动车组绝缘子污闪分析及防控体系建立与可行性研究

谢红太，武振锋

(1. 兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州730070； 2.中国铁路西安局集团有限公司 西安动车段，陕西 西安710016)

动车组上受电弓在线运行的绝缘子，遇到潮湿空气时易于污层中形成电水膜，导致泄漏电流沿绝缘子的表面流过.由于绝缘子的形状、结构尺寸、污秽分布和受潮不均匀等因素的影响，绝缘子表面各部位的电流密度不同，即有的地方电流密度大，水分蒸发快，就会出现高电阻的“干燥区”，因为此处承受了较高的电压，从而使绝缘子各处电压分布更加不均匀.动车组运行过程中受电弓连接25 kV的高压电场，干燥区场强超过一定数值，则此处将产生跨越干区的沿面放电，依脏污和受潮程度的不同，放电的类型可能是辉光放电、火花放电或产生局部电弧[1].局部电弧是一个间歇的放电过程，这种间歇的放电状态可能持续相当长时间，当脏污和潮湿状态严重时，局部电弧会持续发展；当达到和超过临界状态时，电弧会贯穿两极，形成表面闪络，这就是动车组绝缘子的污闪，污闪严重危害高速动车组行车安全[2-5].对此中国铁路总公司公开下发的技术管理文件中也有相关技术说明与指导，但是未能很好切合本段配属动车组绝缘子污闪防控实际情况.郑西高铁开通后，西安动车段内配属动车组数量迅猛增加，2011年1月1日因雾霾天气导致当日上线动车组发生受电弓绝缘子污闪故障8起，严重影响高铁运输秩序.为避免由于受电弓支撑绝缘子污闪故障，造成高铁晚点、停运和退票等不良影响，确保动车组持续安全顺利开行，西安动车段相关部门于2011年1月建立和推广了高铁动车组受电弓支撑绝缘子污闪防控体系[6-7].本文对动车组绝缘子污闪进行研究,并对防控体系建立以来取得的经济效益和社会效益进行分析.

1 污闪调查分析研究

1.1 天气原因分析

根据陕西省气象局西安北郊气象监测站提供数据，2011年1月1日在发生故障的5:55至9:10分时间段内，空气湿度达到98%，PM10浓度达到了0.241 mg/m3，外温分别为零下4.5 ℃、零下3 ℃及零下1.5 ℃，大雾天气由黄色预警升级为橙色预警的极端天气.低温大雾天气影响了绝缘子表面的电场分布，局部小电弧导致了绝缘子表面憎水性能的下降.特别是覆冰条件下，复合绝缘子的憎水性将减弱甚至丧失，造成表面大面积积水、结霜、结冰.而且在动车组长时间运行中，空气中的灰尘和杂质逐渐吸附在上面造成爬电现象，使总的最小电气间隙和隔离距离不足[8].

1.2 运行状态分析

对故障发生时动车组运行状态分析可知，6起故障均发生在动车组低速运行或停车状态.此时，由于动车组运行速度下降，车顶上的高压支撑绝缘子上伞群表面累积形成的霜冻及灰尘混合物发生流坠，使得导电介质形成通路，发生爬电现象；另外在高速情况下因为空气流动无法形成电弧，但在低速或停车情况下，为产生电弧提供了相对稳定的空气通路，容易产生空气击穿.

1.3 绝缘子性能及技术参数分析

目前西安动车段配备2型动车组有2A、2C一阶段、2C二阶段3种型号.对比分析发现2型动车组同为一个运行环境，此次故障动车组全部为2C动车组，2A动车组自2007年4月投入运行以来均未发生闪络放电故障.2A动车组和2C动车组绝缘子的特征参数特征见表1.

表1 2A、2C动车组绝缘子的参数特征
Tab.1 Parameters of 2A, 2C EMU insulators

动车组型号绝缘子材质高度/mm电气间隙/mm爬电距离/mmCRH2A硅橡胶400410.3>1 050CRH2C树脂310353.0>1 050

分析发生闪络放电故障的2C动车组绝缘子与同环境运行区段内均未发生闪络放电故障的2A动车组绝缘子性能参数可知，造成动车组绝缘子污闪的主要原因为：一是绝缘子高度不够；二是由于绝缘子材质因素导致表面憎水性能下降.

憎水性是指绝缘子表面具有低表面张力，受潮后其表面所吸附的水分以不连续的孤立小水珠的形式存在，不形成连续水膜.憎水迁移性是指绝缘子表面脏污后，其体内的憎水性物质会扩散到污垢层表面从而使后者也获得一定的憎水性能.

硅橡胶绝缘子最主要的特点是抗污闪性能好，具有良好的憎水性和憎水迁移性，为同电压等级瓷绝缘子的3倍；而树脂绝缘子的抗污闪性能虽不如硅橡胶绝缘子但也可与其媲美.瓷质绝缘子的抗污闪性能较差.2C动车组车顶高压互感器绝缘子材质虽为树脂，但高度调整在400 mm以上时，在同样运行环境下未发生故障[9-11].同时检查发生故障绝缘子，发现所有发生闪络故障的绝缘子上伞群正面均有电弧痕迹，利用憎水性测定仪对憎水性能进行简略测试，并与新品对比发现故障绝缘子表面憎水性能严重下降.

1.4 相关标准分析

铁路应用标准GB/T 21413.1-2008[12]中机车车辆电气设备部分要求：一般使用条件和通用规则规定海拔1 400 m以下的电气间隙310 mm，更高一级别为370 mm.铁路总公司关于过电压保护的要求(TB/T 1333.1-2002)：电路直接与接触网连接、连接点附近无过电压保护装置且可能承受雷电或开关过电压，其过电压等级为0V4.CRH2型动车组运行过程中，针对25 kV接触网系统，0V4部件的额定冲击耐受电压Uimp为170 kV.同时依据铁路总公司规定电气系统最小电气绝缘间隙相关标准，额定冲击耐受电压Uimp为170 kV的电路系统，其最小电气绝缘间隙为310 mm.CRH2型动车组车顶高压使用的绝缘子均满足GB/T 21413.1-2008的要求[13].

