極端環境對高速動車組受電弓弓角放電電壓影響的試驗研究

景所立，張作欽，楊 林，趙立江，楊澤鋒

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111；2.西南交通大學電氣工程學院，成都 611756)

高速鐵路均采用電力進行牽引，高速列車通過受電弓與接觸網滑動接觸獲取動力來源，由于接觸網存在線岔、錨段關節等不平順部位，為防止車輛運行時接觸網鉆到受電弓弓頭下方損壞接觸網或受電弓導致弓網事故的發生，受電弓弓頭長度方向左右兩側對稱設置有兩根受電弓弓角，以引導其平滑過渡[1-2]，具體安裝方式見圖1。當受電弓降弓、而支撐絕緣子絕緣性能正常時，由于受電弓弓角距列車車頂較近，二者之間的絕緣強度相對薄弱，加上受電弓長期暴露在戶外復雜環境，易受到污穢、雨水、鹽霧等環境的影響，使得車頂絕緣性能進一步下降，受電弓弓角與車頂間的閃絡、放電現象時有發生[3-7]。

圖1 受電弓弓角與受電弓盆斷面(單位：mm)

近些年來，通過“引進-消化-吸收-再創新”的發展策略，軌道交通行業發展迅猛，高速列車已成為我國的一張名片[8]。在實際運營中，某型號高速列車出現弓角對列車車頂閃絡、放電等現象，這對受電弓正常升弓、接觸網可靠供電、列車安全運營、鐵路穩定運輸等帶來安全隱患，因此，為保障鐵路安全穩定運營，不斷完善受電弓弓角的既有設計，有必要對該型號動車組受電弓弓角放電影響因素及變化規律進行探究。

本文基于某型號高速動車組受電弓弓角既有設計方案，對各材質弓角在不同極端氣候環境下的工頻、雷電擊穿電壓進行考察，擬為其后續弓角的優化方案設計、使用選型等提供依據與指導。

1 試驗布置及方法

1.1 實驗對象及模型

被試受電弓弓角按材質分類主要包括如下3種，即：金屬弓角、半絕緣弓角和全絕緣弓角。實際工況中，受電弓弓角相對車頂的安裝位置及各類弓角的外形尺寸如圖1、圖2所示。試驗模型搭建所用材料主要包括弓角、支撐絕緣子、受電弓盆側板等，均由相應廠商提供，模型的架構安裝方式如圖3所示，弓角尖端距受電弓盆側面擋板最短距離為182 mm。

圖2 各類型弓角尺寸參數(單位：mm)

圖3 弓角-受電弓盆架構模型(金屬弓角)

1.2 環境模擬

1.2.1 雨水環境

我國氣象局規定的雨型劃分依據是24 h內的總降雨量，并不反映24 h內的某一個瞬時的降雨量[9-10]。因此，引入降雨瞬時雨強概念，選擇特大暴雨的瞬時雨強(14.5 mm/min)和污穢嚴重地區的雨水電導率(100 S/m)作為雨水環境模擬參量[11]。雨水由自來水和蒸餾水調制得到，雨強按照降雨量測量方法進行計算，電導率通過電導率測試儀進行測定。

1.2.2 NaCl鹽霧

以高電導率鹽霧來模擬極端水霧(霧霾)環境，通過在蒸餾水中加入適量的NaCl配制得到所需溶液[12]。其中所加NaCl試劑純度超過99.5%，通過改變NaCl含量來調整霧水電導率，NaCl鹽霧中主要離子為Na+和Cl-。霧水電導率為0.43 S/m，由電導率測試儀進行測定。

1.2.3 污穢環境

依據標準IEC60077—1—1999中的規定對弓角配制污穢物并進行染污處理，使其表面連續性導電以模擬受污染最嚴重情況。污液配制及染污具體操作均參照標準DL/T 859—2015《高壓交流系統用復合絕緣子人工污穢試驗》進行，污液的鹽密為0.2 mg/cm2，灰密為1 mg/cm2，主要成分包括高嶺土、蒸餾水、商業純氯化鈉，染污方法采用浸污法。弓角污液涂敷效果見圖4。

圖4 各類型弓角涂污效果

環境中大氣污穢物主要來源于土壤塵、汽車尾氣、生物質燃料及煤燃燒，對電氣設備絕緣強度影響最大的是CaSO4和NaCl，CaSO4使污閃電壓升高，NaCl使污閃電壓降低[13]。因此，在環境污穢模擬中污穢物主要以NaCl和不可溶性惰性物質進行配制。本試驗空間污穢環境主要考慮環境濕度和空間懸浮塵埃兩方面因素，通過配制100 S/m的NaCl水溶液，并利用加濕器加濕、鼓塵裝置吹起超細高嶺土粉末加以實現。試驗環境相對濕度要求>95%，鼓塵后能見度要求<1 m。試驗環境效果見圖5。

