甘永忠



关于接触网分段绝缘器运行问题的探讨

甘永忠

接触网分段绝缘器因其特殊工作环境容易造成损伤，为故障率较高的设备之一，通过对其在各种工作状态下的电气过程进行深入分析，找出分段绝缘器产生电弧的根本原因，并提出解决方案。

接触网；分段绝缘器；受电弓；电弧

0 引言

电气化铁路接触网在站场、专用线等处通常采用独立供电的方式，即不同区段的接触网有不同的回路供电，其末端通过绝缘器件绝缘使其成为独立的供电臂，以起到方便停电检修和缩小故障停电范围等作用。其中接触线由分段绝缘器连接，起到机械连接、电气绝缘和受电弓平滑过渡的作用。

分段绝缘器因其自身结构及工作环境的原因，成为接触网故障率较高的设备之一，主要表现为烧断吊弦、承力索等。目前，业内不少观点认为，因分段绝缘器两侧供电臂阻抗不平衡造成其绝缘部件长期存在“电压差”，并且认为该“电压差”的严重程度是决定电力机车通过时电弧破坏性大小的主要因素。本文重点对分段绝缘器在不同状态下，尤其是电力机车取流通过时的电气过程进行深入探讨，并提出不同的观点。

1 分段绝缘器结构分析

分段绝缘器在接触网中的主要作用为电气绝缘、机械连接并保证受电弓通过时具有良好的过渡状态。按其结构形式可分为2种，一种是主绝缘部件兼具机械连接和受电弓滑道多重作用；另一种是主绝缘部件只起到机械连接作用，不具有受电弓滑道的作用，且额外增设了辅助滑道，安装于主绝缘部件上与受电弓接触，与导电滑道间靠空气间隙绝缘，相对悬空。前者的主绝缘由于长期与受电弓碳滑板接触，极易受到污染而导致工作性能下降，使用寿命较短；后者由于辅助滑板的“悬空”效应，起到空气间隙绝缘作用，即使辅助滑道受到污染也不会影响其绝缘，因此具有较好的性能，使用寿命较长。后者在我国运用的结构形式又可分为2种，一种是运用较为普遍的类似于“吉斯玛”的分段绝缘器，性能相对较好；另一种是德国Adtranz分段绝缘器（如图1所示）。经分析认为，该结构的主要缺陷为整个主绝缘部件与接触导线处于同一垂直面上，位置略高于导线，即正好处于导线与受电弓间产生电弧的正上方，极易受到电弧损伤，这一点可从该设备在实际运行中发生的瓷质主绝缘部件炸裂故障得到验证。

图1 德国Adtranz分段绝缘器

2 分段绝缘器工作状态分析

分段绝缘器两侧的供电臂在变电所（或开闭所）虽然构成2个不同供电臂进行独立供电，但2个供电臂均接引自同一母线，即其“电源”为同一母线。典型上、下行供电臂接线如图2所示。

图2 典型上、行供电臂接线示意图

通常将分段绝缘器工作状态分为供电臂无取流状态、单侧供电臂取流状态和取流通过状态。下面分别进行讨论。

2.1 供电臂无取流状态

供电臂无取流状态是指分段绝缘器两侧供电臂均无电力机车取流，电路原理如图3所示，1、1，2、2分别为供电臂1和供电臂2的线路阻抗、容性电流。尽管2条供电臂线路阻抗存在差异，但此时仅有极小的容性电流，且由于线路阻抗很小，线路上电压降也很小（根据电流、线路阻抗估算，该电压降约在几十伏范围内），对于分段绝缘器来说，其两侧电压差可以忽略。因此，在供电臂无取流状态下，分段绝缘器两侧电压差导致其绝缘损坏的说法不成立。

图3 无取流状态示意图

2.2 单侧供电臂取流状态

如图4所示，单侧供电臂取流状态下，取流侧供电臂因线路阻抗而产生较大的电压降，设分段绝缘器处的电压降为D，取流侧供电臂阻抗为1，机车电流为j，则

D=1j

由于非取流侧供电臂电压降很小，此时，分段绝缘器两侧的电压近似为取流侧供电臂在其位置的电压降。根据机车电流、线路阻抗估算，该电压降约为几千伏，不会影响分段绝缘器的运行安全。

