中低速磁浮C型接觸軌分段絕緣器優化研究

繩 賀

(中鐵建電氣化局集團科技有限公司 河北高碑店 074000)

1 前言

分段絕緣器是磁浮接觸軌系統中的重要組成部分，其主要作用是把供電線路分隔成獨立的供電區。一般情況下，磁浮機車受電靴帶電滑行通過，如果其中一側供電區出現故障或者需要停電檢修，分段絕緣器就能夠使部分接觸軌斷電，而不影響其他供電區的正常工作，從而使供電區運行的可靠性和靈活性大幅提高[1－2]。

2 磁浮接觸軌系統中分段絕緣器常見故障分析

磁浮接觸軌系統中分段絕緣器的接觸面設置有槽道，受電靴長期摩擦產生的導電微粒在槽道內沉積，而導電微粒存在連通導電的風險，使得絕緣器存在喪失其絕緣功能的風險，同時槽道對于受電靴的磨損和絕緣器的磨損也不容忽視。

目前，我國已建成多條磁浮線路，由于磁浮機車的受電靴為碳滑板，受電靴在接觸軌的表面滑行時會在凹槽里堆積碳粉，時間久后絕緣器的表面和凹槽就會通過堆積的碳粉連接成為一個導電體，將導致絕緣器電分段的性能消失。

正常情況下，各個供電分區獨立供電，正極帶電、負極不帶電。當相鄰兩供電分區的正極分段絕緣器絕緣性能喪失，兩個供電分區的其中一個供電分區停電，停電的供電分區正極會通過分段絕緣器與帶電的供電分區正極形成通路，導致停電的供電分區帶電。因變電所內隔離開關的出線端高壓帶電顯示裝置連接在正負極銅排之間，電壓通過高壓帶電顯示裝置引至負極，這樣就會帶來施工的風險。

3 磁浮接觸軌系統中分段絕緣器優化措施

(1)優化分段絕緣器結構

目前，磁浮列車普遍使用裝配碳滑板的受電靴，受電靴通過分段絕緣器時，碳滑板與分段絕緣器的上表面直接摩擦，并在摩擦面上形成一層致密的碳膜。試驗證明，在干燥的狀態下，附著碳膜的分段絕緣器扔呈現較高的電阻值；但在表面淋水潮濕的狀態下，其表面會放電，產生燒灼的現象。

鑒于目前存在的問題，通過改型設計、材質的選用、技術等方面進行研究，確定使用雙層設計:第一層為受電靴滑行面，此設計為相互交叉斷開結構，避免了在使用過程中產生的碳粉聚集導致串電。第二層為凹槽設計，一方面的作用使第一層斷開結構連接成為一整體；另一方面的作用是增加兩端帶電體之間的爬電距離，防止串電。分段絕緣器整體涂敷優鎖防腐漆，碳粉僅僅依附在分段絕緣器表面，雨水沖刷即可清潔分段絕緣器表面，從而總體實現免維護功能。

(2)表層處理

固體表面的濕潤過程可分為鋪展、浸潤和沾濕3種，而發生在分段絕緣器表面污層的濕潤主要由污層的吸濕性、霧的冷凝以及水分子在污層擴散造成。當分段絕緣器表面受潮時，由于霧的冷凝和水分子與表面的碰撞在相同條件下是一致的，因此，造成分段絕緣器表面受潮的影響因素主要取決于污層的吸濕能力以及水分子在污層中的擴散能力。

分段絕緣器的受潮速度主要影響因素為水珠存留時間的長短及水珠與污層間的凝結力。當水珠存留量大、與污層接觸時間長，表面憎水性喪失速度較快，水珠對污層表面壓力增大，會增加其滲入污層的滲透壓力，水分就易于滲入污層內，表面憎水性弱化速度加快。當水珠在分段絕緣器表面吸附時，其重力方向與其吸附力方向相反，當水珠與污層接觸時間短時，污層接觸面小，易于從污層表面滴落，因而下表面受潮速度緩慢。

為盡量避免上述問題的產生，在高壓絕緣子類產品上都會涂一層疏水性涂料，但受外界環境的影響，分段絕緣器表面的涂料會失去憎水性功能。憎水性功能的喪失會導致分段絕緣器憎水性下降。如果憎水性的差異表現在不同位置，分段絕緣器局部的憎水性就會完全喪失。比如在分段絕緣器的噴涂過程中，在其絕緣部及連接部中間隔層位置出現漏涂現象，就會導致憎水性出現較大的差異。不僅如此，人為破壞對涂層造成的脫落，或污穢在絕緣子表面長期積累沉降造成的差異，均有可能對分段絕緣器表面憎水性造成差異。

分段絕緣器表面涂敷高分子納米疏水性絕緣材料(RTV)，可有效抑制導電顆粒等在其表面沉積，具有良好的防污閃功能。涂敷疏水性涂料后，其特殊性質會同化分段絕緣器表面的污穢，致使污穢也具有一定的憎水性。由于憎水性的機理，在分段絕緣器浸水后，會阻止放電通道的形成，減小泄漏電流帶來的不利影響[3]。