圖5 空間污穢環境效果

1.3 試驗平臺及測試方法

試驗平臺主要包括工頻電壓源(0～200 kV)、雷電沖擊電壓源(100～1 800 kV)和自制的環境模擬箱。其中，環境模擬箱由透明樹脂板拼接而成，外形尺寸為2 m×1.5 m ×1.5 m，主要由噴淋裝置、供水系統和鼓塵裝置三部分組成。通過調節供水系統水壓和噴頭種類，可實現淋雨和噴霧兩種功能，通過鼓塵裝置可使箱內空間彌漫污穢物，營造極端污穢環境。實驗平臺設備裝置見圖6。

圖6 實驗平臺設備、裝置

試驗時，將弓角-受電弓盆架構模型放入環境模擬箱內，在雷電沖擊、工頻電壓條件下，分別測試金屬弓角、半絕緣弓角、全絕緣弓角在干燥、雨水、鹽霧、污穢環境下的擊穿電壓，通過與弓角在相應電壓類型條件下的耐壓標準進行對比(雷電沖擊耐壓等級為185 kV、工頻耐壓等級為65 kV)，判定各類型弓角在各環境下的適用情況。實驗升壓方式為均勻升壓法，實驗開始前預留15 min待模擬箱內環境達到穩定狀態，每種工況下試驗次數≮5次，所有數據取平均值后計算其標準偏差百分數，標準偏差<5%為有效數據。此外，利用高速相機拍攝弓角對受電弓盆側板放電瞬間，以對各類型弓角放電路徑進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 實驗結果

依據相關試驗標準，利用工頻電壓源、雷電沖擊電壓源分別對干燥、雨水、鹽霧、污穢環境下的金屬弓角、半絕緣弓角、全絕緣弓角進行耐壓擊穿試驗，其中，工頻最高試驗電壓為150 kV，雷電沖擊最高試驗電壓為230 kV(包括正、負極性兩種條件)，每種工況條件下的試驗次數≮5次，對實驗數據進行篩選整理后所得結果見表1。

表1 工頻、雷電沖擊條件下各類型弓角在不同環境中的擊穿電壓試驗數據 kV

2.2 工頻電壓下環境條件對各類弓角擊穿電壓的影響

工頻電壓條件下各類型弓角的擊穿電壓隨環境變化趨勢見圖7，通過對比可以發現：在不同環境中，各類型弓角擊穿電壓雖然都能滿足高于65 kV電壓等級的要求，但受環境影響波動幅度較大。相比于干燥環境，鹽霧、雨水、污穢環境均會使各類型弓角的擊穿電壓不同程度的下降，其中，全絕緣弓角在3種環境下的擊穿電壓降幅依次為48.3%、35%、25.3%，半絕緣弓角在3種環境下的擊穿電壓降幅依次為34.8%、34.7%、8.7%，金屬弓角在3種環境下的擊穿電壓降幅依次為20.4%、22.5%、11.8%。由此可見，全絕緣弓角、半絕緣弓角、金屬弓角的擊穿電壓受環境的影響依次降低，且3種環境中鹽霧環境對弓角擊穿電壓的影響最大，這是由于鹽霧中含有大量的帶電粒子，可為放電的發展提供大量的自由電荷[14-15]。此外，可以發現此時全絕緣弓角的擊穿電壓略低于金屬弓角，這與兩方面的因素有關：一方面是金屬弓角的尖端有絕緣套，該絕緣套有一定的高度及厚度，不僅增加了弓角導電部位與受電弓盆的最短路徑，還使弓角尖端的曲率半徑變大，故利于擊穿電壓的提升；另一方面，金屬、半絕緣弓角與全絕緣弓角的外形尺寸有所差異，后者的尖端曲率半徑較小，利于初始放電條件的形成。在雨水環境中，由于雨水的介電常數比空氣大得多(約為80∶1)，放電間隙中雨滴的存在使得雨滴顆粒附近的空間場強增強，故弓角的擊穿電壓有所降低[16-17]；在污穢環境中，由于環境濕度較大，且周圍有懸浮導電粒子使場強發生畸變，故也會使弓角的擊穿電壓下降[18]。