图4 单侧供电臂取流状态示意图

2.3 取流通过状态

取流通过状态为机车在取流状态下从一条供电臂通过分段绝缘器过渡至另一条供电臂，如图5所示。电力机车在取流状态下通过分段绝缘器，对于离开的供电臂相当于“开关”由“合”到“分”断开负荷电流的过程，对于进入的供电臂相当于“开关”由“分”到“合”建立负荷电流的过程，2个过程均会产生电弧，下面将分别讨论。

图5 机车取流通过示意图

2.3.1 受电弓离开原供电臂

受电弓离开原供电臂分段绝缘器导电板的过程，即为两者接触面积即导电截面逐渐变小最终为零的过程。在该过程中，负荷电流使接触部位温度逐渐升高，最终高温部位产生电子发射，引发电弧，符合“热发射”产生电弧的原理，该电弧将在受电弓离开导电板时持续，起到维持电流的作用。

受电弓离开原供电臂分段绝缘器导电板的瞬间，受电弓与导电板之间形成微小间隙，在该间隙中将会产生强大的电场并引起电子发射，引发电弧，符合“场发射”产生电弧的原理。另外，假设原供电臂供给机车的电流为，受电弓离开导电板时，原供电臂电流变化趋势为由降至0，其过渡时间越短，则电流变化率（d/d）越大，根据公式=×d/d，将在线路中产生很大的感生电势，使得导电板与受电弓之间的电场进一步增大，从而更易引发电弧。

2.3.2 受电弓进入新供电臂

随着受电弓与新供电臂导电板逐渐接近，其不断减小的空气间隙中会产生强大的电场引起电弧，但很快随着受电弓与导电板的接触，空气间隙消失，电弧也随即熄灭，因此进入新供电臂时的电弧几乎没有危害性。

2.3.3 关于取流通过状态的分析

虽然上述对电弧产生的具体过程的分析显得较为宏观，但已能充分说明机车在取流状态下通过分段绝缘器时产生电弧的机理。分段绝缘器处电弧为交流电弧，存在不断熄弧和重燃的过程，分段绝缘器导电板与受电弓间的弧隙电压（与分段绝缘器处的电压差相同）在电弧重燃过程中起到主要作用，电压越高，越容易重燃，但该电压不仅与各供电臂阻抗大小有关，还与各供电臂的电流大小有关，如果需要将该电压降低为零，则要求各自供电臂的阻抗与电流的乘积相等。由于实际运行中在2条供电臂的电流相互独立且在很大范围内变动的情况下，即使所谓的2条供电臂长度相同（即阻抗相同），也不能保证在有负荷电流的情况下分段绝缘器处的电压差一定会降低。因此，所谓的两侧供电臂长度差异大造成分段绝缘器处电压差大，并进一步造成电弧危害加大的说法不成立。

分段绝缘器和受电弓熄弧能力均很弱，上述2种电弧形成机理中，由其中一种作用或共同作用引发的电弧都不易迅速熄灭。其自然熄灭过程为：随受电弓远离原供电臂导电板，电弧被拉长，过渡电阻增大，散热空间也随之增大，电弧能量和温度不断降低，当降低至一定程度时，电弧自然熄灭。分段绝缘器上加装了导弧角，导弧角的倾斜方向为背离受电弓运行方向，其作用是为了使电弧在热力作用下上升时尽快被拉长，提升熄弧效果。

3 分段绝缘器产生电弧的根本原因

通过上述分析可以得出，引起分段绝缘器处电弧的根本原因是机车电流，而非分段绝缘器两端之间的电压差。综合其他因素，本文提出以下观点：

（1）在分段绝缘器就近位置设置常闭隔离开关，实现2条供电臂并联，并对分段绝缘器起到旁路作用，一方面，在并联状态下，均衡了2条供电臂的机车电流，机车通过时分段绝缘器处的“开断”电流有所减小，使得电弧能量减弱，电弧危害减轻；另一方面，旁路作用大大降低了机车电流在分段绝缘器导电板与受电弓之间的弧隙电压，从而降低了电弧重燃的可能，对熄弧起到了关键作用，可以有效减轻分段绝缘器处的电弧危害。

