铁路腕臂绝缘子污秽外绝缘状态评估方法研究

蒋渊博，刘长志，王黎明

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京　102600; 2.清华大学深圳研究生院，广东深圳　518055)



铁路腕臂绝缘子污秽外绝缘状态评估方法研究

蒋渊博1，刘长志1，王黎明2

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600; 2.清华大学深圳研究生院，广东深圳518055)

摘要:为了合理评估电气化铁路绝缘子的外绝缘状态，改进铁路绝缘子污闪预防措施，以电气化铁路腕臂绝缘子为研究对象，利用人工污秽试验方法，研究绝缘子在不同污秽度条件下的染污放电过程。通过监测染污腕臂绝缘子受潮期间的泄漏电流，提取出泄漏电流最大值Ih，依据Ih与污秽度和受潮程度的关联，建立Ih与试品闪络电压Uf的联系。在此基础上，综合考虑腕臂绝缘子的形状系数f和爬电距离L引入综合特征量I*，并提出形如Uf= aI(*－b)的污闪预警模型。试验研究发现:对于不同结构参数的腕臂类绝缘子，由于放电特性接近，预警模型Uf=aI(*－b)具有一定的普适性，模型预测结果与实测结果吻合良好，且系数a、b可作常数处理;但是，当试验对象为输电线路用悬式绝缘子XWP2－160时，由于XWP2－160型绝缘子和腕臂绝缘子的结构有显著差异，导致两者的染污放电特征迥异，系数a、b要以变量对待。研究认为:对于外形结构接近的染污绝缘子，模型Uf=aI(*－b)能够有效预测该类绝缘子的闪络电压，并能以此评价绝缘子的外绝缘状态。本文相关结论适用于电气化铁路腕臂类绝缘子，对于绝缘子的日常维护工作有指导参考意义。

关键词:电气化铁路;接触网;腕臂绝缘子;泄漏电流;闪络电压;人工污秽试验;状态评估

截止2014年底，我国的铁路营业里程已经达到11.2万km，电气化铁路运营里程已达到5.24万km。随着我国经济的发展，电气化铁路快速增长。受铁路隧道、货场、邻近铁路的工业污染等影响，接触网线路绝缘子的染污程度通常比较严重［1，2］，在遇到潮湿天气或者绝缘子温度与环境温度存在温差时，绝缘子污层容易受潮，外绝缘性能下降，从而可能引起污闪事故［3-6］，给铁路部门带来严重的安全隐患和经济损失。近年来，车顶绝缘子闪络事故时有发生［7-9］，2013年初，受全国大范围雾霾天气的影响，京广、京沪、京津等线路的部分车次因此晚点，其中北京至武汉的D2031次机车于1月13日凌晨2点遭遇闪络事故，导致列车停电停运，千余旅客受困，造成了不良的社会影响。合理评价铁路绝缘子的外绝缘状态以采取有效的措施预防污秽闪络事故，其重要性不言而喻。

绝缘子的污闪特性与其污秽度有密切关联，国际大电网会议推荐了5种测定污秽的方法［10］，分别是:等值附盐密度、表面电导率、污闪电压与污闪梯度、泄漏电流。每种污秽度表征方法有不同的优势和适用范围，其中，绝缘子泄漏电流与污层状态息息相关，而且泄漏电流变化能反映污层的受潮程度变化。相较于其他污秽度评价方法，泄漏电流法的显著优势是易于实现在线监测，实时表征绝缘子的污秽状态变化。因而，泄漏电流法常被用于输电线路绝缘子外绝缘状态评估［10-13］，在线监测预警绝缘子的外绝缘状态。

本文以电气化铁路常用的腕臂瓷瓶为研究对象，在不同污秽度下研究瓷瓶的污闪特性，通过监测绝缘子表面泄漏电流并提取有效的特征量，结合腕臂绝缘子的外形结构建立相应模型，实现了利用泄漏电流特征量来预测绝缘子的污闪电压。本文研究结论适用于在线评估电气化铁路绝缘子的外绝缘状态，改进现有污秽度评测方法，提高污闪预防措施的效率。

1　试验样品、设备及方法简介

试验用铁路腕臂绝缘子相关参数如表1所示。腕臂绝缘子以固体涂层法的方式染污［14］，人工污秽的成分由高岭土和NaCl的混合物组成，灰密1.0 mg/cm2，盐密有4个组别，分别是0.05、0.10、0.15 mg/cm2和0.20 mg/cm2。

