高鐵車站絕緣節(jié)擊穿機(jī)理及解決方案研究

俞炳杰 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

絕緣節(jié)在電氣化鐵路大規(guī)模發(fā)展之前，主要用于電務(wù)專業(yè)，是分隔閉塞區(qū)間所使用的絕緣部件。隨著鐵路向電氣化、高速化方向發(fā)展，該部件同連接在兩端的扼流變壓器等其他組件一道，承擔(dān)起了分隔閉塞區(qū)間和溝通牽引電流的重任，成為了工電供結(jié)合的主要部位之一。2012年，張德權(quán)發(fā)表文章探討了關(guān)于滬寧高鐵絕緣節(jié)燒熔的問(wèn)題，從此國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)絕緣節(jié)電氣故障開(kāi)展了大量研究工作。徐宗奇對(duì)絕緣節(jié)故障類型進(jìn)行了初步分類，認(rèn)為電壓擊穿和電流拉弧灼傷是絕緣節(jié)故障的主要類型，其中電壓擊穿主要來(lái)自回流線切斷致使鋼軌電位升高，電流拉弧主要來(lái)自車輛經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)切斷輪軌電流。之后畢紅軍和楊世武等學(xué)者通過(guò)推導(dǎo)回路阻抗計(jì)算了絕緣節(jié)兩端的電位差，計(jì)算值均不高，在100 V以下。曹曉斌、唐逢光分析了不同類型機(jī)械絕緣節(jié)的暫態(tài)過(guò)電壓，通過(guò)仿真計(jì)算回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)在輪對(duì)通過(guò)時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓可達(dá)46.6 kV，但沒(méi)有進(jìn)行實(shí)測(cè)。綜上，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)絕緣節(jié)電氣故障的研究主要從電流拉弧燒損角度展開(kāi)，從原理到解決方案進(jìn)行了一系列研究。電壓擊穿類絕緣節(jié)故障因前期研究缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)車組折返相對(duì)較少，動(dòng)車組功率相對(duì)還不高，故障發(fā)生較少，表現(xiàn)形式比較隱蔽等諸多原因，導(dǎo)致很少開(kāi)展研究。國(guó)外高鐵因采用的閉塞原理不同等各方面原因基本不設(shè)有回流斷點(diǎn)，針對(duì)絕緣節(jié)的研究整體較少。

2 絕緣節(jié)電壓擊穿機(jī)理研究

絕緣節(jié)電壓擊穿主要發(fā)生在絕緣節(jié)兩端鋼軌存在較高電位差的情況下，當(dāng)絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌上連接的扼流變壓器通過(guò)中心連接板相互連接時(shí)，一般在工頻及其高次諧波范圍內(nèi)都不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)絕緣節(jié)電氣性能要求的高電位差，電氣性能要求詳見(jiàn)TB/T 2975-2018。但在車站設(shè)置的回流斷點(diǎn)處，扼流變壓器中心連接板拆除，由于回流路徑被打斷，絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌存在產(chǎn)生高電位差的電路條件，絕緣節(jié)處扼流變壓器電路示意圖如圖1所示，圖中實(shí)線方框處導(dǎo)線為中心連接板。近年來(lái)，上海局管內(nèi)回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)故障多發(fā)，本文針對(duì)該部位電壓擊穿故障進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和電位差、電流實(shí)測(cè)，推導(dǎo)故障機(jī)理并提出解決方案。見(jiàn)圖1。

圖1 絕緣節(jié)處扼流變壓器電路示意圖

根據(jù)前期站段提供的相關(guān)信息和現(xiàn)場(chǎng)走訪，發(fā)現(xiàn)回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)擊穿故障表現(xiàn)形式相對(duì)隱蔽，故障在發(fā)生前一般沒(méi)有任何前期表現(xiàn)，故障發(fā)生時(shí)突然出現(xiàn)紅光帶。又因其故障損壞的主要是絕緣節(jié)絕緣薄弱部位，具體位置不特定，可包括夾板整個(gè)邊緣和絕緣節(jié)內(nèi)部，擊穿點(diǎn)有時(shí)小若米粒，一般較難從外觀發(fā)現(xiàn)，給排查鑒別也帶來(lái)較大難度。如圖2所示為回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)擊穿故障的一種典型形式，因絕緣節(jié)內(nèi)部絕緣層一般都選用體積電阻率較高的絕緣材料，雖然絕緣層因結(jié)構(gòu)形式的原因相對(duì)較薄，但絕緣性能都還是比較優(yōu)異的。從圖中分析可知，擊穿是鋼軌與絕緣節(jié)魚(yú)尾夾板金屬邊緣因電壓應(yīng)力產(chǎn)生漏電流進(jìn)而爬弧開(kāi)始的，在戶外沒(méi)有防護(hù)和定期清潔的環(huán)境中，漏電流會(huì)隨著表面臟污、電壓應(yīng)力等外部條件逐漸增大，最后越過(guò)線性增長(zhǎng)區(qū)發(fā)生擊穿故障。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了解基本故障情況后，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)了解回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)兩端鋼軌電位差情況，并通過(guò)該絕緣節(jié)兩側(cè)回流路徑上安裝有中心連接板的扼流變壓器了解兩側(cè)鋼軌上的牽引電流情況，同時(shí)在給該股道供電的牽引變電所供電裝置上也裝設(shè)了電流傳感器。實(shí)測(cè)的各點(diǎn)波形及其頻譜如圖3、圖4、圖5所示，三處波形發(fā)生在同一時(shí)刻，波形發(fā)生時(shí)股道內(nèi)站臺(tái)側(cè)有列車停靠進(jìn)行折返操作。從圖中可見(jiàn)，圖3和圖5的波形和頻率成分基本一致，從回路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，牽引所為電源側(cè)，股道內(nèi)機(jī)車是負(fù)載側(cè)，扼流變和絕緣節(jié)為回流路徑上的器件，由各方相互關(guān)系可知，此時(shí)絕緣節(jié)處電位差來(lái)自負(fù)載側(cè)列車折返操作過(guò)程，經(jīng)與相關(guān)部門人員確認(rèn)，供電單元電流波形為折返過(guò)程中機(jī)車換端合閘時(shí)產(chǎn)生的涌流，因此扼流變與絕緣節(jié)上的波形為涌流導(dǎo)致。