（2）机车电流越大，电弧能量越大，越不易熄灭，危害性越大；机车运行越慢，则电弧燃烧时间越长，危害性越大。

（3）站场侧线牵出方向因多为列车出站，车速较慢，牵引电流较大，该处的分段绝缘器受电弧危害较大。

（4）货运机车速度较慢，牵引电流较大，对分段绝缘器的危害也较大，该情况与“机车带电闯分相”时电弧对接触网的危害类似。

4 分段绝缘器电弧危害解决方案探讨

目前分段绝缘器由于受到结构和性能限制，在机车取流通过时产生电弧不可避免，虽然存在电弧能量大小和燃弧时间长短的区别，但也会给接触网设备带来不同程度的损伤。在牵引电流大、通过速度慢的处所，这种损伤经过多次累积，则会产生破坏性的后果。因此，在重点处所如何有效防范电弧危害便成为一个亟待解决的课题，下面对几种可行性方案进行讨论。

4.1 机车断载过分段绝缘器

由于“机车断载过分相”技术已非常成熟，并已实现自动化。借鉴该项技术，在个别重点处所实行“机车断载过分段”将是一个优选方案，只需要在分段绝缘器两侧适当位置设置“断”、“合”等标志以及相关磁感应设备即可。该方案由于提前切断了机车负载电流，从根本上消除了电弧产生的条件，并且极大地改善了分段绝缘器的工作条件，延长其工作寿命，但需要增加机车主断路器“断”/“合”操作，机车失电时间相对较长，需惰行通过分段绝缘器。该方案优点是解决问题彻底，投资小，不改变原供电臂运行方式；缺点是增加机车操作、技术改造涉及工务专业、机车惰行距离较长。

4.2 设置并联开关站

日常运行时，通过“开关站”将分段绝缘器并联短封，减小机车通过时的电弧电流，从而减小电弧能量及危害，“Ｖ”形天窗停电或一条供电臂故障情况下，断开“开关站”相关开关，缩小停电范围，减小不利影响。该方案需增加隔离开关、断路器、保护、远动、交直流设备及相关附属设备，相当于半个分区所。该方案优点是供电臂运行方式灵活、功能完善；缺点是投资大、设备复杂、实施困难、日常运行管理难度大。

4.3 设置并联隔离开关

设置并联隔离开关的原理与“开关站”类似，相当于并联开关站的简易版，取消断路器、保护、远动、交直流设备。该方案优点是设备简单、投资小、满足基本需求、供电臂运行方式相对灵活；缺点是故障跳闸影响范围扩大（就具体供电臂而言，如果经统计其永久故障引起的跳闸数量极低，如每年2次以下，则该影响可忽略）、倒闸需当地操作。

5 结语

在分段绝缘器自身技术性能尚未完全突破的条件下，在重点处所采用“机车断载自动过分段”技术无疑是最经济、最彻底有效的解决方案之一，可有效防范电弧对接触网造成损伤，延长分段绝缘器的运行寿命，同时也不会给机车运行增加过多负担。

其次，就近设置常闭旁路隔离开关，简单有效，在供电臂跳闸数量和概率均较低的情况下，具有很高的实用性和可行性。

[1] 马永翔. 高电压技术[M]. 北京：北京大学出版社，2009.

[2] 刘仕兵. 接触网[M]. 成都：西南交通大学出版社，2013.

The OCS section insulator is liable to be damaged due to its special working environment, and is one of the equipment with higher failure rate; the causes of electrical arcing on the section insulator are found after deep analysis on its electrical process under various working conditions, and relative solutions are provided accordingly.

OCS; section insulator; pantograph; electrical arcing

U225.4

B

1007-936X(2018)03-0019-03

2017-10-02

甘永忠.中国铁路兰州局集团有限公司供电处，高级工程师。

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.006