表1　腕臂绝缘子参数

腕臂绝缘子的人工污秽试验在国网江苏省电力科学研究院完成，染污腕臂绝缘子在雾室受潮期间，承受运行电压25 kVrms，通过泄漏电流监测系统［15-17］(电流采样频率为5 000 Hz)，监测染污试品受潮期间的泄漏电流变化。在污层泄漏电流趋于最大值后，升高绝缘子两端电压至闪络，每支试品闪络3～5次，每个污秽度的试品有6支，至少获取9组有效的闪络电压数据，依此确定绝缘子在不同污秽度下的闪络电压Uf。

2　试验结果

试品受潮期间，若以污层实时泄漏电流为研究对象，电流变化范围大，且数据量太大而不利于分析和存储，故对泄漏电流实时数据加以处理提取特征量，取出当前1 s内的泄漏电流最大值，并记为Ik。

Ik在试品受潮期间的变化过程被记为泄漏电流趋势图，通过泄漏电流特征值的趋势图来表征试品污层的受潮状态变化。不同污秽度的染污试品，受潮期间的泄漏电流趋势如图1所示。

图1　染污试品泄漏电流趋势图

由图1所示的泄漏电流趋势图容易发现:对于铁路腕臂瓷绝缘子而言，污层的受潮速度很快，泄漏电流特征值Ik在较短的时间内就能达到最大值，继续增长受潮时间，泄漏电流下降速度很快。泄漏电流的变化特征与腕臂绝缘子的结构和受潮方式有关:与输电线路绝缘子不同，腕臂绝缘子的伞裙较小，绝缘子整体易于实现均匀受潮;由于试品水平布置，随着受潮时间的增长，绝缘子表面易出现污液流失，同时由于前期大电弧在污层表面形成大干区，综合效果是污层表面泄漏电流迅速下降。

将泄漏电流趋势图中的最大值记为Ih，即Ih=max { Ik}，由图1发现，Ih随着污层盐密增加而增大，体现了导电物质含量对表面泄漏电流的影响。对试验结果加以统计，Ih与盐密的关系如图2所示。

图2　不同盐密条件下的泄漏电流最大值

图2所示结果表明，Ih与盐密间存在较好的正幂函数关系。而图3所示的试验结果表明:污闪电压与盐密间存在着负的幂函数关系，与文献［18-20］的结论相同。

图2和图3表明:泄漏电流最大值Ih、闪络电压Uf，均与染污试品的盐密有良好的函数关系，尝试将Ih与Uf建立关联，如图4所示。图4说明:染污试品受潮期间的泄漏电流最大值Ih与试品的闪络电压Uf的函数关系明确，可尝试利用试品受潮期间的Ih值来表征染污试品的污秽度和受潮程度，并评价染污绝缘子的外绝缘状态。

图3　不同盐密条件下的污闪电压

图4　泄漏电流最大值和闪络电压

3　讨论

3.1外绝缘状态评估模型

依据图2～图3所示的试验结果可知:染污腕臂绝缘子的闪络电压Uf与泄漏电流最大值Ih间的函数关系为

在染污试品充分受潮时，Uf与试品的等值盐密有类似结构的函数关系。试品受潮期间，泄漏电流变化的本质在于污层电导率的变化，而污层电导率取决于污层中导电物质的含量和污层的受潮程度［21，22］，因此泄漏电流最大值Ih是试品污秽度和受潮程度的综合反映，故与试品闪络电压Uf有良好关联。

对于不同类型的绝缘子，公式(1)中的系数α和β为变量。即使是同一类型的绝缘子，当绝缘子串长发生变化时，α、β也会变动。实际中，各类绝缘子的参数不尽相同，要利用公式(1)来评估染污绝缘子的外绝缘状态，适用范围受到限制。但是，对于电气化铁路中各种型号的腕臂绝缘子而言，结构高度、爬电距离、伞裙直径等参数虽有区别，但是整体结构类似，有着支柱类棒瓷的特点(杆径较大、伞伸出较小)。针对这类绝缘子，其沿面放电特征不会因为结构参数的局部变化而发生明显改变。尝试结合腕臂绝缘的外形结构特点，建立相应模型，削弱结构参数变化对外绝缘状态评估模型的影响，增强公式(1)形式函数的适用范围。为此，引入特征参数I*，其定义如下

式中，L为绝缘子的爬电距离; f为绝缘子的形状系数，定义如下

式中，D(l)为绝缘子在爬电距离l处的直径。

公式(1)因此被改写为

由公式(2)可知，特征参数I*是综合了绝缘子形状和爬电距离后的归一化参数。对于腕臂类棒瓷绝缘子，公式(4)中系数a、b不受绝缘子结构参数局部变化的影响。系数a、b为常数，从而拓宽了其适用范围。依据第2节的试验结果，腕臂绝缘子受潮期间的I*与闪络电压Uf的关系如图5所示。

