1片絕緣子的方案對(duì)重點(diǎn)區(qū)段絕緣子進(jìn)行整治后，絕緣閃絡(luò)故障發(fā)生率明顯降低，但未能完全避免同類故障的發(fā)生。 后續(xù)建議采用更換復(fù)合絕緣子、涂抹憎水涂層等方式進(jìn)行對(duì)比觀察，綜合研判各種解決方案的可靠性，為徹底解決絕緣閃絡(luò)故障問(wèn)題提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

建議在穿越林區(qū)的電氣化線路設(shè)計(jì)時(shí)，專題研究附加導(dǎo)線絕緣問(wèn)題，嘗試使用大傘裙絕緣子、復(fù)合絕緣子，以減少此類絕緣閃絡(luò)故障的發(fā)生；建議針對(duì)類似工況下的絕緣設(shè)備開展專題調(diào)研和測(cè)試，采集更豐富的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，制定相應(yīng)的絕緣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)今后新線建設(shè)中的絕緣設(shè)計(jì)。