動車組車頂絕緣子預防性試驗研究*

郭旭剛，郭晨曦，楊斯泐

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

鐵路供電技術

動車組車頂絕緣子預防性試驗研究*

郭旭剛，郭晨曦，楊斯泐

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

大范圍的低溫大霧天氣嚴重影響到動車組車頂高壓外絕緣，對動車組的安全、正點運行造成干擾。動車組作為運動的高壓電氣裝備，要保證它的安全運行就必須按照高壓電氣設備的相應規律進行必要的預防性試驗，現針對車頂絕緣子進行了預防性試驗研究。

動車組；高壓電氣設備；車頂絕緣子；預防性試驗

隨著近年來投入運行動車組數量的迅速增長，社會影響越來越大，對動車組可靠性的要求越來越高。2011年12月以來，全國大范圍的低溫大霧天氣嚴重影響到動車組車頂高壓外絕緣，發生了多起車頂絕緣閃絡、高壓互感器炸裂、牽引變壓器高壓進線套管或高壓電纜T型接頭炸裂、斷路器真空滅弧室絕緣失效等事故，甚至由于高壓絕緣事故引發了接觸網斷線，對動車組的安全、正點運行造成干擾。目前國內動車組的絕緣設計沒有統一的技術標準，既使是同一個電壓等級，選取的耐受電壓水平也存在較大的差異。比如，不同的動車牽引主變壓器高壓側的額定雷電沖擊耐壓就有125，150，170，185 k V等多個取值。國外的情況也基本類似。

T B/T 3077中規定車頂絕緣子的結構高度為400 m m，是綜合了各方面因素之后做出的選擇。目前，CRH2、CRH5等系列車型已經采用了符合T B/T 3077要求的受電弓支持絕緣子，運行過程中的絕緣事故明顯減少。但是CRH 380系列車型考慮到空氣阻力的影響，絕緣子的結構高度有所減小，在遇到低溫（-3～-7℃）大霧的天氣［1］，絕緣事故率明顯上升。因此有必要研究適用于CRH 380系列車型的新型絕緣子，以改善車頂絕緣狀況。

作為運動的車頂高壓電氣設備，要保證它的安全運行就必須按照高壓電氣設備的相應規律進行必要的設計和試驗。

1　動車組高壓絕緣事故調查與分析

動車組高壓電氣系統的可靠性對于整個動車組的可靠運行具有重要意義。動車組車頂高壓系統的主要部件有絕緣子、高壓電纜、高壓互感器、避雷器、斷路器、隔離開關和牽引變壓器，高壓系統的可靠性與每個高壓部件的可靠性息息相關。因此提高動車組車頂高壓電氣系統的可靠性應具體到每一個車頂高壓部件，本文針對車頂高壓絕緣子進行分析與研究。

目前車頂使用絕緣子主要是硅橡膠復合絕緣子和聚脂類絕緣子。硅橡膠復合絕緣子具有良好的機電性能和優越的抗污閃能力，但是硅橡膠本身比較柔軟，抗撕裂性能差，自身不能作為結構材料用，只能作外殼，其機械性能需要通過與其復合的支撐件來保證，因而在高速情況下傘裙有可能發生舞動搭邊、撕裂和折斷等現象，而且作為機械支撐的芯棒存在脆斷的風險。聚酯類絕緣子需噴涂防污閃材料，不需噴憎水涂料，建議維護辦法是使用中性水進行清洗，若污垢不易清理可用中性水加中性清潔劑進行清理，比例不超過10∶1。資料［1］顯示在雨、雪、霧等惡劣天氣時絕緣子發生閃絡的頻率會明顯升高，因此除注重車頂絕緣子日常維護之外，在雨、雪、霧等惡劣天氣時應增加對于車頂絕緣子的檢查頻次。

按設計要求動車組壽命一般在25年以上，根據目前發現的這些故障，很多是由于目前我國動車組的設計、制造、配件選型、維護機制等方面還不是很完善，因此，在很長一段時間內，源頭質量問題（包括設計不合理、制造缺陷、配件選型不合理等）都是導致故障的主要原因。

同時應該對于已經發現和統計出的故障及時采取解決辦法，提高動車組車頂高壓部件的質量，加強日常維護和保養以提高動車組車頂高壓電氣系統的可靠性。另外，對于車頂高壓部件燒損的問題，應該盡量減少尖端放電的可能、增加絕緣子的絕緣性能、提高設備質量。

2　動車組車頂絕緣子概況

根據目前動車組車頂絕緣子類型和形式，對絕緣子的電氣性能、物理性能和力學性能進行對比試驗。對新型絕緣子、運行一定時間后的絕緣子老化性能進行測試。動車組使用的絕緣子類型主要有受電弓支持用、母線支持用、隔離開關用等，按使用材質分有瓷質絕緣子、聚酯類絕緣子和復合絕緣子3大類，如圖1和圖2所示。

