接觸網(wǎng)分段絕緣器的故障分析及防范措施

摘 要：在“大運(yùn)輸”“大整備”的發(fā)展背景下。本文深入探討了接觸網(wǎng)分段絕緣器在運(yùn)轉(zhuǎn)場、貨運(yùn)線路、專用路線及機(jī)車維修線的常見故障，并對這些情況做了詳細(xì)的解析與歸納，提出了一套包括管理策略和設(shè)備解決方案的管理措施。當(dāng)前，我國已經(jīng)擁有各種類型的接觸網(wǎng)分段絕緣器，而如何有效處理其在運(yùn)行過程中的故障已成為現(xiàn)階段接觸網(wǎng)檢查與維護(hù)管理工作亟待解決的關(guān)鍵難題之一。接觸網(wǎng)分段絕緣器主要用于機(jī)車的保養(yǎng)作業(yè)、貨物的搬運(yùn)操作以及特定的車輛進(jìn)出倉庫等場合，同時(shí)也能起到絕緣作用，對接觸網(wǎng)進(jìn)行周期性的檢查和維修等工作。然而，由于我國鐵路混合牽引和部分區(qū)段環(huán)境污染等因素，導(dǎo)致了絕緣元件的服役壽命大幅降低，維修的時(shí)間大幅縮減。

關(guān)鍵詞：分段 故障 分析

1 緒論

目前，中國的鐵路正處于高速發(fā)展階段，電氣化線路運(yùn)營里程持續(xù)增長，列車開行時(shí)速顯著提升，這已成為一個(gè)必然趨勢。為了確保鐵路安全、高效、準(zhǔn)時(shí)、無意外運(yùn)行，對其關(guān)鍵部件—隔離裝置的性能提出了更高的需求。但是，目前各種類型的器件式分段絕緣器在運(yùn)行期間都會出現(xiàn)一些故障，例如絕緣部件破損、與列車受電弓撞擊等，嚴(yán)重縮短了其服役年限。這些故障不但會對車輛的日常運(yùn)行造成嚴(yán)重的危害，而且還會對工作人員的身體和人身造成威脅，出現(xiàn)這些問題的原因一是由于接觸網(wǎng)分段絕緣器工作的外部條件發(fā)生了巨大的變化；二是由于分段絕緣器本身所具有的缺點(diǎn)。

2 分段絕緣器的使用情況

接觸網(wǎng)是架設(shè)在鐵路線路上空向電力機(jī)車供電的特殊形式的供電線路，為確保牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和可變性，同時(shí)為了減少故障的影響程度，我們需要對接觸網(wǎng)設(shè)備按照區(qū)域進(jìn)行電氣分段，而分段絕緣器則是接觸網(wǎng)進(jìn)行電分段時(shí)經(jīng)常采用的一種絕緣設(shè)備，分段隔離設(shè)備是一種特殊的隔離設(shè)備，它把兩個(gè)鄰近的接觸線部分分隔開來，以便進(jìn)行電力分區(qū)。該裝置一般與隔離開關(guān)配合使用，通過獨(dú)立開關(guān)實(shí)現(xiàn)對每一分段的切換，提高了接觸網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性與變化性。通常，在正常條件下，受電弓是帶電通過分段絕緣器的，但是，如果某個(gè)區(qū)段出現(xiàn)了故障或者由于建設(shè)、檢修等原因?qū)е碌耐＿\(yùn)，則需要斷開該區(qū)段分段絕緣器上的隔離開關(guān)，使這一區(qū)域的接觸網(wǎng)斷開，而其它區(qū)域則可以恢復(fù)供電。

在電氣化鐵路區(qū)段，為保障車輛裝卸人員、機(jī)車維修人員及其它工作人員的工作便利與人身安全，接觸網(wǎng)在車站、裝卸線、機(jī)車整備線、車庫線、專用線、車站內(nèi)各車站（如渡線）之間設(shè)置分段隔離裝置，其主要功能是完成同相線路的電氣分區(qū)以及當(dāng)機(jī)車穿越區(qū)間分段時(shí)的負(fù)載傳遞。