圖2 絕緣節(jié)擊穿故障圖

圖3 牽引變電所供電單元電流波形圖（單位為A）

圖4 站臺(tái)側(cè)扼流變電流波形圖（單位為A）

圖5 回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)兩端電位差（單位為V）

上述現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行期間，實(shí)測(cè)到的回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)總體情況如圖6所示，圖中各值均為峰峰值，電壓?jiǎn)挝粸閂，電流為A，從圖中可見(jiàn)回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)電位差較高，高電位差產(chǎn)生時(shí)站臺(tái)側(cè)都有電流，后經(jīng)與相關(guān)部門核對(duì)，確認(rèn)上述時(shí)刻均有車輛占用股道，電位差最高的幾個(gè)時(shí)刻車輛均停靠在站臺(tái)側(cè)進(jìn)行折返操作。電位差最高點(diǎn)時(shí)刻扼流變壓器處電流波形和絕緣節(jié)電位差波形如圖7、圖8所示。

圖6 回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)測(cè)試數(shù)據(jù)匯總圖

圖7 27日21點(diǎn)16分 扼流變處電流波形（單位為A）

圖8 27日21點(diǎn)16分 絕緣節(jié)電位差波形（單位為V）

從圖中可見(jiàn)，圖7與圖4波形相似，考慮該絕緣節(jié)高電位差也發(fā)生在涌流時(shí)刻，于是對(duì)絕緣節(jié)電位差波形進(jìn)行了細(xì)致觀察，絕緣節(jié)電位差放大圖如圖9所示，從圖中可見(jiàn)除去中間紅圈中超越刻度的7300 V峰峰值外其余波形與絕緣節(jié)電位差圖5一致，因此確認(rèn)該高電位差也發(fā)生在機(jī)車在股道內(nèi)換端合閘時(shí)刻。

圖9 27日21點(diǎn)16分 絕緣節(jié)電位差波形放大圖

據(jù)此分析高電位差產(chǎn)生的原因如下：絕緣節(jié)高電位差可由兩部分組成。一部分由涌流在回流路徑的阻抗上形成，表現(xiàn)為與涌流波形呈很強(qiáng)的相關(guān)性，波形和頻率成分同涌流基本一致，數(shù)值成比例，從波形就可以明確是涌流形成的電勢(shì)差。回流路徑阻抗方面，通過(guò)相關(guān)電務(wù)段獲知測(cè)試地點(diǎn)使用的是BES（K）-1000A扼流變，查閱資料可知，變壓器鐵芯開(kāi)隙厚度0.5 mm，鐵芯有效截面積為80×80 mm，N=N2：N1=24，Rm=51.94 Ω。據(jù)此計(jì)算勵(lì)磁電抗Lm=2mH，二次側(cè)并聯(lián)適配器，折算到一次側(cè)低頻阻抗可以忽略不計(jì)。綜上扼流變?nèi)沃C波和五次諧波阻抗的模分別為1.82 Ω和2.96 Ω。回流路徑需要經(jīng)過(guò)幾組扼流變，總阻抗約為Z=RR+n|ZT|，其中RR為鋼軌電阻，n|ZT|為n組扼流變感抗。設(shè)回流路徑經(jīng)過(guò)三組扼流變，得到絕緣節(jié)兩側(cè)電位差三次分量和五次分量分別約為扼流變處涌流的5倍和8.8倍，如圖7和圖8中紅圈處的對(duì)應(yīng)關(guān)系。絕緣節(jié)高電位差的另一部分也是幅值最高最主要的部分，為合閘操作過(guò)電壓引起的絕緣節(jié)高電位差。表現(xiàn)形式上，此部分高電位差發(fā)生同時(shí)刻也可看到涌流，表明此時(shí)股道內(nèi)車輛正在合閘，但高電位差持續(xù)時(shí)間短，一般為0.5 ms～1 ms，時(shí)間上該高電位差發(fā)生在涌流開(kāi)始瞬間，但波形不能與涌流對(duì)應(yīng)，因?yàn)椴⒉皇怯苛麟娏髟趯?duì)應(yīng)阻抗上回流形成的。機(jī)車合閘產(chǎn)生操作過(guò)電壓的相關(guān)研究有很多，但大多研究的是機(jī)車過(guò)分相時(shí)車網(wǎng)系統(tǒng)的整體情況，主要關(guān)注接觸網(wǎng)和機(jī)車，對(duì)該過(guò)電壓造成的軌電位抬升關(guān)注很少。課題組通過(guò)涌流確認(rèn)機(jī)車合閘，推導(dǎo)出該過(guò)電壓為機(jī)車合閘操作過(guò)電壓在鋼軌和回流線上的表現(xiàn)。機(jī)車合閘操作過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理有相關(guān)研究進(jìn)行了詳述，本文簡(jiǎn)單介紹如下：在車輛啟動(dòng)時(shí)，機(jī)車主斷路器前受電弓已經(jīng)升起，可視為導(dǎo)線。機(jī)車變壓器在主斷路器合閘前失電處于空載狀態(tài)，此時(shí)主電路里的電感和電容元件儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量都為0，閉合斷路器時(shí)，牽引變電所等效電源US通過(guò)接觸網(wǎng)等效電感LS向空載機(jī)車變壓器繞組等效電感LT及回路等效電容CT充電，由于CT值較小，主電路回路中會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩過(guò)程，由此產(chǎn)生操作過(guò)電壓，同時(shí)給機(jī)車變壓器繞組勵(lì)磁的過(guò)程中，由于鐵芯的磁飽和現(xiàn)象有可能出現(xiàn)勵(lì)磁涌流（即本文測(cè)得的涌流）。