4 分段絕緣器性能要求

一個狀態良好、運行穩定的分段絕緣器應滿足下列幾點要求:

(1)優良的絕緣性能

在日常檢修線路中，檢查分段絕緣器有無破損、裂紋和燒傷現象。如有以上缺陷，應立即進行更換處理。

(2)平滑過渡、穩定性好

當受電靴正常通過分段絕緣器時，分段絕緣器能承受最高設計時速的受電靴沖擊，并且各部件受力狀態良好，保證分段絕緣器及其連接部件的平滑連接過渡，無打靴現象。受電靴在運行過程中對各部位的彈性沖擊不可避免，應盡量減小與本跨距內接觸軌彈性誤差，減小彈性破壞。

(3)轉移負荷過程中電弧盡量小

受電靴在通過分段絕緣器時，由于負荷的轉換及分段兩端存在電位差，因此在通過分段絕緣器時產生電弧不可避免，但應盡量采取措施減小電弧的危害程度[4－5]。

5 優化后分段絕緣器結構形式

分段絕緣器包括絕緣部101、絕緣支撐連接部102。

絕緣部101由E型部件和Π型部件構成(不相交的部件構成)，受電靴在面1011上滑動。接觸面1011平順度好，可有效減小受電靴磨耗；絕緣支撐連接部102保證了分段絕緣器的強度和穩定性。設置有一定間距的槽道，可有效增大分段絕緣器的爬電距離。

分段絕緣器表面涂敷高分子納米疏水性絕緣材料，可有效抑制導電顆粒等在其表面沉積。分段絕緣器具有自潔功能，可大幅降低日常維護的工作量。

分段絕緣器通過開孔103，采用螺栓與供電軌連接。分段絕緣器結構及安裝見圖1～圖2。

圖1 分段絕緣器結構

圖2 分段絕緣安裝使用示意

6 分段絕緣器的材料選擇

當受電靴在分段絕緣器的滑行部分運行時(見圖3)，由于相互摩擦對滑行部分產生的磨耗較大，這就需選擇摩擦系數小的材質作為分段絕緣器的母材。除需對摩擦系數的考慮外，分段絕緣器在磁浮線路中會受到熱膨脹力，這就要求母材需具有一定的力學性能。綜上，母材選取聚四氟乙烯和G11環氧板進行對比分析。

圖3 分段絕緣示意

(1)聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，簡寫為PTFE)為以四氟乙烯作為單體聚合制得的聚合物，白色蠟狀，半透明，耐熱及耐寒性優良，可在－180℃～260℃長期使用。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑，耐候性好，有塑料中最佳的老化壽命；不黏附，是固體材料中表面張力最小者，不黏附任何物質；同時，聚四氟乙烯具有耐高溫的特點，且摩擦系數極低，是固體材料中摩擦系數最低者[6－8]。

在通過拉力試驗測試下，以聚丙乙烯為材質的分段絕緣器在10.62 kN作用力下，外觀上無破壞；分段絕緣器絕緣部分由原來的200.3 mm變為203.74 mm，卸載至0后回至200.4 mm。但由于此材質的分段絕緣器形變量偏大，其滑行部分的強度低，受電靴在通過時易產生擠壓形變，對機車運行會產生影響。綜合考量，雖然此材質絕大多數參數均滿足要求，但其關鍵部位的力學強度不夠，不能作為分段絕緣器的首選母材(見圖4)。

圖4 分段絕緣拉力測試

(2)G11環氧板材料機械性能高、耐潮性、耐高溫；優良的阻燃性達到UL94V-0級；優良的加工性能，可根據不同的圖紙加工成不同的樣式，且易切割；良好的吸水率，吸水系數幾乎為零，24 h的浸水也只有0.09%，滿足各種載荷下的受力要求，同時滿足電氣絕緣性能要求。實際的檢測數據見表1～表2。

表2 分段絕緣器電學性能

通過檢測數據可看出，分段絕緣器的電學性能及力學性能都能滿足實際線路運行需要，并且滑行部分的強度也能保證受電靴正常運行。

7 分段絕緣器機械及電學性能

分段絕緣器作為供電系統的重要部件，其機械和電學性能必須滿足產品設計要求。國家權威檢測機構對產品相關性能進行了檢測，檢測結果見表1；電學性能檢測主要檢測項目包括絕緣電阻、泄漏電流、雷電全波沖擊耐受電壓試驗、工頻干耐受電壓、工頻濕耐受電壓、人工污穢工頻耐受電壓試驗，檢測結果見表2。從表1和表2可以看出此產品相關性能均合格，可以滿足產品設計和使用要求。

8 結束語

磁浮供電系統中分段絕緣器是供電線路的絕緣設備，其主要作用是對各供電分區的電氣進行分隔和機械連接，是供電系統中的重要組成部分。設置在兩電分段區間，一旦發生串電事故，很可能會引發維修人員的觸電危險。因此，必須要對分段絕緣器的常見故障進行研究，找出引發故障的原因，制定優化措施，優化分段絕緣器的結構，加強日常維護等，以此來降低分段絕緣器的故障發生頻率，保證磁浮機車運行暢通。