2 动车组绝缘子污闪防控体系建立

为保障动车组安全高效运行，尽量避免和杜绝由污闪而引发的行车危害，西安铁路局建立了污闪防控体系，分别从质量源头、环境、检修、运用、应急处置等环节全面卡控，基本杜绝冬季动车组在雾霾天气下车顶高压设备污闪的发生，做到污闪一旦发生后能科学、快速、有效应对[14-15].

2.1 全方位体系创建

1) 质量源头方面：将故障原因反馈厂家，要求厂家提高绝缘子高度(原2C动车组采用绝缘子型号“TSG19A”，四方厂生产，高度310 mm)，从源头上解决了问题.2012年完成了技术改造，目前四方厂制定最终措施，研发高度为400 mm高新型树脂材料的支撑绝缘子.

2) 环境方面：一是监控动车组开行交路途经城市天气情况，重点盯控湿度、温度、PM指数等数据(对接沿途各局供电段，掌握线路沿途相关参数)；二是增加专业的检测仪器和检测方法，即使用绝缘子污垢测试仪检测各线动车组绝缘子污垢情况，制作各线污垢分布图，达到准确地判断每条线路及每组动车组绝缘子污秽等级，实现对重点交路及动车组发出预警，形成污闪预警体系.

3) 检修方面：一是每年在防寒整备中对受电弓绝缘子进行憎水性能试验，绝缘性能不合格的全部更换；二是防寒期，清洁完各绝缘子后对其进行憎水性能试验，发现不合格进行更换；三是对预警线路及动车组采取深度快速保洁、滴水试验，同时研究车顶高压设备及专用清洗设备.

4) 运用方面：采取一弓到底和切除备用弓措施.

5) 应急方面：开展技术攻关，研究高压设备污闪后的相关应对措施.分析目前所执行受电弓污闪后不允许再次升弓，而只能换弓升弓措施的科学性.同时研究远程应急指挥及段内应急现场处置方案.

2.2 检测制度及方式

1) 每天定时监测动车组运行交路涉及的城市天气状况，主要包括PM10、湿度和温度，并做好相关记录，特别对空气质量较差的途经城市，做好重点盯控.

2) 在每天夜班一级修车顶作业前，使用盐密电导仪测量不同交路动车组绝缘子的污秽等级，在此我段暂且根据所测等值附盐密度(ESDD，mg/cm2)指数将其定位为三级：分别为0级(ESDD≤0.03)、Ⅰ级(0.030.06).建立各交路运行动车组污垢情况动态等级分布图，指导动车组入库检修擦拭作业，并根据各线路污染情况对乘务车间担当该交路随车机械师发出预警，对于在异地存放动车组终到站后随车机械师密切关注爬电情况.

3) 针对每条交路动车组绝缘子的污秽等级，以及第二天运行城市的天气预报情况，检修车间依据交路对动车组车顶高压设备清洁程度制定不同的卡控措施，同时针对污染等级较高的动车组，结合次日开行情况，及时向乘务车间发出预警，提示随车机械师途中重点盯控车顶高压设备，停车站及折返站作业时加强对受电弓绝缘子外观状态的检查.

4) 对于预警时间，暂且规定为一个一级修周期，对于当天晚上回库检修的动车组，需要再次检测绝缘子污秽等级，若等级降低，可视情况解除预警，对于同处于Ⅱ级污秽等级时则按规定继续执行预警制度，直至预警解除.

3 经济社会效益

从2012年1月建立和运行了高铁动车组污闪防控系统以来，经过不断的修改和完善，确保了动车组高压系统途中工况良好，保证了动车组高压系统持续稳定运行，连续5年无高压系统污闪故障.此外还能够早期发现隐性故障，实现动车组受电弓支撑绝缘子憎水性下降的预防，对动车组受电弓支撑绝缘子检修时清洁保养质量起到卡控作用.同时投入少量抢修、维修费用，避免了由于高压系统污闪故障造成的不良影响，取得了良好的经济效益，具体情况见表2及图1.

表2 2012—2016年污闪防控体系运用情况
Tab.2 Application of pollution flash prevention and control system from 2012 to 2016

年份绝缘子污闪数发现隐性故障件数投入成本/元避免退票/元收入/元2012840305 040488 000182 9602013027205 902305 00099 0982014019144 894183 00038 10620150538 13061 00022 87020160212 87425 00012 126合计893706 8401 062 000355 160

图1 2012—2016年污闪防控体系取得的经济效益Fig.1 Economic benefits contributed by pollution prevention and control system from 2012 to 2016

从表2和图1中可以看出，该污闪防控体系自2012年全面实施5年以来，西安动车段绝缘子污闪问题得到明显的遏制，实现从2012年污闪8起到2013-2016年4年的0起跨越式改变.同时发现隐性故障次数也得到明显的降低，保证了动车组安全可靠运行，从而避免了旅客大幅退票现象的发生.

4 结束语

针对CRH2C型动车组绝缘子污闪问题，分别从天气原因、运行状态、绝缘子性能技术参数及相关标准进行分析，全面列出造成绝缘子污闪的主要原因、存在问题和隐患，进而建立相应污闪防控体系，实现对动车组车顶高压设备污闪的全方位综合管控.同时，对建立以来取得的社会经济效益进行研究分析，说明该防控体系的可行性，也为后续动车组运营及安全技术研究方面提供了经验支持.