图5　闪络电压与I*

利用公式(4)进行外绝缘状态评估，其基本原理如图6所示。由图5可知，常数a=138.9，b=0.19。

3.2状态评估模型试验验证

为了验证本文评估模型的有效性，选用两种型号腕臂绝缘子A、B，参数如表2所示。针对A、B两类绝缘子进行人工污秽试验研究，通过评估模型获得闪络电压预测值，将预测值和实测值Uf进行对比。污闪试验方法与前文相同，仍保留4个污秽度，试验结果如图7、表3所示。

图6　闪络电压预测流程

表2　两种型号绝缘子的参数

图7　2类绝缘子不同盐密条件下的闪络电压

表3　试验结果对比

由图7和表3所示的试验结果表明:基于特征参数I*的污闪预警模型，预测效果良好，闪络电压预测值与实测值Uf很接近，相对误差较小。说明对于电气化铁路腕臂绝缘子，该模型具有较好的实用性。

3.3模型拟合系数讨论

预警模型的提出，是基于腕臂类绝缘子放电特性趋同的事实，也是系数a、b为常数的前提。为了进一步说明该问题，以盘型绝缘子XWP2－160型的瓷绝缘子串(14片)为研究对象，尝试建立特征参数I*与污闪电压Uf的函数关系。XWP2－160型绝缘子的参数如表4所示。

表4　绝缘子XWP2－160相关参数

试验期间，染污绝缘子的灰密恒为1.0 mg/cm2，盐密有6组，分别是:0.05、0.075、0.1、0.125、0.15和0.2 mg/cm2。染污绝缘子串在雾室受潮期间耐受电压127 kVrms(模拟220 kV输电线路绝缘子串的运行工况)，污闪电压的获取方法同前文所述，试验结果如表5所示。

表5　染污绝缘子串的试验结果

依据表5所示的试验结果，将特征参量I*与绝缘子串的闪络电压Uf建立联系，拟合形如Uf=aI*－b的函数，如图8所示。由图8可知:针对XWP2－160绝缘子串，系数a=1 115，b=0.24。

图8　绝缘子串I*与闪络电压的关系

污闪电压预测模型Uf= aI*－b中，腕臂绝缘子与XWP2－160绝缘子串的拟合系数a、b有显著差异，主要原因在于:腕臂类支柱型绝缘子与伞形结构的悬式绝缘子，在外形方面有显著区别，导致这两类绝缘子的染污放电特性差异悬殊。放电期间，两类绝缘子的爬电距离有效利用率也有明显差异，从而对评估模型的相关系数造成影响。

由此说明:利用特征参量I*来预测绝缘子的污闪电压，需要对绝缘子的种类加以区分，当某类型绝缘子的结构特征近似时，预测模型Uf=aI*－b具有一定的普适性，可以认为拟合系数a、b是常数，如腕臂类绝缘子。但是，当绝缘子结构参数显著变化，导致染污放电特性也有明显变化时，拟合系数a、b不能再作常数对待，需要加以修正。

4　结论

本文以电气化铁路腕臂绝缘子为研究对象，结合人工污秽试验，研究了绝缘子在不同污秽度条件下的污闪特性，有如下结论:

(1)试品受潮期间的泄漏电流最大值Ih综合反映了试品的污秽度和受潮程度，Ih与试品闪络电压Uf有本质的联系;

(2)基于泄漏电流最大值Ih，综合考虑绝缘子的爬电距离和形状系数，提出了新型特征量I*，依此建立了适用于腕臂类电瓷绝缘子的污闪预警模型Uf= aI*－b，腕臂类绝缘子放电特性接近时，拟合系数a、b可作常数处理;

(3)对于不同类型的绝缘子，当彼此的结构参数差异显著，并导致染污放电特性迥异时，污闪预警模型Uf=aI*－b的普适性受到限制，需要结合具体情况，对拟合系数a、b重新加以试验修正。

评价绝缘子的电气性能，对于保证铁路安全运行至关重要。通过建立适用于铁路绝缘子的污闪预警模型，有利于实现绝缘子的外绝缘状态监测和评估，对于绝缘子的日常维护工作，有指导参考意义。

参考文献:

［1］何发亮.铁道复合绝缘子在高潮湿、高污秽长隧道中的应用［J］.电瓷避雷器，2010(6):21-24.

［2］魏俦元.接触网棒式绝缘子大面积污闪原因分析及防范对策［J］.铁道标准设计，2006(8):101-103.

［3］戴罕奇，梅红伟，周志成，等.绝缘子污层受潮过程中湿度和温差的作用［J］.高电压技术，2012，38(10):2623-2632.

［4］梅红伟，毛颖科，卞星明，等.相对湿度对绝缘子泄漏电流最大值的影响［J］.高电压技术，2010，36(3):627-631.

［5］向泽，蒋兴良，张志劲，等.标准悬式普通玻璃绝缘子的高海拔现场交流污闪特性［J］.高电压技术，2012，38(10):2582-2588.

