絕緣護套使用效果分析及其解決方案的探討

陳立賓

絕緣護套使用效果分析及其解決方案的探討

陳立賓

以現場實際案例以及絕緣護套電氣試驗為例，分析了其在運行中存在的安全隱患，并對使用預絞式防異物裝甲的替代方案進行探討并做出相應試驗論證。

接觸網；絕緣護套；預絞式防異物裝甲

0 引言

鐵路系統中，為防止外部環境對接觸網設備的影響，目前在跨線橋、隧道口下方的導線線索普遍采用聚烯烴絕緣護套進行包扎防護，但從實際運用效果來看，其存在的安全隱患往往將引發更嚴重的后果。鑒于此，下文從絕緣護套實際運用來分析其老化問題、從電氣試驗上分析其絕緣性能，重點對異物搭接導致的高阻接地問題進行剖析。同時，通過短路試驗對替代方案的可行性進行論證。

1 高鐵接觸網絕緣護套使用概況

絕緣護套作為供電行業防護外界干擾的措施之一，在橋梁、隧道、明洞、站場天橋（人行天橋）、距接觸網帶電線索垂直距離小于2 m的上跨構筑物滲漏水點等處，其下方的接觸網承力索、供電線、正饋線、加強線、回流線、保護線均可采用絕緣護套進行包扎防護。

目前市場上存在2種類型絕緣護套，一種是硅橡膠絕緣套管，耐磨強度低、抗腐蝕性較差；另一種是聚烯烴絕緣護套，耐磨損、耐腐蝕、疏水性相對較好，易于安裝。目前廣州鐵路集團長沙供電段管內高鐵廣泛采用的是聚烯烴絕緣護套。

因鐵路接觸網長年露天裸露，易受外部環境的干擾，尤其上跨構筑物（如橋、隧道、明洞、站場天橋等），一旦異物搭接，極易導致停電故障發生，通過加裝絕緣護套可以降低異物墜落、漏水、冰凌等引發的跳閘停電。

目前，長沙供電段高鐵管轄范圍內上跨構筑物（橋、隧道、明洞、站場天橋等），其下方的接觸網承力索、正饋線、保護線均采用絕緣護套進行包扎防護，詳細情況如表1所示。

表1 絕緣護套安裝現狀統計表

2 高鐵接觸網絕緣護套使用存在問題分析

2.1 絕緣護套引起的燒損斷線問題

2012年，在武廣線某隧道口處，曾經有因大風將附近的斷樹枝刮落，斷枝長時間搭接在PW線與套有絕緣護套的F線間并引發斷線故障的情況。

（1）采集現場的故障錄波。如圖1所示。

由圖1波形可以看出，故障跳閘時刻之前一周波存在一定的幅值，通過分析其電流最大值約700 A左右。也就是故障點在絕緣套管完全擊穿前，放電發展到了比較大的電流。最終故障點在絕緣套管徹底擊穿后，電流飆升至4 000 A左右，啟動所內保護跳閘。

圖1 故障錄波曲線圖

（2）變電所的高阻保護。在當前牽引供電系統保護中，高阻接地產生的短路電流很小，遠小于電流增量的整定值（武廣線原電流增量定值在 1 237 A，時限2 s），因動車負荷特性與高阻接地特性接近，一般情況下，安裝在所內的繼電保護裝置無法區分線路存在高阻還是動車取流。所以高阻接地保護往往無法正常啟動出口。

（3）絕緣護套電氣性能試驗。從燒傷痕跡可看出，該類絕緣護套，為了安裝方便，在結構上采用卡扣設計，并使爬電距離有所增加，但無法達到真正絕緣的爬距。因此，現場選擇新的絕緣護套以及運行了5年的絕緣護套各一段，進行工頻交流耐壓試驗。新的絕緣護套，干閃擊穿電壓35 kV，濕閃電壓僅32 kV。舊的護套試驗電壓：干閃電壓28 kV，濕閃電壓18 kV擊穿。在異物搭接護套處接觸網線索首先產生微弱放電，隨著異物搭接時間的增加，放電電弧使得護套絕緣性能下降，同時在被包裹的線索與異物之間也將產生沿面放電，導線表面在電弧高溫作用下，也將逐漸燒損。

檢查燒損的絕護套（圖2），試驗短路點已明顯燒傷，絕緣護套開口處可見明顯的爬電燒傷痕跡。可見絕緣護套擊穿是因為沿面爬電，護套絕緣被破壞同時電弧高溫對線索有嚴重的燒損。因此絕緣護套不能作為線索的全絕緣使用。

（4）高阻接地的形成。在異物搭接到套有絕緣護套的高壓線上時，絕緣護套本身具有的絕緣性能限制了短路接地的電流。因此異物搭接在護套絕緣處將形成較高的電阻，該類故障屬于高阻接地。

圖2 絕緣護套擊穿例圖

綜上，故障點的燒損情況原因分析如下：

當時隧道口現場使用的絕緣護套為卡扣式結構，經過2年多的運行，絕緣護套存在臟污、且卡扣不密貼等情況。樹枝搭接絕緣護套后，一開始泄漏電流很小，故障點呈現高阻接地性質，無法啟動變電所內的保護裝置，所以并沒有馬上跳閘。而隨著時間的增加，F線上樹枝搭接部位產生的電弧放電變得愈發嚴重，電弧產生的高溫逐漸燒熔線索（此時短路電流增加到700 A左右），此時變電所內保護并沒有啟動。短路電流越來越大，斷股數量逐漸增加，故障點前后經過10多分鐘的緩慢放電發展，最后絕緣護套擊穿，高阻接地突變成金屬性接地故障（電流突升至4 000 A），變電所內保護啟動出口跳閘，但為時已晚。在數千安培電流強電弧的作用下，故障點殘存絞線的線芯徹底被燒毀，引發了嚴重的斷線事故。

