27.5 kV制式地鐵接觸網(wǎng)瓷絕緣子試驗及運行狀態(tài)研究

田升平

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

近年來，隨著我國地鐵事業(yè)的快速發(fā)展，地鐵供電設備的可靠性對運輸安全的影響越來越大。接觸網(wǎng)是地鐵的核心供電設施，承擔著向列車傳輸電能的任務。復雜的線路工況以及多變的氣象環(huán)境，導致接觸網(wǎng)部件故障時有發(fā)生，直接威脅列車的安全運行。而絕緣子是接觸網(wǎng)中廣泛使用的重要部件，它們實現(xiàn)了帶電體與接地體、供電線相間的電氣絕緣功能。

瓷絕緣子一般具有極長的使用壽命，不同于復合絕緣子有較為明確的狀態(tài)評估方法[1-3]，電力及鐵路行業(yè)通常極少對運行中的高壓瓷絕緣子進行運行狀態(tài)分析，一般采用故障修的維護策略，即壞一只換一只。但地鐵接觸網(wǎng)瓷絕緣子運行強度高、環(huán)境惡劣，日常僅更換故障絕緣子，并無進一步的檢修措施，瓷絕緣子一旦出現(xiàn)故障將直接影響地鐵運營安全。伴隨對早期投運損壞絕緣子更換比例的增加，利用更換下來的瓷絕緣子進行運行狀態(tài)分析，對于地鐵安全運營具有重要意義。

在目前的絕緣子研究分析中，瓷絕緣子的試驗特性以及相應的運行狀況研究較少，更多的研究重點在基于溫度的紅外檢測[4-5]、表面污穢[6]、放電[7]和機械破壞等單一試驗，無法對瓷絕緣子整體狀況進行分析。另外，難以通過物理角度分析瓷絕緣子材料老化特性，加大了其運行狀態(tài)的分析難度。

針對如圖1所示南方某城市27.5 kV交流制式地鐵接觸網(wǎng)瓷絕緣子，依據(jù)相關標準對所選的投運時間分別為1981年、2003年、2019年(新)的3組配方及工藝一致的樣品進行電氣及機械等性能試驗，對比分析3組樣品的試驗結果數(shù)據(jù)，確定瓷絕緣子的整體運行狀態(tài)及檢修維護策略。

圖1 27.5 kV交流制式地鐵接觸網(wǎng)棒形瓷絕緣子運行工況

2 試驗方案

2.1 試驗依據(jù)與方法

架空輸電線路及接觸網(wǎng)中瓷絕緣子的設計運行壽命多在30年以上。27.5 kV制式接觸網(wǎng)瓷絕緣子在運行中要持續(xù)承受機車通過時的振動、導線自重、導線舞動及絕緣子和各部件熱脹冷縮等帶來的機械應力；同時，需要耐受工作電壓及系統(tǒng)換相暫態(tài)過電壓和雷電過電壓的作用，長期運行后不可避免地會出現(xiàn)一定程度的材料老化或損傷[8]。

瓷絕緣子的老化主要受制造工藝、機電負荷及運行環(huán)境等多種因素影響。由于運行可靠性需要進行極限參數(shù)破壞性試驗，通用的架空輸電線路瓷絕緣子通常僅進行離線抽樣檢測，通過分析當前運行狀態(tài)及失效率數(shù)據(jù)，進而判定是否允許繼續(xù)運行或對同批次絕緣子進行更換[9]。

文獻[8]對運行3～25年的懸式瓷絕緣子進行抽樣檢測，通過工頻擊穿電壓試驗、沖擊擊穿試驗、機電破壞試驗和材料微觀分析試驗，獲得老化絕緣子的電氣、機械特性及材料性能。文獻[9]通過抽樣試驗對高壓懸式瓷絕緣子機電性能評估并制定更換策略。文獻[10-11]抽樣選取了運行25～30年的懸式瓷絕緣子，試驗了剩余電氣、機械強度，分析了其老化現(xiàn)象及失效機理。上述研究雖然是針對輸電線路盤型懸式瓷絕緣子，但其研究方法值得借鑒。

針對瓷絕緣子樣品擬定各種電氣試驗和機械試驗，依據(jù)相應的IEC標準對試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，最終給出不同年限、不同類型瓷絕緣子的運行性能分析結果，并確定在役絕緣子的運行策略。

2.2 絕緣子信息

選用的瓷絕緣子分為平腕臂和斜腕臂用兩種棒形瓷絕緣子。該絕緣子運行環(huán)境為南方沿海城市，濕度、溫度、鹽霧密度較高，試驗中不考慮高海拔環(huán)境以及絕緣子覆冰問題。