3 分段絕緣器的工作現(xiàn)狀

3.1 貨線、專用線

當(dāng)運(yùn)輸?shù)呢浳锪坎粩嘣黾訒r(shí)，鐵路裝卸貨物線中斷供電的時(shí)間也在逐漸延長。此外，當(dāng)兩個(gè)工作間隔時(shí)間之間有較長的休息時(shí)間時(shí)，一些車站會在這段時(shí)間不閉合開設(shè)備，減少了操作流程。

3.2 機(jī)車整備線

隨著運(yùn)輸需求的日益提升及列車數(shù)量的持續(xù)增長，機(jī)車整備線及貨物裝卸線的使用頻率大幅度上升，即使是惡劣環(huán)境中，也必須繼續(xù)執(zhí)行工作。

3.3 機(jī)車出入庫線

由于動力列車在出入庫線路過程中頻繁停車，因此，在運(yùn)行過程中，由于列車的受電弓可能會滯留在區(qū)段的分段絕緣器上，造成了列車在起動過程中，直直接從區(qū)段的分段下方獲得電流。

3.4 運(yùn)轉(zhuǎn)場

在車站等運(yùn)行場所，往往有很多火車經(jīng)停。同時(shí)取流時(shí)，多為重載車，其取流量很大，造成了隔離開關(guān)上的電壓差異很大。在此條件下，為了獲得電流，必須通過高電壓差的分段絕緣器來實(shí)現(xiàn)取流操作。

4 故障原因分析及后果

根據(jù)分段絕緣器的實(shí)際運(yùn)行情況及需求來看，它所面臨的是惡劣環(huán)境下的運(yùn)行，而這并不符合它的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，這是導(dǎo)致分段絕緣器出現(xiàn)問題的主要因素。通過對問題產(chǎn)生機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)：設(shè)備的電氣特性確保了它們能夠穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，然而，當(dāng)分段絕緣器發(fā)生故障時(shí)，大部分都是由絕緣部分的問題引發(fā)的，因此，影響到分段絕緣器功能的關(guān)鍵因素就是削弱了這些設(shè)備的電氣特性。對此，我們總結(jié)出以下幾點(diǎn)可能的原因。

4.1 絕緣滑道與受電弓炭滑板磨擦并附著炭粉，導(dǎo)致絕緣滑板出現(xiàn)閃絡(luò)擊穿的情況

當(dāng)電力機(jī)車受電弓通過分段絕緣器時(shí)，雖然可能會有一些碳粉附著在絕緣滑動片的底面，但是因?yàn)樘疾⒎橇己玫膶?dǎo)電材料，而且其絕緣滑動條比較長，所以在很短的時(shí)間里，絕緣滑動片的漏電流一定會增加，但是不會發(fā)生破壞。在互相磨擦了很久之后，當(dāng)絕緣滑板下面的保護(hù)層被磨損掉之后，暴露出纖維結(jié)構(gòu)，并在這些區(qū)域形成橫向裂縫，這使得炭灰能夠慢慢堆積于此，從而使泄漏電流變大，但仍不至于對地耐壓時(shí)閃絡(luò)擊穿。在極端環(huán)境如雷雨天氣，水珠會在滑板表面積累，然后順著纖維方向滲透至底部，進(jìn)入并且停留在纖維裂痕處，與炭灰一起構(gòu)成了導(dǎo)電路徑。此時(shí)，就會發(fā)生突發(fā)的閃絡(luò)現(xiàn)象，最終導(dǎo)致設(shè)備跳閘。

4.1.1 在分段絕緣器壓差較大情況下，電力機(jī)車受電弓緩慢通過大電流燒斷了絕緣滑

電力機(jī)車在運(yùn)行緩慢并存在大量取流的情況下，如果與一側(cè)導(dǎo)流板非常接近，則可能引發(fā)電弧，因?yàn)閮蓚€(gè)弧根是固定的并且具有強(qiáng)大的電流來維持其燃燒。然而，一旦車輛遠(yuǎn)離另一個(gè)方向，電流會繼續(xù)為受電弓提供電力，從而導(dǎo)致更長的電弧時(shí)間。當(dāng)電弧的熱量足以熔化和拉長絕緣滑板，使得它的載荷降低到低于導(dǎo)線的張力水平時(shí)，它會被撕裂。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在運(yùn)轉(zhuǎn)場或壓力差異大的上行和下行渡口之間。

