接觸網開關電動操作機構燒損原因及對策

甄德印

(中國鐵路總公司　工程質量安全監督局, 北京 100844)

電氣化鐵路運營中，接觸網開關是安全運行的薄弱部位，常常因各種原因造成絕緣子污閃放電，一般情況，隔離開關瞬時放電后能自動恢復絕緣，接觸網跳閘后能再次送電成功，恢復正常運行。但某鐵路局多次發生因開關絕緣子污閃放電，燒損電動開關操作機構及遠動裝置等設備設施的問題，造成電動開關無法遠程操作，影響了列車運行。因此，需認真分析原因，制定相應防范措施。

1　故障分析

1.1　故障概況及相關設備信息

2016年3月24日07時19分某變電所某供電臂216斷路器跳閘，電流速斷保護動作，跳閘信息：電流2 864 A，電壓21 628 V，阻抗5.34，阻抗角∠56.9°。巡視人員巡視發現，該接觸網供電臂上226#支柱隔離開關絕緣子出現過嚴重放電現象(圖1)，電動操作機構箱燒損嚴重(圖2)，遠動控制箱燒損嚴重(圖3)。后續故障分析過程中，了解到向開關操作機構提供電源的供電裝置(變壓器低壓開關)及變電所控制屏內遠動控制光纜端頭(圖4)也被燒損。為便于分析，相關設備示意如圖5。

圖1　226#支柱隔離開關絕緣子

圖2　電動操作機構箱

圖3　運動控制箱

其中GW為接觸網隔離開關；M為操作機構電機；R1為接觸網隔離開關接地電阻；R2為遠動控制箱接地電阻；R3為10 kV貫通線變壓器接地電阻。

相關設備信息：利用接地電阻表測得接觸網隔離開關接地電阻(也是支柱接地電阻)為8.2 Ω，滿足規范不大于10 Ω的要求；隔離開關絕緣子放電原因為污閃放電，226#支柱距離變電所13.652 km；接觸網單位阻抗0.38 Ω/km,阻抗角70°。

圖4　運動控制光纜端頭

圖5　相關設備示意圖

1.2　隔離開關污閃分析

顯然，隔離開關絕緣子污閃是操作機構燒損的源頭性原因，對其進行分析既有利于找出防止污閃的措施，也有利于操作機構燒損分析。

污閃發生過程大致如下[1-2]：絕緣子表面的污穢受潮濕潤后，污穢層中的鹽分等高導電率溶質溶解，絕緣子的表面電阻大大降低，在電壓作用下，流經絕緣子表面的泄漏電流顯著增加，泄漏電流產生熱量加熱污穢層。污穢層沿絕緣子表面的分布是不均勻的，使絕緣子表面各部分的電流密度不一樣，受熱也是不均勻的。在電流密度大且污穢層較薄的地方，水分迅速蒸發，形成電阻較大的干燥區，它與電阻較小的濕潤區串聯，承擔的電壓降大大增加，當電場強度達到空氣擊穿(電離)場強時，干燥區就會發生局部電弧放電。由于局部電弧通道的電阻較低，故通道中的泄漏電流較大，局部放電通道端部附近的表面也迅速受熱烘干，再進一步的發展就有兩種可能性：一種是當污穢較輕或絕緣子的泄露距離(簡稱：爬距)較長，其余串聯濕潤部分的電阻還比較大，干燥區域擴大將使泄漏電流減小，當局部放電通道的長度增加到一定程度時，其承擔的電壓已不足以維持這樣長的局部電弧放電，放電將熄滅；另一種是當污穢嚴重或絕緣子泄露距離較小時，其余濕潤部分的電阻小一些，局部放電通道中的電流較大，通道中會產生熱游離，則局部電弧將繼續伸長，發展到沿整個絕緣表面，形成污閃。