圖1　動車組車頂復合絕緣子（紅色外套），普通玻璃盤形絕緣子，城鐵D C 1 500 V聚酯絕緣子

圖2　動車組車頂受電弓支持用聚酯類絕緣子

絕緣子的失效可分為內部擊穿和外絕緣閃絡。外澆裝的瓷質支柱絕緣子為不可擊穿型，只有內澆裝的瓷絕緣子才可能發生內擊穿。復合絕緣子由于存在界面問題，生產過程中如果界面工藝處理不當，則運行過程中可能受潮，絕緣性能逐漸下降，達到一定程度時，在工作電壓下也會發生內部擊穿。更多情況下，絕緣子失效主要是由外絕緣發生閃絡造成的。

3　絕緣子的預防性試驗設計

動車組車頂絕緣子的預防性試驗依據相關標準［2-6］進行設計和研究。

對抽樣絕緣子進行預防性試驗的試驗項目和試驗方法如表1所示。

表1　絕緣子預防性試驗項目及評判標準

4　絕緣子預防性試驗測試及結果

根據動車組不同型號和材質的車頂絕緣子在典型線路上的運行情況，調查絕緣子使用中的老化規律，尤其是要掌握硅橡膠復合絕緣子憎水性喪失特性，為硅橡膠絕緣子退出運行判據提供依據。本文僅給出典型案例的測試結果，選取兩家公司的絕緣子進行抽檢試驗。

4.1某公司產品試驗結果

某公司共提供8只產品，均為國內生產，其中5只產品為經過運行使用，測試結果如下。

（1）界面和金屬附件連接區試驗

未運行的產品經熱機試驗后的陡波試驗出現了擊穿現象，產品經解剖后發現下附件處芯棒有明顯放電灼燒痕跡，芯棒整體有裂紋，未能滿足M D C L為8 k N的界面試驗，測試結果如圖3～圖5。

圖3　樣品解剖后電弧燒灼痕跡

圖4　樣品解剖后上、下附件電弧燒灼痕跡

圖5　樣品解剖后芯棒上的貫穿放電通道

（2）芯棒材料試驗

10只直徑φ60 m m的芯棒樣品，長度范圍在（9.9～10.2）m m（標準規定（10±0.5）m m）放入盛有1%質量的品紅乙醇溶液的玻璃容器中的鋼球上16 min（標準規定應大于15 min）后，經檢查，運行后產品的芯棒樣品有貫穿滲透現象，呈現滲透點，未能滿足標準的規定。

圖6　芯棒材料試驗前后對比

（3）傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗

傘套材料均出現過流現象，并且有嚴重蝕損現象，未能滿足標準的規定。

4.2某公司產品試驗結果

某公司本批次送樣10只，其中1只為事故損壞的絕緣子；4只新絕緣子，5只為運行后絕緣子。

圖7　傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗后情況

（1）界面和金屬附件連接區試驗

4只新絕緣子中3只樣品經熱機、水煮試驗后，進行陡波電壓試驗，其中1只樣品在負極性第19次擊穿，其典型示波圖及擊穿點照片如圖8所示；

圖8　新絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗典型示波圖及擊穿點照片

5只運行后絕緣子中3只樣品經熱機、水煮試驗后，進行陡波電壓試驗，其中2只分別在負極性第6次和正極性第22次擊穿，其典型示波圖及擊穿點照片分別如圖9和圖10所示；

圖9　運行后絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗典型示波圖及擊穿點照片

圖10　運行后絕緣子陡波前沖擊耐受電壓試驗典型示波圖及擊穿點照片

（2）傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗

取新絕緣子1只樣品中傘套材料的5片試樣，表面經打磨處理，用蒸餾水清洗干凈后，采用恒壓法進行漏電起痕和電蝕損試驗，其中前3片試樣分別在178 min、124 min、107 min過流中斷，如圖11所示。

圖11　新絕緣子傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗

取運行后絕緣子1只樣品中傘套材料的5片試樣，表面經打磨處理，用蒸餾水清洗干凈后，采用恒壓法進行漏電起痕和電蝕損試驗，其中5片試樣均過流中斷，如圖12所示。

圖12　運行后絕緣子傘套材料耐漏電起痕和電蝕損性試驗

4.3憎水性恢復特性試驗結果

憎水性是指固體材料的一種表面性能，水在憎水性的固體表面形成的是一種相互分離的水滴或者水珠狀態，而不是連續的水膜或者水片狀態。憎水性狀態用靜態接觸角θ和憎水性分級（H C：H ydrophobcity Class）來表示。

測量復合絕緣子憎水性的噴水分級法［7］是由瑞典輸配電研究所（the S wedish Transmission Research Institute，S T RI）提出的。該方法操作簡單，用普通噴壺對試品表面噴灑水霧，觀察水分在試品表面的分布情況，對比分級判據和標準圖片，得出絕緣子表面的憎水性狀況。該方法用H C（H ydrophobcity Class）等級來表征絕緣子表面的憎水性狀態。S T RI G uide-92/1將硅橡膠表面的憎水性分為H C1～H C7級：H C1～H C3級為憎水性狀態，其中H C1級對應憎水性最強的狀態（即絕緣子表面形成分布均勻的完全規則的球狀水珠）；H C4級為中間過渡狀態（即絕緣子表面形成分離的水珠和連續的水膜共存的狀態）；H C5～H C7級為親水性狀態，其中H C7級分別對應憎水性最差的狀態（即絕緣子表面形成完全的水膜）。