為了提高試驗結果的可靠性，選擇7個同一運行年份下的同批次同型號瓷絕緣子，總計42只腕臂用瓷絕緣子作為試驗研究對象。絕緣子樣品信息如表1、表2所示。

表1 平腕臂用棒形瓷絕緣子樣品信息

表2 斜腕臂用棒形瓷絕緣子樣品信息

3 絕緣子試驗

針對腕臂瓷絕緣子的運行工況，將試驗分為外觀特性、機械性能及電氣性能三部分。由于每組絕緣子的數(shù)量有限，因此基于非破壞性-破壞性的原則進行試驗。首先進行外觀特性、鋅層厚度、絕緣電阻率等基礎項目；然后依次進行工頻干耐壓/閃絡、泄漏電流、工頻濕耐壓/閃絡、雷電沖擊、人工污穢等電氣試驗；最后每組選擇4只絕緣子進行機械破壞試驗，另外3只絕緣子先進行疲勞試驗，再進行破壞試驗。具體試驗方案如圖2所示。

圖2 試驗方案

3.1 外觀特性試驗

外觀試驗是判斷絕緣子狀態(tài)的首要項目，可決定絕緣子能否繼續(xù)運行。外觀試驗包括釉面觀察、金具等部件鋅層厚度檢查等。現(xiàn)場取樣發(fā)現(xiàn)絕緣子外觀良好，金具及傘裙釉層狀況較為良好，無明顯污穢。

3.1.1 釉面缺損試驗

平腕臂絕緣子釉面缺損很少，表3為斜腕臂絕緣子釉面缺損結果。隨著運行年限增長，釉面缺損近似線性增長。由于斜腕臂絕緣子更靠近地面，遭遇飛石飛濺等現(xiàn)象，從而造成釉面缺損幾率更高。

表3 釉面缺損面積測試結果

根據(jù)Insulatorsforoverheadlineswithanominalvoltageabove1000V-Part1:Ceramicorglassinsulatorunitsfora.c.systems-Definitions，testmethodsandacceptancecriteria(IEC 60383-1: 1993)規(guī)定[12]，瓷絕緣子總釉面不應超過:100+D×F/2 000 mm2，單個釉面不應超過:50+D×F/20 000 mm2，其中D為絕緣子最大直徑，F(xiàn)為絕緣子爬電距離。實測總釉面以及單個釉面缺失面積分別為287.58 mm2和68.76 mm2，實際釉面缺損遠小于標準要求。釉面試驗結果滿足標準要求，但隨著使用時間的增加，釉面損傷也有明顯增高。

3.1.2 憎水性試驗

試驗采用Guidanceonthemeasurementofhydrophobicityofinsulatorsurfaces(IEC TS 62073: 2016)規(guī)定[13]的噴霧法。從20 cm ± 10 cm的距離開始噴灑。表面應暴露在霧中10～20 s，在此期間噴灑的水量應足夠使水滴落在傘裙上。在噴涂完成后10 s內進行疏水性測量。測量時應能清楚地看到沿絕緣體及其周圍疏水性的變化，具體試驗結果如表4所示。

表4 表面釉層憎水性測試結果

對照標準，HC1-HC7憎水性遞減，由試驗結果可知，2019年新絕緣子憎水性較高，運行較長時間后憎水性下降，但憎水性本身與運行時間無明顯相關性，主要由表面污穢導致憎水性下降。

3.1.3 鋅層厚度試驗

按照標準規(guī)定[12]的磁力試驗法測定鍍層質量，要求試驗絕緣子鍍鋅層厚度不小于70 μm。試驗結果如表5所示，平均鋅層厚度遠大于70 μm，不同類型不同使用年限絕緣子均滿足要求。

表5 鍍鋅層測試結果

由2.1節(jié)試驗結果可知，長期運行造成瓷絕緣子釉面有一定程度退化、鋅層厚度降低，但依然滿足標準要求，因此需要進行后續(xù)電氣及機械性能試驗，分析絕緣子其它性能是否劣化嚴重。

3.2 電氣性能試驗

3.2.1 絕緣電阻試驗

參照標準規(guī)定[14]，27.5 kV絕緣子的絕緣電阻應大于300 MΩ。

實際工況下，在絕緣子未發(fā)生外絕緣擊穿以及零值絕緣子的情況下可以保證極高的絕緣電阻。因此，從表6所示的實測結果可知絕緣電阻遠高于標準要求。絕緣電阻隨著運行時間先快速下降，而后緩慢下降。經過所有電氣試驗后，再測量絕緣電阻，均大于1 TΩ，也遠高于標準要求。