4.1.2 機(jī)車闖分段

當(dāng)機(jī)車帶電駛?cè)霟o電區(qū)時(shí)，如果受電弓恰好靠近橋式絕緣子，就會發(fā)生電弧灼燒接觸側(cè)的絕緣滑道，相當(dāng)于縮短了絕緣距離。

無電區(qū)起弓后，若弓網(wǎng)處恰好處于集流狀態(tài)，則會使其與集電槽間的絕緣間距變小，極易發(fā)生燃弧，從而使接觸端的絕緣滑動條燒毀。

這兩種情況都是由于駕駛員的錯(cuò)誤而引起的，這些故障都會引起裝置斷電，從而引起重大損失，甚至引起絕緣滑動。

4.1.3 混合牽引和環(huán)境污染的影響

在采用混流方式運(yùn)行的區(qū)段式絕緣裝置，如果經(jīng)常接觸柴油機(jī)車排出的高溫尾氣，其絕緣等級將快速下降。此外，對環(huán)境的影響還會大幅縮短絕緣子的壽命和維護(hù)周期，尤其是在鐵路線旁的水泥工廠或礦區(qū)所產(chǎn)生的灰塵污染中，這些灰塵會慢慢地附著于絕緣子上并隨著下雨天的到來變成導(dǎo)體路徑，從而引發(fā)短路放電現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備斷電。

4.2 吊弦安裝不規(guī)范

一般情況下，接觸網(wǎng)的承力索和接觸線并不位于同一垂面上，通常是斜鏈結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致了絕緣器的吊弦長度在其兩邊有所不同，從而使得它們的負(fù)載能力也各有差異。有可能其中一側(cè)的吊弦承受更大的壓力，進(jìn)而讓絕緣器的工作平面無法與其軌道保持水平，即便從視覺上看似乎是這樣。然而，一旦電力機(jī)車的受電弓經(jīng)過此處，因?yàn)榈跸业牟痪饫Γ赡軙鸾^緣器產(chǎn)生偏移，影響受電弓在絕緣器處的平穩(wěn)過渡。

4.3 分段絕緣器安裝高度過大

分段絕緣器作為一種集中的電氣設(shè)備部件，分段絕緣器的品質(zhì)主要體現(xiàn)在其與接觸線接合的地方，這會因?yàn)樽陨淼闹亓慷鴮?dǎo)致接觸線出現(xiàn)顯著的下降弧形，從而使得分段絕緣器形成一個(gè)大硬點(diǎn)。為了避免這種情況的發(fā)生，所有的分段絕緣器都要求安裝的高度要超過接觸線的高度，例如瑞士的分段絕緣器已經(jīng)設(shè)置了高達(dá)70mm的高度差。這種設(shè)計(jì)可以確保當(dāng)受電弓經(jīng)過的時(shí)候，它的運(yùn)行軌跡能保持與提升后的接觸線相同的高度。但是，根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果顯示，對于速度不超過80km/h且接觸線張力未超出13kN的線路來說，受電弓能夠?qū)崿F(xiàn)的最高抬升幅度僅有大約30mm～40mm，而且這個(gè)數(shù)值在懸掛點(diǎn)的位置還會更加減小，同時(shí)，電力機(jī)車的行駛速度通常較低，所以它們對接觸線的抬升力度也會相對較弱。這就意味著，假如我們把絕緣器安裝得太高的話，則受電弓將在瞬間產(chǎn)生一個(gè)向上的沖擊分量，進(jìn)而引發(fā)打弓現(xiàn)象。

4.4 分段絕緣器的導(dǎo)流銅滑道和絕緣滑道高度并不一致

盡管絕緣器的導(dǎo)流銅滑道和絕緣滑動一般是在施工現(xiàn)場裝配，然而因?yàn)槭艿綀龅丨h(huán)境和操作人員技能的影響，它們之間的連接往往不夠順暢且高度不同。曾經(jīng)發(fā)生在神朔線的例子就是，因其分?jǐn)嘟^緣器中絕緣滑動軌道的高度設(shè)置得太低，導(dǎo)致了在車輛運(yùn)行速度為20公里每小時(shí)的時(shí)候產(chǎn)生了嚴(yán)重的打弓情況，硬點(diǎn)值達(dá)到了30g。