圖7 工頻電壓下各類型弓角擊穿電壓隨環境變化趨勢

2.3 雷電沖擊電壓下環境條件對各類弓角擊穿電壓的影響

從表1中雷電沖擊電壓試驗結果中可以看到，各類型弓角的擊穿現象均發生在正極性過電壓條件下，這是由于受電弓盆及弓角均存在一定的曲率半徑，極不均勻電場下的極性效應凸顯，故使得該種現象發生[19]。

正極性雷電沖擊下各類型弓角擊穿電壓隨環境變化趨勢見圖8。通過對比可以發現：各類型弓角都未能滿足在各個環境下擊穿電壓均高于185 kV的要求，且擊穿電壓受環境影響有所波動。相比于干燥環境，鹽霧環境和污穢環境均使各類型弓角的擊穿電壓不同程度的下降，其中，全絕緣弓角在兩種環境下的擊穿電壓降幅為19.5%和5.2%，半絕緣弓角在兩種環境下的擊穿電壓降幅為22.9%和6.4%，金屬弓角在兩種環境下的擊穿電壓降幅為6.2%和2.7%；而在雨水環境中，各類型弓角的擊穿電壓有上升的趨勢，這是由于在極不均勻電場中，水分子具有弱電負性，容易吸附電子形成負離子，故使間隙的擊穿電壓有所提高[20]。

圖8 正極性雷電沖擊下各類型弓角擊穿電壓隨環境變化趨勢

2.4 環境條件對各類弓角放電路徑的影響

各類型弓角在不同環境中的放電瞬間見表2，從表2可以看到，在干燥環境中，金屬、半絕緣弓角均通過空氣擊穿，從高壓金屬端表面沿間隙最短路徑進行放電。在雨水環境中，金屬弓角則因空氣絕緣能力下降，使間隙擊穿電壓降低；半絕緣、全絕緣弓角則由于雨水在弓角表面滴落、匯集導電，高壓等電位端延伸至弓角尖端的絕緣材質表面，使絕緣材質失效，故起弧均發生在弓角尖端位置。在鹽霧環境中，霧珠富集在弓角表面并沿著弓角尖端向下滴落，與雨水環境類似，此時弓角絕緣材質失效，由于霧滴導電、空氣絕緣能力降低的緣故，各類型弓角的對地擊穿電壓均降低。在污穢環境中，各類型弓角的電弧放電強度與前3種環境相比有所不同，該種環境下的電弧放電范圍更寬，弧柱由細枝狀變為火球狀，且邊界更為模糊、不易區分，這是由于該種環境條件下，空氣濕度較高、且周圍彌漫有大量的懸浮導電塵埃所致，此外，由于污穢物沉積在弓角表面并潤濕形成連續導電物質，使得絕緣材質弓角易沿其表面進行污閃放電。

表2 各類型弓角在不同環境中的放電瞬間(工頻電壓)

3 結論

本文對某高速動車組車頂受電弓弓角在不同環境下的工頻和沖擊耐壓特性開展了研究，對比分析了不同類型弓角的耐受電壓、放電過程，得出如下結論。

(1)工頻電壓條件下，金屬、半絕緣弓角和全絕緣弓角在各極端環境下的擊穿電壓均高于65 kV電壓等級，環境條件對其擊穿電壓有較大影響，相比于干燥環境，弓角在污穢、雨水、鹽霧中的擊穿電壓依次降低，電壓降低幅度分別在8.7%～25.3%、22.5%～35%和20.4%～48.3%。

(2)雷電沖擊電壓條件下，極性效應使各類弓角放電均發生在正極性沖擊電壓條件下，且金屬、半絕緣弓角和全絕緣弓角都未能滿足在各種環境下擊穿電壓均高于185 kV的要求。相比于干燥環境，鹽霧和污穢環境使各類弓角的擊穿電壓依次降低，降低幅度分別在6.2%～22.9%和2.7%～6.4%，雨水環境反而有利于擊穿電壓的提升。

(3)雨水、鹽霧和污穢環境都是通過在絕緣材料表面形成連續導電通路使絕緣材料失效，進而大幅影響絕緣類弓角的擊穿電壓，總體而言，3種弓角在各環境條件下的耐受電壓表現排序為：全絕緣弓角>半絕緣弓角>金屬弓角。

從極端環境工況角度考慮，該型號動車組現役3種類型的弓角中僅全絕緣弓角的各項性能指標接近相關標準要求。動車組車頂受電弓弓角的優化設計有進一步的提升空間，建議從弓角的外形尺寸、絕緣材質以及安裝高度設計3個方面進行綜合考量，以應對復雜多變的環境條件。