接觸網分段絕緣器放電過程分析研究

田升平

摘 要：本研究借助視頻資料和分段絕緣器弓位示意圖，對機車過分段絕緣器的起弧、燃弧以及電弧的發展過程進行了詳細分析。有斷口分段絕緣器的放電是由空氣間隙形成的貫穿性電弧放電，且不易熄滅;無斷口分段絕緣器放電是沿面放電，對絕緣滑道影響極大。通過對無斷口的菱形分段絕緣器設置屏蔽環，將放電位置轉移到屏蔽環上，可防止絕緣滑道燒毀。通過有限元分析法對絕緣滑道進行電場分析，仿真試驗結果表明，增加屏蔽環的改進型菱形分段絕緣器，其絕緣滑道端部等位線分布圖較傳統菱形分段絕緣器絕緣滑道端部稀疏，且改進型菱形分段絕緣器更不易放電。

關鍵詞：電氣化鐵道;分段絕緣器;放電過程;有限元電場分析

中圖分類號：U225 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0039-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.008

Analysis and Research on Discharge Process of Section Insulator of Overhead Contact System

TIAN Shengping

（China Railway First Survey And Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043， China ）

Abstract：This study through video materials and the section insulator and the pantograph relative position diagrams，this paper analyzes in detail the development process of the igniting，arcing of the section insulator when elextric railway locomotive passes? through a section insulator.The discharge process of the section insulator with opening is mainly a penetrating arc discharge formed by the air gap，which is not easy to extinguish;The discharge process of the section insulator? without opening is mainly discharged along the surface，which has a great impact on the insulated slide.The shielding ring is set for the diamond-shaped section insulator without opening，and the insulated slide can be prevented from burning by transferring the discharge position on the shielding ring;Further，the electric field analysis of the insulated slide is carried out by using the finite element method， the results show that the equipotential line distribution at the end of the insulated slide of the improved diamond-shaped section insulator with shielding ring is thinner than that of the traditional diamond-shaped section insulator， so the improved diamond-shaped section insulator is more difficult to discharge.

Keywords：electrified railway;section insulator;discharge process;finite element electric field analysis

0 引言

分段絕緣器是一種通用的電氣化鐵道電分段絕緣器件，即可對各供電單元進行電氣隔離，又可使機車滑動通過[1]。目前，分段絕緣器在實際運行過程中，存在接觸網硬點、接頭處接觸線磨耗加劇、分段絕緣器絕緣棒燒損等問題。究其原因是分段絕緣器的運行環境比較特殊。分段絕緣器在戶外環境中運行，長期受雨淋日曬等，且在機車通過時會產生強大的沖擊力。尤其是碳元素材料制成的受電弓與接觸網摩擦時會產生碳粉，碳粉在電弧的作用下會逐漸燃燒;在機車通過分段絕緣器時，對間隙或絕緣滑道是一個動態受流過程，放電和拉弧是一個必然過程。

因此，分段絕緣器不僅要具有一定的機械強度和耐機械疲勞的能力，同時還要有防燃弧和滅弧的能力。本研究對分段絕緣器的燃弧過程進行分析，為相關研究的開展提供依據[2]。

1 分段絕緣器的結構

國內外常見的分段絕緣器分為有斷口分段絕緣器和無斷口分段絕緣器[3]。有斷口分段絕緣器的基本結構如圖1所示。

有斷口分段絕緣器的優點是沒有絕緣滑道，不存在沿面放電的問題;缺點是其在長期受到機械沖擊后，容易發生機械疲勞，較長一邊的滑臂會產生較大變形，出現刮弓及打弓問題，嚴重時可能會造成斷線塌網事故[4]。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

無斷口分段絕緣器為菱形結構，基本結構如圖2所示。其優點是結構穩定，安裝方便，但易引發沿面放電，造成絕緣滑道的端部燒毀[5]。

2 分段絕緣器放電過程分析

2.1 分段絕緣器的氣體放電形式

分段絕緣器是一種將空氣作為絕緣介質的典型電氣設備。氣體放電受氣壓、電源功率、電極形狀、電極之間距離等因素的影響，主要有輝光放電、電弧放電、火花放電、電暈放電、刷狀放電5種放電形式。有斷口的分段絕緣器的放電形式有電暈放電和電弧放電兩種，但在大氣條件比較惡劣時，也有可能發生刷狀放電。而無斷口的菱形分段絕緣器主要是沿面放電，放電電壓比電弧放電低。