4.5 分段絕緣器的安裝調(diào)整存在方向性的錯(cuò)誤

經(jīng)過檢測車檢測的結(jié)果顯示，我國普遍采用的菱形分段絕緣器在裝配過程中往往出現(xiàn)錯(cuò)誤的方向設(shè)置。當(dāng)電力機(jī)車正面行駛過這些設(shè)備時(shí)，其運(yùn)行相對穩(wěn)定且承受的沖擊較輕微，然而，若電力機(jī)車反向行駛時(shí)，它會遭受較大的沖擊并產(chǎn)生明顯的打弓效應(yīng)。例如，在外福線上位于福州站六道的這個(gè)裝置，如果檢測車以20至30公里的速度正面行進(jìn)，那么它的沖擊加速度約為6g至8g，但如果是逆行的話，就會達(dá)到15g至18g。根據(jù)研究結(jié)果表明，這種差異主要是由分段絕緣器的位置決定的。通常情況下，分段絕緣器一般安裝在懸掛點(diǎn)附近，因?yàn)榇颂幍撵o態(tài)彈跳幅度較高，導(dǎo)致了兩側(cè)接觸線的彈性有區(qū)別。一旦電力機(jī)車分別自這兩個(gè)相反的角度穿過，它們對于接觸線的提升力度也會有所區(qū)別，從而使得接觸線的上升高度發(fā)生變動。在正常情況下的提升程度較低，即電力機(jī)車從接觸線轉(zhuǎn)移到分段絕緣器的導(dǎo)引角度更小，所以產(chǎn)生的沖擊也就越小。而在反向行駛中，接觸線的提升程度更高，同時(shí)電力機(jī)車從接觸線轉(zhuǎn)換到分段絕緣器的導(dǎo)引角度更大，這就造成了更大的沖擊加速度。

4.6 安裝采用的緊線器不標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)過對多個(gè)線路的檢查分析，我們注意到許多地區(qū)選擇利用裝配有下錨功能的緊線器來完成分段和分相絕緣器的安裝調(diào)試工作。然而，這種方法可能導(dǎo)致緊線器過度拉伸并損壞接觸線，從而產(chǎn)生人為的接觸線硬點(diǎn)區(qū)域。所以，建議使用專門設(shè)計(jì)的安裝設(shè)備以確保接觸線被牢固地固定，以便于實(shí)施分段絕緣器的安裝過程。

總之，分段絕緣器故障的表現(xiàn)形式是多種多樣的，除去人為因素外還存在自然老化損壞、外界破壞、惡劣天氣等等，故此在供電系統(tǒng)中安排對其定期巡視，已排除其明顯故障或未表現(xiàn)的故障。

5 解決對策

5.1 加強(qiáng)清掃維護(hù)

針對列車的裝載量及周邊環(huán)境的污染情況，需加大對關(guān)鍵部位的絕緣元件的清洗，并減少其清洗時(shí)間，尤其要采用丙酮對粘有大量碳粉的絕緣滑板底面進(jìn)行高效清洗。

5.2 加強(qiáng)分段絕緣器使用的管理

要采取行之有效的措施加強(qiáng)供電部門、車站及機(jī)務(wù)段員工對其工作狀況的認(rèn)識與了解，同時(shí)要嚴(yán)格按規(guī)范要求的操作規(guī)程進(jìn)行操作，以保證其在良好的運(yùn)行工況下運(yùn)行。此外，我們也應(yīng)該提升電力機(jī)車司機(jī)正確的操控技巧，防止列車在分段下方停車或獲取電能，避免發(fā)生闖分段的情況。

伴隨著鐵路運(yùn)營需求的持續(xù)轉(zhuǎn)變與高速發(fā)展的電氣化軌道系統(tǒng)，對于接觸網(wǎng)電分段設(shè)備的要求變得愈發(fā)復(fù)雜。透過深度研究分段絕緣器的缺陷問題并評估其功能表現(xiàn)，提出有效的解決辦法，這有助于推動我們積極開發(fā)或引入新的分段絕緣器技術(shù)，同時(shí)也能更有效地管理現(xiàn)有的設(shè)備，從而提升電氣化軌道牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備及管理的質(zhì)量。

5.3 現(xiàn)階段可采取的有效措施

5.3.1 加強(qiáng)日常培訓(xùn)

由于各種導(dǎo)線所采用的絕緣材料種類不盡相同，因此，要進(jìn)行分段隔離是一件很有難度的工作。因此，在施工前，要有專門的技術(shù)人員對施工工藝進(jìn)行研究，對施工人員進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，合格后方可上崗。