通過分析可知：加大絕緣子爬弧距離、提高絕緣子防污性能以及對絕緣子污物及時清理可以大大減少污閃發生，自然也就大大降低操作機構燒損的概率。

1.3　隔離開關操作機構箱電位抬高量計算

圖6　供電臂等效電路圖

(3)污閃電弧：大量試驗研究表明，穩定燃燒的交流電弧呈電阻的特性[6-7]，對于大部分電弧，當電弧電流的峰值在1．4～24 kA范圍內時，沿著主弧柱的單位長度的電壓降與電弧電流無關，基本為常數，經驗值為15 V/cm[3-4]。隔離開關絕緣子高度40 cm,電弧長度約50 cm,故電弧電壓U2=15×50=700 V。

(4)接地極電位抬升計算如下：

圖7　相量關系圖

1.4　機構箱燒損分析

接觸網隔離開關污閃放電，電流沿隔離開關傳動桿、接地線、接地極進入大地，造成接地極R1上部電位(也是隔離開關操作機構箱電位)抬升較大，通過1.3中計算得知，操作機構箱電位抬升到7 663 V,而箱內控制電纜、端子排及電氣設備運行電位為220 V(相線部分)和0 V(零線部分)。隔離開關操作機構箱與內部控制線路、端子排、電氣設備形成巨大電位差，而電纜線、端子排、電氣設備額定耐壓僅1 000 V左右,勢必出現操作箱內線纜、端子排反向擊穿放電，造成燃弧燒損；擊穿后的控制電纜又將高電位帶到遠動控制箱內，燒損電源開關等設備；通過電源電纜，高電位又傳到變壓器低壓開關，造成開關絕緣擊穿燒損；通過遠動控制光纜鎧帶，高壓傳到牽引變電所，光纜端頭鎧帶對控制屏接地放電，引起燃弧燒損。

2　對　策

根據開關操作箱等設備燒損的原因，可采取以下對策：

(1)提高隔離開關防污閃性能

開關絕緣子污閃是操作機構燒損的源頭性原因，采取對隔離開關絕緣子加大爬弧距離、涂刷防污涂料、及時清理污物等措施，可有效降低開關絕緣子污閃發生的概率。

(2)降低開關操作箱接地電阻

降低開關操作機構接地電阻可以降低操作機構箱電位抬升，使其控制在1 000 V以下，防止操作箱內反向擊穿放電。但是，通過以上分析可知，若使電壓抬升由7 000 V多降至1 000 V以下，需大大降低接地電阻，接地裝置需有較大的改造。

(3)切斷操作箱高電位的來源通道

將GW開關接地裝置與操作機構箱進行絕緣隔離，不讓開關箱出現高電勢。采取措施：①隔離開關傳動桿用絕緣材料或中間加絕緣；②操作箱與支柱絕緣安裝；③隔離開關接地引下線采用絕緣電纜；④隔離開關接地極單獨設置，距離操作機構箱接地極大于15 m。

(4)操作機構箱、遠動控制箱內電源線、控制線裝設浪涌保護器

裝設浪涌保護器后，一旦操作箱、遠動控制箱有高電位，浪涌保護器瞬時導通，使得電源線、控制線電壓和操作機構箱等電位，不會出現反向擊穿現象，不會造成設備燒損。

(5)將操作機構箱接地、遠動控制箱接地、變壓器接地采用絕緣電纜聯通，實現等電位

該措施起到水漲船高的效果，操作機構箱、遠動控制箱、變壓器開關箱電位協調一致，不會發生線纜、設備與箱體出現較高電位差的現象。

(6)變電所控制光纜裝設入戶絕緣節

該措施防止光纜將高電位帶到所內燒損室內設備的作用。

(7)裝設隔離變壓器

變電所附近的隔離開關的操作電源一般來自變電所內交流屏，為防止將高電位帶到所內，需在所內裝設隔離變壓器給外部開關操作箱供電。

3　結束語

闡述了一起接觸網隔離開關操作機構燒損故障，分析了產生問題的原因，據此針對性地提出防范措施，部分措施已經被采取，并取得良好效果。文中分析成果對接觸網運行管理和工程設計具有較好的實用價值。