高铁车站绝缘节击穿机理及解决方案研究

俞炳杰 中国铁路上海局集团有限公司科研所

1 国内外研究现状

绝缘节在电气化铁路大规模发展之前，主要用于电务专业，是分隔闭塞区间所使用的绝缘部件。随着铁路向电气化、高速化方向发展，该部件同连接在两端的扼流变压器等其他组件一道，承担起了分隔闭塞区间和沟通牵引电流的重任，成为了工电供结合的主要部位之一。2012年，张德权发表文章探讨了关于沪宁高铁绝缘节烧熔的问题，从此国内学者对绝缘节电气故障开展了大量研究工作。徐宗奇对绝缘节故障类型进行了初步分类，认为电压击穿和电流拉弧灼伤是绝缘节故障的主要类型，其中电压击穿主要来自回流线切断致使钢轨电位升高，电流拉弧主要来自车辆经过绝缘节切断轮轨电流。之后毕红军和杨世武等学者通过推导回路阻抗计算了绝缘节两端的电位差，计算值均不高，在100 V以下。曹晓斌、唐逢光分析了不同类型机械绝缘节的暂态过电压，通过仿真计算回流断点处绝缘节在轮对通过时的暂态过电压可达46.6 kV，但没有进行实测。综上，国内学者对绝缘节电气故障的研究主要从电流拉弧烧损角度展开，从原理到解决方案进行了一系列研究。电压击穿类绝缘节故障因前期研究缺乏实测数据，动车组折返相对较少，动车组功率相对还不高，故障发生较少，表现形式比较隐蔽等诸多原因，导致很少开展研究。国外高铁因采用的闭塞原理不同等各方面原因基本不设有回流断点，针对绝缘节的研究整体较少。

2 绝缘节电压击穿机理研究

绝缘节电压击穿主要发生在绝缘节两端钢轨存在较高电位差的情况下，当绝缘节两侧钢轨上连接的扼流变压器通过中心连接板相互连接时，一般在工频及其高次谐波范围内都不会产生超过绝缘节电气性能要求的高电位差，电气性能要求详见TB/T 2975-2018。但在车站设置的回流断点处，扼流变压器中心连接板拆除，由于回流路径被打断，绝缘节两侧钢轨存在产生高电位差的电路条件，绝缘节处扼流变压器电路示意图如图1所示，图中实线方框处导线为中心连接板。近年来，上海局管内回流断点处绝缘节故障多发，本文针对该部位电压击穿故障进行现场调研和电位差、电流实测，推导故障机理并提出解决方案。见图1。

图1 绝缘节处扼流变压器电路示意图

根据前期站段提供的相关信息和现场走访，发现回流断点处绝缘节击穿故障表现形式相对隐蔽，故障在发生前一般没有任何前期表现，故障发生时突然出现红光带。又因其故障损坏的主要是绝缘节绝缘薄弱部位，具体位置不特定，可包括夹板整个边缘和绝缘节内部，击穿点有时小若米粒，一般较难从外观发现，给排查鉴别也带来较大难度。如图2所示为回流断点处绝缘节击穿故障的一种典型形式，因绝缘节内部绝缘层一般都选用体积电阻率较高的绝缘材料，虽然绝缘层因结构形式的原因相对较薄，但绝缘性能都还是比较优异的。从图中分析可知，击穿是钢轨与绝缘节鱼尾夹板金属边缘因电压应力产生漏电流进而爬弧开始的，在户外没有防护和定期清洁的环境中，漏电流会随着表面脏污、电压应力等外部条件逐渐增大，最后越过线性增长区发生击穿故障。通过现场调研了解基本故障情况后，本文通过现场实测来了解回流断点处绝缘节两端钢轨电位差情况，并通过该绝缘节两侧回流路径上安装有中心连接板的扼流变压器了解两侧钢轨上的牵引电流情况，同时在给该股道供电的牵引变电所供电装置上也装设了电流传感器。实测的各点波形及其频谱如图3、图4、图5所示，三处波形发生在同一时刻，波形发生时股道内站台侧有列车停靠进行折返操作。从图中可见，图3和图5的波形和频率成分基本一致，从回路结构上进行分析，牵引所为电源侧，股道内机车是负载侧，扼流变和绝缘节为回流路径上的器件，由各方相互关系可知，此时绝缘节处电位差来自负载侧列车折返操作过程，经与相关部门人员确认，供电单元电流波形为折返过程中机车换端合闸时产生的涌流，因此扼流变与绝缘节上的波形为涌流导致。

图2 绝缘节击穿故障图

图3 牵引变电所供电单元电流波形图（单位为A）

图4 站台侧扼流变电流波形图（单位为A）

图5 回流断点处绝缘节两端电位差（单位为V）

上述现场测试进行期间，实测到的回流断点处绝缘节总体情况如图6所示，图中各值均为峰峰值，电压单位为V，电流为A，从图中可见回流断点处绝缘节电位差较高，高电位差产生时站台侧都有电流，后经与相关部门核对，确认上述时刻均有车辆占用股道，电位差最高的几个时刻车辆均停靠在站台侧进行折返操作。电位差最高点时刻扼流变压器处电流波形和绝缘节电位差波形如图7、图8所示。