其發展流程如圖3。

圖3 加裝絕緣護套的故障發展流程圖

綜上所述，由于使用絕緣護套后，異物搭接將導致高阻接地的發生，變電所保護裝置在故障發生早期無法正常及時啟動，該過程的發展經歷一個較長的發展過程，并給導線帶來嚴重的安全隱患，一旦保護啟動則說明現場已發生較嚴重的后果甚至斷線事故。因此，在長時間的異物搭接的情況下，絕緣護套實際上不但不能避免停電故障發生，反而可能引發更大的風險。

2.2 絕緣護套的老化影響行車運輸安全

絕緣護套理論上使用年限20年，但在實際使用過程中基本上5年就存在一個較大的壽命衰減期，且從現場反饋的問題來看，其老化的發生將給正常行車運輸帶來較大的安全隱患。

3 解決方案

根據現場運營經驗以及上述分析，絕緣護套的使用雖然在一定程度能起到保護線索以防受到機械性損傷的作用，但異物搭接形成的高阻接地反而容易促使更大故障的發生；另一方面其絕緣護套老化也給運行帶來了較大的安全隱患，故其存在很大的局限性。為了減小線索燒損，應在短路故障發生時能立即啟動變電所保護動作，從而快速切除故障。同時，為避免短路電弧對原線索的損傷，采用預絞式防異物裝甲來加強線索的機械、電氣防護性能，減小故障點電阻以增加短路電流，使故障點能快速被切除。實踐過程中，筆者發現加預絞式防異物裝甲可以提供較好的防護。以下，就使用預絞式防異物裝甲的可行性進行分析。

3.1 用途及特點

預絞式防異物裝甲在一定程度上可用來保護導線免受磨擦、電弧或其他損傷，它具有磨損小、防滑移、防松動、耐腐蝕性能好、安裝簡單等特點，且通用性能強，一般來說，可用與導線相同材質的材料來定制，從而也確保預絞式防異物裝甲與導線間不會發生電氣腐蝕。

3.2 電氣性能分析

（1）預絞式防異物裝甲采用與導線相同材質，具有良好的金屬導通性，不會發生高阻接地，因此其故障發生過程簡單，一旦接地會直接引發所亭保護裝置動作，發生故障跳閘。

（2）根據《鐵道學報》2008年“弓網系統電弧侵蝕接觸線時的熱分析”一文，利用數學模型，對導線的溫度變化進行了研究，結果顯示其電弧作用時間12 μs時，溫度到達1 100℃，超過銅的熔點。但是，當異物掉落搭接時，產生短時電弧作用在護線條表面，電弧熔掉的只是其外層較小的深度，與此同時，較大的短路電流足以啟動所亭保護裝置動作，在對承力索本體造成燒傷前可通過保護出口迅速切除故障點，避免對線索本體造成更嚴重的傷害，從而起到保護作用。

（3）對電氣防護性能的影響。筆者針對不同線型的預絞式防異物裝甲進行了短路試驗，具體試驗和結果如下：

a.短路試驗1。使用95預絞式銅保護條安裝在70銅承力索上進行短路試驗，試驗結果：當導線接觸承力索短路時，有明顯電弧產生，短路導線熔斷，預絞式保護條熔斷80%，承力索嚴重損傷（圖4）。

圖4 普通預絞式保護條短路試驗1例圖

b.短路試驗2。使用70預絞式銅保護條安裝在70銅承力索上進行短路試驗，試驗結果：接地短路線被燒斷，護線條有燒損情況，但沒有熔斷，起到保護承力索作用（圖5）。

圖5 護線條短路試驗2例圖

通過上述2個短路試驗的結果看出，普通護線條與導線型號不匹配將導致護線條對導線的握力不足，根據電磁原理分析，當握力不足時，會增大電弧，當電弧增大到空氣滅弧極限時，電弧將導線引燃，從而導致導線及護線條損壞。因此，只有采用預絞式防異物裝甲且線型與導線相匹配才能真正起到有效的防護效果。

3.3 預絞式防異物裝甲安裝對接觸網結構的影響

以承力索安裝銅合金預絞式防異物裝甲為例，選取一跨加裝護線條4組共8 m，對安裝前后定位點處及2根吊弦進行測量，其結果如表2所示。通過安裝前后的復測發現，導高變化主要在4～5 mm間，說明加裝8 m護線條后對接觸網導高的變化影響是有限的，則線索上安裝預絞式防異物裝甲時，以防護點斷面為基準，向兩側各延長安裝5 m，對接觸網的結構影響是有限、可接受的。

表2 護線條加裝前后導高變化對比表 mm

4 結語

綜上所述，線索使用絕緣護套無法完全做到絕緣隔離，反而可能使故障更加嚴重，導致導線燒傷甚至斷線等事故的發生；因此，筆者建議取消絕緣護套，并同時采用具有良好的機械防護性與電氣性能且適用于導線型號的預絞式防異物裝甲，對原導線的防護簡單有效。

On the basis of site actual cases and examples of insulation sheath electrical test, the safety risks existed in operation are analyzed, an alternative solution by adopting pre-stranded foreign matter proof armour is discussed, and relative tests and illustrations are made as well.

Overhead contact system; insulation sheath; pre-stranded foreign matter proof armour

U225.4

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：1007-936X(2016)03-0022-04

2015-06-02

陳立賓. 廣州鐵路集團公司長沙供電段，工程師，電話：18807412758。