在IE C/T S 62073-2003中，“H C等級”被重新命名為“W C等級”（W ettability Class），但W C各等級所對應的絕緣子表面濕潤狀態與H C等級所對應的完全一致。與S T RI G uide-92/1不同的是：IE C/T S 62073 -2003將W C1～W C2規定為憎水性狀態，將W C3～W C5規定為中間過渡狀態，而將W C6～W C7規定為親水性狀態，本文采用W C等級這一概念。

復合絕緣子的憎水性和憎水遷移性取決于材料本身，受運行時間的影響。憎水性是衡量復合絕緣子運行性能的重要指標，復合絕緣子憎水性和憎水遷移性是復合絕緣子具有優異耐污閃性能的基礎。水珠大小和表面粗糙度對憎水性影響顯著，水珠越大，靜態接觸角受重力影響越大，測量誤差越大，表面越粗糙，靜態接觸角越大，當粗糙度達到一定時靜態接觸角趨于穩定。

分別從某公司的灰色和紅色絕緣子樣品上割取傘材料進行試驗，檢測傘材料的憎水性通常特性、憎水性遷移特性、憎水性減弱特性和憎水性恢復特性。檢測方法和判據可參見D L/T 864，不符合要求時應進行復涂。

經過憎水性減弱特性后的灰色和紅色樣片，用濾紙吸去表面水分，放置在試驗室環境下靜置48 h，取出樣片后測量樣品的憎水性能，測試數據結果如表2和表3，測試結果照片見圖13和圖14。

表2　灰色樣片憎水性恢復特性試驗結果，樣號8測試結果

圖13　灰色樣片憎水性恢復角度和憎水性恢復分級

表3　紅色樣片憎水性恢復特性試驗結果，樣號9測試結果

圖14　紅色樣片憎水性恢復角度和憎水性恢復分級

同時進行了絕緣子憎水性遷移特性試驗，結果表明復合絕緣子的憎水性遷移特性對高速動車組外絕緣不再是防污閃的最重要特性，傘裙造型對外絕緣的影響更加突出，今后絕緣子設計制造應予以重視。

5　結束語

由上述預防性試驗結果可以看出，不同廠家和不同型號的產品經熱機試驗后的陡波試驗出現了擊穿現象；傘套材料均出現過流現象，并且有嚴重蝕損現象，且運行后產品的芯棒呈現滲透點，未能滿足標準的規定；復合絕緣子的憎水性恢復特性均有不同程度喪失，這是由于復合絕緣子的運行環境不同于地面靜態運行方式造成的，灰色產品的憎水性各檢測的特性良好，明顯優于紅色產品的相關性能。

所以加強對產品原材料進廠檢驗、生產過程控制至關重要，同時應提高產品質量，促進產品質量持續改進。同時我國高速動車組高壓電氣系統產品的設備狀態檢修試驗還處于空白期，有必要編寫相應的檢修試驗導則來指導動車組高壓設備的預防性試驗和診斷試驗，為完善動車組檢修規程提供技術依據。

［1］ 郭晨曦，焦文根.霜狀冰對電力機車高壓外絕緣的影響［J］.鐵道機車車輛：2009，29（1）：13-16.

［2］ G B/T 20142-2006.標稱電壓高于1000 V的交流架空線路用線路柱式復合絕緣子—定義、試驗方法及接收準則［S］.

［3］ G B/T 775.2-2003.絕緣子試驗方法第2部分：電氣試驗方法［S］.

［4］ JB/T 10944-2010.電氣絕緣用玻璃纖維增強擠拉型材—復合絕緣子芯棒［S］.

［5］ D L/T 864-2004.標稱電壓高于1000 V交流架空線路用復合絕緣子使用導則［S］.

［6］ T B/T 3077.2-2006.電力機車車頂絕緣子第2部分：復合絕緣子［S］.

［7］ ST RI Guide 92-1.H ydrophobicity Classification Guide［Z］.S wedish Transmission Research Institute，1992.

Research on Preventive Test of High-speed EMU Roof Insulator

G U O X ugang，G U O Chenxi，Y A N G Sile
（Loco m otive and Car Research Institute，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

A wide range of cold fog weather seriously affects the pressure outside the EMU roof insulation，w hich causes disruption to safety and punctual running of High-speed EMU.In order to ensure the safe operation of High-speed EMU，itis necessary to take preventive test according to the corresponding rules of high voltage electrical.The research on preventive test of High-Speed EMU roofinsulator will be discussed in this paper.

electric m ultiple units（EMU）；high voltage electric divice；roof insulator；preventive test

U225.4+3

B

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.15

1008-7842（2015）05-0067-05

*鐵道科學技術研究發展中心科研項目（J2013J001）

郭旭剛（1986—）男，研究實習員（2015-05-14）