表6 絕緣電阻測試結果 TΩ

3.2.2 雷電沖擊耐受電壓試驗

依據(jù)標準[15]對雷電沖擊波的要求，該試驗的實際雷電波形為波前時間1.2 μs，半波峰 501.2 μs。待測的每只絕緣子進行15次200 kV雷電沖擊耐受試驗。所有試驗絕緣子均未發(fā)生閃絡及擊穿現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 雷電沖擊電壓電流波形

3.2.3 工頻耐壓試驗

工頻耐壓試驗包括干耐壓以及濕耐壓。試驗條件如下。室溫：td=28.5 ℃，tw=23.2 ℃；大氣壓力為101.2 kPa；水電阻率為100 Ω·m，雨水量為1.2 mm/min；工頻干耐受及濕耐受系數(shù)Kt=1.009。

根據(jù)工頻耐壓試驗方法及判定標準[16]規(guī)定：試驗時，先施加約75%的規(guī)定試驗電壓，然后以每秒約2%試驗電壓的速率上升至規(guī)定的110 kV耐受電壓，保持1 min，不應發(fā)生閃絡或絕緣體擊穿，然后迅速降壓。試驗60 s后未破壞則滿足耐受試驗要求。

在工頻濕耐壓試驗前，需要用規(guī)定的電阻率和溫度的水噴淋樣品，在規(guī)定的容差范圍內至少不間斷預淋15 min。試驗電壓應為試驗時大氣條件校正過的規(guī)定的工頻濕耐受電壓。

工頻耐受電壓試驗結果表明：施加110 kV電壓1 min后未出現(xiàn)閃絡或擊穿現(xiàn)象。

3.2.4 工頻閃絡試驗

試驗時，先施加約75%的規(guī)定閃絡電壓，然后以每秒約2%試驗電壓的速率上升至閃絡，閃絡電壓以5個連續(xù)測定的閃絡值的算數(shù)平均值計算。

由表7的試驗結果可知，絕緣子閃絡電壓遠高于規(guī)定的110 kV耐受電壓，且閃絡電壓隨工作時間增長無明顯下降。

表7 工頻閃絡試驗結果

3.2.5 泄漏電流試驗

依據(jù)標準[15]規(guī)定，所有樣品均應保持初始表面狀態(tài)。對樣品施加25 kV電壓20 min，在蒸汽霧條件下測量泄漏電流。試驗結果如表8所示。

表8 泄漏電流試驗結果

3.2.6 人工污穢耐受試驗

依據(jù)Artificialpollutiontestsonhigh-voltageceramicandglassinsulatorstobeusedona.c.systems(IEC 60507: 2013)[17]，在該標準5 Salt fog method中明確規(guī)定了固體層法的試驗方法及標準。考慮到南方沿海地區(qū)實際以鹽霧、灰為主要污穢來源，因此依據(jù)鹽霧進行定人工污穢耐受試驗。污穢密度：SDD/NSDD=0.1/1.0 mg/cm2。施加25 kV電壓60 min。結果顯示無閃絡或擊穿發(fā)生。人工污穢耐受試驗時的泄漏電流如表9所示。

表9 人工污穢耐受試驗泄漏電流結果

試驗表明，隨著運行時間增長，絕緣電阻下降，工頻閃絡擊穿電壓無明顯變化，泄漏電流增長，但瓷絕緣子性能滿足工作要求且有較大的裕度。

對比表8和表9可知，2003年和2019年的絕緣子人工污穢條件下泄漏電流高于原始狀態(tài)絕緣子泄漏電流，相反1981年的絕緣子人工污穢條件下泄漏電流低于原始狀態(tài)絕緣子污穢電流。結合外觀試驗結果可知，長期運行工況對瓷絕緣子表面釉層造成了一定程度損傷，同時累積污穢是造成絕緣子表面狀態(tài)性能下降的重要因素。

3.3 機械性能試驗

3.3.1 機械破壞試驗

根據(jù)標準規(guī)定[12]選擇試驗方案，施加負荷應平穩(wěn)、迅速地從零增加到約為規(guī)定機械破壞負荷的75%，然后以每分鐘10%～35%規(guī)定機械破壞負荷的速度逐步增加。平腕臂絕緣子抗拉破壞試驗時，絕緣子軸向受力，如圖4所示。斜腕臂絕緣子抗彎破壞試驗時受力方向垂直于絕緣子軸線方向，如圖5所示。