［6］帅海燕，龚庆武，陈道君.计及污闪概率的输电线路运行风险评估理论与指标体系［J］.中国电机工程学报，2011，31(16):48-54.

［7］刘鹏飞.CRH2型动车组受电弓支撑绝缘子雾霾天气检修运用管理［J］.中国铁路，2013(8):24-26.

［8］袁日东，郝鹏，王昊.电力机车遇雾霾天气安全运行预防措施［J］.铁道机车车辆，2013，33(5):101-102.

［9］赵晓明.动车组高压系统对地闪络放电分析及应对措施探讨［J］.机车电传动，2013(40):100-101.

［10］毛颖科.基于泄漏电流的电力系统外绝缘监测和评估方法［D］.北京:清华大学，2008.

［11］司马文霞，李璟延，孙才新.染污绝缘子污闪全过程泄漏电流波形及谐波特性分析［J］.高电压技术，2010，36(5):1101-1106.

［12］苗鹏超，徐志钮.输电线路绝缘子泄漏电流特征量提取综述［J］.高压电器，2014，50(8):127-138.

［13］关志成，毛颖科，王黎明.污秽绝缘子泄漏电流特性研究［J］.高电压技术，2008，34(1):1-6.

［14］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 4585—2004交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验［S］.北京:中国标准出版社，2004.

［15］戴罕奇，梅红伟，王黎明，等.温度湿度可控的小雾室研制［J］.高电压技术，2012，38(5):1207-1216.

［16］王黎明，姜欣斌，关志成，等.湿度可控的绝缘子泄漏电流智能测控系统研制［J］.高电压技术，2010，36(8):1950-1956.

［17］姜欣斌.绝缘子泄漏电流特性试验研究［D］.北京:清华大学，2010.

［18］蒋兴良，舒立春，张永记，等.人工污秽下盐/灰密对普通悬式绝缘子串交流闪络特性的影响［J］.中国电机工程学报，2006，26 (15):24-28.

［19］蒋兴良，陈爱军，张志劲，等.盐密和灰密对110 kV复合绝缘子闪络电压的影响［J］.中国电机工程学报，2006，26(9):150-154.

［20］苑吉河，蒋兴良，舒立春，等.盐/灰密对不同型式绝缘子交流人工污秽闪络特性的影响［J］.中国电机工程学报，2007，27(6):96-100.

［21］Venkataraman S，Gorur R S.Extending the applicability of insulator flashover models by regression analysis［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14(2):368-374.

［22］Venkataraman S，Gorur R S.Prediction of flashover voltage of nonceramic insulators under contaminated conditions［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2006，13(4):862-869.

External Insulation Assessment Method for Railway Cantilever Insulators

JIANG Yuan-bo1，LIU Chang-zhi1，WANG Li-ming2
(1.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600; 2.Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China)

Abstract:In order to appropriately assess the external insulation of electrified railway insulatorbook=130,ebook=133and improve the efficiency of insulator pollution flashover prevention，this paper studies pollution discharge process of electrified railway cantilever insulators under different pollution conditions by means of artificial contamination test method.By monitoring the leakage current of insulator affected with dump，this paper extracts the maximum leakage current Ihand establishes Ufrelationship between Ihand flashover voltage of the tested sample on the basis of the correlation of Ihwith contamination degree and dump level.On this basis，comprehensive consideration of cantilever insulator shape factor f and creepage distance L is taken，general characteristic value I* is introduced and flashing warning model in the form of Uf=aI(*－b)is proposed.Experimental study shows that for cantilever insulators with different structural parameters，warning model Uf=aI(*－b)is generally applicable due to similar discharge characteristics.The model predicted results are in good agreement with the measurements，and the coefficients of a and b can be taken as constants; but when test object is the suspension insulator XWP2－160 for transmission line，coefficients of a and b shall be treated as variables because XWP2－160 type insulator and cantilever insulator differ much in structure，which results in significant difference in pollution discharge characteristics.Study suggests that model Uf=aI(*－b)can effectively predict flashover voltage for insulators with similar shape and structure，and evaluate their external insulation conditions.Some findings in this paper are applicable to electrified railway cantilever insulators and may guide routine insulator maintenance.

Key words:Electrified railway; Catenary; Cantilever insulator; Leakage current; Flashover voltage; Artificial contamination test; State assessment

作者简介:蒋渊博(1980—)，男，高级工程师，2004年毕业于西南交通大学，工学学士，E-mail:ybjiang@ 126.com。

基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究计划课题(12-C64)

收稿日期:2015-06-16;修回日期:2015-06-24

文章编号:1004-2954(2016) 03-0129-05

中图分类号:U225.4+3

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.027