2.2 分段絕緣器放電過程

在有斷口的分段絕緣器放電過程的視頻中截取到的圖片如圖3所示，從起弧到滅弧全過程約1 s，共計16張圖片。

從圖3可以看出，機車從圖片右側向左行進。第1張圖片有兩個亮點，右側亮點為機車通過第一個斷口時的電弧，持續時間很短，到第2張圖片時右側亮點已經消失;左側亮點為機車通過第二個斷口時電弧，燃弧時間較長。

從圖3中左側放電點放電情況來看，在放電初始時，第2、3張圖片中的電弧發出藍白色亮光;第4～7張圖片中的電弧開始變成不規則團狀并沿平腕臂向下方燃燒，說明受到可燃物及風壓的影響;第8～12張圖片燃燒體向左上方發展，并有明顯的藍白色亮光，這時機車已經完全通過分段絕緣器，失去了風壓作用，為電弧與可燃物自由燃燒過程;在第13～16張圖片中電弧已經熄滅，顏色從亮白色逐步變成橙黃色，脫離分段絕緣器，自由燃燒并逐步熄滅[6]。

對圖3中的圖片進行分析，可以發現：機車在過分段絕緣器時，起弧和燃弧是空氣中可燃物燃燒的現象，并受到機車行駛過程中形成的風壓和大氣環境中風力的影響。空氣中的可燃物主要是受電弓與接觸網摩擦而形成的碳粉。

2.3 分段絕緣器放電特點

分段絕緣器兩端與不同的接觸網電路相連。機車通過時，分段絕緣器與接觸網的空氣間隙先從大變小，再從小變大，間隙的變化導致電場強度變得非常大，使空氣快速電離并瞬間放電。受電弓與接觸網之間是滑動接觸，常伴隨刷狀火花放電。受電弓碳滑板在弓網耦合時，一方面高速運動的可燃碳粉與空氣碰撞引發空氣分子電離，另一方面電弧放電時易形成團狀火苗。

2.4 機車過分段絕緣器的過程分析

氣體放電理論有湯遜放電理論和流注放電理論，分段絕緣器放電過程更適合用流注放電理論來解釋[7]。有斷口分段絕緣器和無斷口分段絕緣器的弓位示意圖見圖4。無論是有斷口分段絕緣器，還是無斷口分段絕緣器，機車過分段絕緣器時有2個重要的位置，即圖4中的弓位1和弓位2。

如圖4（a）所示，有斷口分段絕緣器中的a、b、c、d為導體滑道。受電弓從左到右移動到弓位1時，由于機車負載的原因，受電弓的電壓（即滑道a的電壓）低于滑道d的電壓。在受電弓與滑道d接觸前，先出現火花放電，再出現電弧放電，整個放電過程很快，壓差變化不大，且受電弓會很快滑到與滑道d接觸的位置，受電弓將滑道a、d短接，放電條件不復存在;當受電弓移動到弓位2時，受電弓與滑道a斷開，這是一個復雜的過程，其中包括2個主要問題：①對于與滑道a連接的接觸網來說，這是一個甩負荷的過程，必然會產生較高的過電壓;②在斷開的瞬間，由于系統的慣性，必然要通過電弧來保持續流，這將使周圍空氣快速電離，形成持續的電弧放電，并引起周圍空氣中的可燃物燃燒，從而形成一個電弧與可燃物同時存在的過程，直至自持放電條件被破壞，電弧才會熄滅。圖3中含有藍白色強光的圖片中有電弧的存在，受電弓基本上通過分段絕緣器。圖3中的第12張圖片仍然有電弧存在，說明機車在通過分段絕緣器后，滑道a和c之間的電弧仍持續了0.6 s左右的時間，這是因為空氣中的碳粉有著一定的助弧作用[8]。