圖4 平腕臂絕緣子抗拉破壞試驗

圖5 斜腕臂絕緣子抗彎破壞試驗

瓷絕緣子抗拉破壞試驗結果如圖6所示。2019年新絕緣子的破壞載荷均高于表1和表2出廠要求的81.7 kN和4.965 kN，3組絕緣子的機械性能穩(wěn)定性均較差。其中，2003年批次絕緣子性能有一定程度劣化，但基本滿足出廠載荷要求。針對1981年投運情況，平腕臂絕緣子抗拉破壞載荷已降至61.59 kN，但遠高于最大工作載荷32.68 kN；斜腕臂絕緣子彎曲失效載荷性能仍接近原廠要求的4.965 kN。

圖6 絕緣子機械破壞試驗結果

3.3.2 機械疲勞試驗

參照鐵標規(guī)定[18-19]進行瓷絕緣子疲勞試驗：分別將瓷絕緣子與腕臂、承力索座、定位器等零件組裝為一套完整的腕臂系統(tǒng)，在承力索座及定位線夾處按照實際線路工況分別施加工作荷載。實際試驗時根據(jù)試驗條件，在斜腕臂管上施加等效荷載進行試驗，等效荷載依據(jù)實際工況計算得出，如圖7所示。

圖7 絕緣子疲勞試驗方法

疲勞試驗條件 試驗荷載及幅值：最大工作荷重±30 %；平腕臂用絕緣子施加載荷為9.8 kN，斜腕臂用絕緣子施加載荷為307 N·m；交變波形：正弦波；疲勞頻率：1 Hz；疲勞次數(shù)：50萬次。

試驗后再分別做拉伸破壞荷載及彎曲破壞荷載試驗，方法同2.3.1節(jié)。試驗結果如圖8所示。

圖8 絕緣子疲勞試驗結果

疲勞試驗后的拉伸破壞荷載及彎曲破壞荷載整體上略低于未經疲勞試驗的荷載，但絕緣子性能仍滿足最大工作負載要求。

4 絕緣子性能分析

綜合試驗結果可知，平腕臂和斜腕臂用棒形瓷絕緣子電氣性能劣化較少，機械性能下降明顯但整體滿足絕緣子長期運行要求。平腕臂用絕緣子受力較大，機械性能下降更嚴重，而斜腕臂用絕緣子更靠近地面，導致絕緣子釉層破損程度高且積灰多，泄漏電流等電氣性能下降更為嚴重。

瓷絕緣子由絕緣件和金屬附件用膠合劑膠合或機械卡裝而成。其使用壽命與強度、環(huán)境、應力水平等存在著必然的聯(lián)系。瓷絕緣子具有較低的老化率。造成瓷絕緣子壽命下降的因素主要包括電損傷以及機械損傷。

電損傷主要是由于雷電沖擊、操作過電壓等引發(fā)的電氣故障以及絕緣子污穢或覆冰造成閃絡。電損傷導致絕緣子釉層破損、金屬附件造成外觀破損、內部損傷，并且有數(shù)據(jù)支持絕緣子表層損傷對絕緣子強度下降有最為明顯的作用。

機械損傷主要是長時間的工作環(huán)境，如機械載荷以及熱震、溫度循環(huán)或檢修作業(yè)或其他外力因素導致的機械損傷或機械疲勞。

5 結論

(1)27.5 kV交流制式地鐵線路最長已運行近40年的接觸網(wǎng)瓷絕緣子各方面性能有一定程度退化，但仍有較高的安全裕度，滿足長期工作要求。

(2)長期運行造成瓷絕緣子釉面有一定程度退化、鋅層厚度降低，但依然滿足標準要求。瓷絕緣子電氣性能均滿足要求，但斜腕臂絕緣子由于運行工況惡劣導致釉面損傷較多，電氣性能下降相對較大。同時累積污穢也是絕緣子電氣性能下降的重要因素。

(3)絕緣子機械性能穩(wěn)定性均較差并呈現(xiàn)較大的離散性。平、斜腕臂絕緣子抗拉及抗彎強度隨著運行年限增加呈波動下降趨勢。疲勞試驗后的平、斜腕臂絕緣子抗拉及抗彎強度與運行年限存在一定相關性。但絕緣子各方面機械工作性能整體上仍遠高于最大工作荷載的要求。

(4)依據(jù)重要性排序，機械性能、電氣性能及外觀特性依次影響到瓷絕緣子的運行狀態(tài)。由于機械性能試驗中絕緣子的破壞強度結果具有較大離散性，日常檢修中應加強瓷絕緣子機械性能的定期抽樣試驗。

(5)對運行中的瓷絕緣子采用目視、紅外和電暈成像等技術進行在線檢測[20-21]，并配合針對機械性能的定期抽樣試驗結果，可更好地指導長期運行的接觸網(wǎng)瓷絕緣子更換維護策略的制定。