5.3.2 合理設(shè)置分段絕緣器

在接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，既要兼顧維修斷電的便利性，又要減小事故的停電區(qū)域，還要兼顧機(jī)車、動車組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及調(diào)車操作的需求。

5.3.3 接觸網(wǎng)分段絕緣器的設(shè)計(jì)建議

接觸網(wǎng)分段絕緣器發(fā)生故障很大程度上和設(shè)計(jì)用一定的關(guān)系，因此，管理人員在實(shí)際工作中必須重視設(shè)計(jì)管理，可以減少器件式分段絕緣器的數(shù)量，采用絕緣錨段關(guān)節(jié)進(jìn)行連接，或者采用先進(jìn)的分段絕緣器，這些都是值得考慮的設(shè)計(jì)建議。

5.3.4 研制高可靠性絕緣器

通過研究發(fā)現(xiàn)，我國使用的分段絕緣器在安裝的平穩(wěn)性、受電弓所受的沖擊加速度等方面都比國外的絕緣器可靠性差，這極大地?fù)p害了弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)，所以研發(fā)新型分段絕緣器是必要的。

5.3.5 使用水平尺

在每次安裝完絕緣體后，必須使用適當(dāng)?shù)乃匠邅韺^緣體工作區(qū)進(jìn)行仿真，以保證觸點(diǎn)的穩(wěn)定性和各部件之間沒有硬點(diǎn)。有些不平的滅弧角，可用專門的用具打磨平整，若不能需拆卸后重新安裝調(diào)試。

5.3.6 分配好分段兩側(cè)吊弦的力

要小心地把分段兩側(cè)吊弦的力分配好，以保證各節(jié)間的絕緣體都能承受均勻的應(yīng)力。這樣的話，當(dāng)電力機(jī)車受電弓通過時(shí)，也不會發(fā)生偏離。在設(shè)置分段絕緣器時(shí)，應(yīng)對靠近跨中線的應(yīng)力進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，將絕緣體固定在直截面上，將斜鏈型懸掛變?yōu)橹辨準(zhǔn)剑黾訉?dǎo)線的彈性，這樣就能保證絕緣體兩端的應(yīng)力均衡。

6 結(jié)論

對于接觸網(wǎng)設(shè)備的管理來說，關(guān)鍵部分的運(yùn)行與維護(hù)始終是較為脆弱的部分，我們必須持續(xù)地研究并積累經(jīng)驗(yàn)。而分段絕緣器作為一個(gè)重要的接觸網(wǎng)設(shè)備，在發(fā)生故障時(shí)能夠達(dá)到局部停電要求、縮小故障范圍的重要作用，然而，由于分段絕緣器的失效導(dǎo)致接觸網(wǎng)的事故，這為鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并對交通秩序造成了嚴(yán)重的破壞。因此，處理分段絕緣器的問題已經(jīng)成為牽引供電系統(tǒng)的核心任務(wù)之一。現(xiàn)在，各個(gè)部門都針對這個(gè)問題實(shí)施了一些應(yīng)對策略，預(yù)計(jì)通過強(qiáng)化常規(guī)管理的手段，制訂維修流程及規(guī)范，把分段絕緣器的檢查納入常態(tài)化，同時(shí)提升設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和施工的標(biāo)準(zhǔn)，以防止問題的產(chǎn)生，這樣就能有效解決牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)中因分段絕緣器引發(fā)的弓網(wǎng)事故，確保電氣化鐵道的供電運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]張靈芝，龍劍，嚴(yán)興喜.接觸網(wǎng)設(shè)備檢修與維護(hù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2016.

[2]《鐵路特有工種技能培訓(xùn)教材》編委會.接觸網(wǎng)工[M].北京：中國鐵道出版社，2018.

[3]《牽引供電接觸網(wǎng)運(yùn)行與檢修》編委會.牽引供電接觸網(wǎng)運(yùn)行與檢修[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

[4]中國鐵路總公司.普速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則（TG/GD 115-2017）[Z].北京：中國鐵道出版社，2017.

[5]吉鵬霄，張桂林.電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015（2017重印）.

[6]中國鐵路總公司.鐵路技術(shù)管路規(guī)程（普速鐵路部分）[M].北京：中國鐵道出版社，2016.