如圖4（b）所示，無斷口分段絕緣器中的e、h為導體滑道，f、g為絕緣體滑道。受電弓從左向右移動到弓位1時，由于機車負載的原因，兩側接觸網存在電位差。與帶斷口分段絕緣器不同的是，無斷口分段絕緣器在受電弓與金屬滑道h接觸前，會先沿著絕緣滑道f出現沿面放電，然后出現沿面貫穿性放電。由于受電弓的移動速度很快，當絕緣滑道f兩側的電位相等時，放電條件不存在，這個放電過程會很快結束。當受電弓移動到弓位2時，受電弓與滑道e斷開，這個斷開的過程同樣有2個問題：①對于滑道e連接的接觸網來說，這是一個甩負荷的過程，必然會產生較高的過電壓;②在斷開的瞬間，由于系統的慣性，必然要通過電弧來保持續流，從而快速形成沿面放電，使周圍空氣快速電離，形成持續的沿面貫穿性放電，并引起周圍空氣中的可燃物燃燒，從而形成一個電弧與可燃物同時存在的過程，直至自持放電條件被破壞，電弧才會熄滅[9]。

從這兩種絕緣器的放電過程來看，兩者主要有3個區別：①有斷口分段絕緣器的放電過程主要是由空氣間隙形成的貫穿性電弧放電，而無斷口分段絕緣器的放電過程主要是沿面放電;②在弓位2形成放電后，帶斷口的分段絕緣器是一個棒對棒的絕緣結構，不利于電弧熄滅，而無斷口的菱形分段絕緣器的電極結構會好很多，隨著受電弓的移動，自持放電條件很快被破壞，電弧快速熄滅;③有斷口分段絕緣器的放電間隙通道是一種可恢復的絕緣結構，而無斷口分段絕緣器絕緣滑道的損傷是不可恢復的，多次放電后會對其表面造成損傷，從而影響放電電壓，長期使用會燒壞絕緣滑道[10]。

3 改進型菱形分段絕緣器

3.1 分段絕緣器設置屏蔽環

傳統菱形分段絕緣器的絕緣滑道長期暴露于戶外環境中，絕緣材料的老化及沿面放電是其固有的癥結。在其絕緣滑道兩側設置屏蔽環，如圖5所示。通過采取屏蔽措施，將放電位置轉移到屏蔽體上，這樣可以防止絕緣子表面發生沿面放電，從而避免絕緣滑道被燒毀。

3.2 絕緣滑道電場有限元分析

分段絕緣器安裝于接觸懸掛中，其電場分布受周圍環境的影響較大，主要影響因素有工作支的承力索、接觸線、吊弦布置、導流滑道與絕緣滑道的安裝精度，以及相鄰非工作支的承力索、接觸線距離。導流滑道與絕緣滑道處于同一個水平面時，主要對絕緣滑道水平方向上的電位線分布進行分析。當滑道存在偏斜，兩端接頭線夾等連接零件方位發生變化時，分段絕緣器的電場、電位分布均會發生變化。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

分段絕緣器的絕緣器和間隙電場均屬于開域場，其電場分析和計算難度很大，現僅對菱形分段絕緣器增設屏蔽環前后的絕緣滑道電場情況采用有限元法進行分析研究，如圖6所示。

圖中通過等位線來分析絕緣滑道端部的電場情況，圖6（a）為傳統菱形分段絕緣器絕緣滑道的等位線分析圖，圖6（b）為改進型菱形分段絕緣器絕緣滑道的等位線分析圖。對圖6（a）和圖6（b）進行對比分析，改進型菱形分段絕緣器的絕緣滑道大大降低了分段絕緣器絕緣滑道根部的電場強度，從而提高了分段絕緣器端部電暈放電和火花放電的電壓，這樣將最大場強轉移到絕緣器屏蔽環的外側，即便是出現電暈，也不會傷及絕緣滑道。

4 結語

綜上所述，分段絕緣器的放電過程是一個復雜過程，機車通過第一個斷口或絕緣滑道時，放電過程很快，原則上不會對分段絕緣器造成較大損傷。機車通過第二個斷口或絕緣滑道時，燃弧現象比較嚴重。隨著機車移動，電弧會被拉長，并在空氣中出現可燃物燃燒現象。同時，受到機車通過形成的風壓與自然空氣流動的影響，可燃物對電弧有一定的助燃作用。改進型菱形分段絕緣器在絕緣滑道端部增加屏蔽環后，可有效防止其端部出現電暈、火花放電、沿面放電等問題。

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