前述現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中提到，絕緣節(jié)的擊穿故障主要由爬弧發(fā)展而來(lái)，而爬弧主要由絕緣層兩側(cè)導(dǎo)體的電壓應(yīng)力和環(huán)境污染因素導(dǎo)致，從兩部分絕緣節(jié)高電位差產(chǎn)生的電壓應(yīng)力來(lái)看，涌流引起的電位差相對(duì)較小，一般不超過(guò)500 V峰峰值，數(shù)值的大小與合閘變壓器容量（一般機(jī)車功率越大，變壓器容量越大）、合閘時(shí)變壓器鐵芯中剩磁、合閘時(shí)的相位角等因素有關(guān)，因此對(duì)絕緣節(jié)影響相對(duì)較小。合閘時(shí)的操作過(guò)電壓引起的電位差幅值大，作用時(shí)間短，因此經(jīng)常停靠十六節(jié)編組、大功率換端折返列車的股道，這部分高電位差對(duì)絕緣節(jié)的影響就比較大。因?yàn)楹祥l時(shí)的操作過(guò)電壓主要由合閘瞬間主電路回路中出現(xiàn)的高頻振蕩過(guò)程有關(guān)，機(jī)車功率和編組的不同主要改變的就是機(jī)車變壓器繞組等效電感LT及回路等效電容CT，從而決定高頻振蕩過(guò)程發(fā)生與否，而長(zhǎng)編組大功率的列車不僅在理論上，在實(shí)測(cè)中也更易產(chǎn)生合閘操作過(guò)電壓。

3 解決方案

從絕緣節(jié)工況角度來(lái)看，可將《GB/T 32350.1-2015軌道交通 絕緣配合 第1部分》中的相關(guān)規(guī)定作為絕緣節(jié)改進(jìn)設(shè)計(jì)（應(yīng)用于海拔1 400 m以下）的參考。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的表述，軌道交通應(yīng)用中的絕緣配合主要通過(guò)電氣間隙和爬電距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。電氣間隙是兩導(dǎo)電部分之間在空氣中的最短距離。爬電距離是兩導(dǎo)電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。具體到絕緣節(jié)上，各部分的絕緣配合主要是由絕緣材料的爬電距離來(lái)保證的。標(biāo)準(zhǔn)中給出了設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)時(shí)爬電距離選擇的流程和參考值，圖10給出了爬電距離的選擇流程。

圖10 爬電距離的選擇流程

絕緣節(jié)使用的絕緣材料CTI組別為II，額定絕緣電壓UNm結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)中的定義和前述現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的情況，本文選取測(cè)得的兩側(cè)鋼軌最高電位差值7 300 V峰峰值處的方均根值（周期按20 ms計(jì)算）作為絕緣節(jié)的額定絕緣電壓UNm，經(jīng)過(guò)計(jì)算該值為1 025 V，以此確定爬電距離。據(jù)此設(shè)計(jì)的改進(jìn)型絕緣節(jié)交流耐壓可達(dá)5 000 V，漏電流小于2 mA，其余性能均不低于TB/T 2975-2018的相關(guān)要求，現(xiàn)場(chǎng)試用效果良好，解決了回流斷點(diǎn)處絕緣節(jié)擊穿故障多發(fā)的問(wèn)題。