图6 回流断点处绝缘节测试数据汇总图

图7 27日21点16分 扼流变处电流波形（单位为A）

图8 27日21点16分 绝缘节电位差波形（单位为V）

从图中可见，图7与图4波形相似，考虑该绝缘节高电位差也发生在涌流时刻，于是对绝缘节电位差波形进行了细致观察，绝缘节电位差放大图如图9所示，从图中可见除去中间红圈中超越刻度的7300 V峰峰值外其余波形与绝缘节电位差图5一致，因此确认该高电位差也发生在机车在股道内换端合闸时刻。

图9 27日21点16分 绝缘节电位差波形放大图

据此分析高电位差产生的原因如下：绝缘节高电位差可由两部分组成。一部分由涌流在回流路径的阻抗上形成，表现为与涌流波形呈很强的相关性，波形和频率成分同涌流基本一致，数值成比例，从波形就可以明确是涌流形成的电势差。回流路径阻抗方面，通过相关电务段获知测试地点使用的是BES（K）-1000A扼流变，查阅资料可知，变压器铁芯开隙厚度0.5 mm，铁芯有效截面积为80×80 mm，N=N2：N1=24，Rm=51.94 Ω。据此计算励磁电抗Lm=2mH，二次侧并联适配器，折算到一次侧低频阻抗可以忽略不计。综上扼流变三次谐波和五次谐波阻抗的模分别为1.82 Ω和2.96 Ω。回流路径需要经过几组扼流变，总阻抗约为Z=RR+n|ZT|，其中RR为钢轨电阻，n|ZT|为n组扼流变感抗。设回流路径经过三组扼流变，得到绝缘节两侧电位差三次分量和五次分量分别约为扼流变处涌流的5倍和8.8倍，如图7和图8中红圈处的对应关系。绝缘节高电位差的另一部分也是幅值最高最主要的部分，为合闸操作过电压引起的绝缘节高电位差。表现形式上，此部分高电位差发生同时刻也可看到涌流，表明此时股道内车辆正在合闸，但高电位差持续时间短，一般为0.5 ms～1 ms，时间上该高电位差发生在涌流开始瞬间，但波形不能与涌流对应，因为并不是涌流电流在对应阻抗上回流形成的。机车合闸产生操作过电压的相关研究有很多，但大多研究的是机车过分相时车网系统的整体情况，主要关注接触网和机车，对该过电压造成的轨电位抬升关注很少。课题组通过涌流确认机车合闸，推导出该过电压为机车合闸操作过电压在钢轨和回流线上的表现。机车合闸操作过电压产生的机理有相关研究进行了详述，本文简单介绍如下：在车辆启动时，机车主断路器前受电弓已经升起，可视为导线。机车变压器在主断路器合闸前失电处于空载状态，此时主电路里的电感和电容元件储存的磁场能量都为0，闭合断路器时，牵引变电所等效电源US通过接触网等效电感LS向空载机车变压器绕组等效电感LT及回路等效电容CT充电，由于CT值较小，主电路回路中会出现高频振荡过程，由此产生操作过电压，同时给机车变压器绕组励磁的过程中，由于铁芯的磁饱和现象有可能出现励磁涌流（即本文测得的涌流）。

前述现场调查中提到，绝缘节的击穿故障主要由爬弧发展而来，而爬弧主要由绝缘层两侧导体的电压应力和环境污染因素导致，从两部分绝缘节高电位差产生的电压应力来看，涌流引起的电位差相对较小，一般不超过500 V峰峰值，数值的大小与合闸变压器容量（一般机车功率越大，变压器容量越大）、合闸时变压器铁芯中剩磁、合闸时的相位角等因素有关，因此对绝缘节影响相对较小。合闸时的操作过电压引起的电位差幅值大，作用时间短，因此经常停靠十六节编组、大功率换端折返列车的股道，这部分高电位差对绝缘节的影响就比较大。因为合闸时的操作过电压主要由合闸瞬间主电路回路中出现的高频振荡过程有关，机车功率和编组的不同主要改变的就是机车变压器绕组等效电感LT及回路等效电容CT，从而决定高频振荡过程发生与否，而长编组大功率的列车不仅在理论上，在实测中也更易产生合闸操作过电压。

3 解决方案

从绝缘节工况角度来看，可将《GB/T 32350.1-2015轨道交通 绝缘配合 第1部分》中的相关规定作为绝缘节改进设计（应用于海拔1 400 m以下）的参考。根据标准的表述，轨道交通应用中的绝缘配合主要通过电气间隙和爬电距离来实现。电气间隙是两导电部分之间在空气中的最短距离。爬电距离是两导电部分之间沿绝缘材料表面的最短距离。具体到绝缘节上，各部分的绝缘配合主要是由绝缘材料的爬电距离来保证的。标准中给出了设备绝缘设计时爬电距离选择的流程和参考值，图10给出了爬电距离的选择流程。

图10 爬电距离的选择流程

绝缘节使用的绝缘材料CTI组别为II，额定绝缘电压UNm结合标准中的定义和前述现场测试的情况，本文选取测得的两侧钢轨最高电位差值7 300 V峰峰值处的方均根值（周期按20 ms计算）作为绝缘节的额定绝缘电压UNm，经过计算该值为1 025 V，以此确定爬电距离。据此设计的改进型绝缘节交流耐压可达5 000 V，漏电流小于2 mA，其余性能均不低于TB/T 2975-2018的相关要求，现场试用效果良好，解决了回流断点处绝缘节击穿故障多发的问题。