高速电气化铁路27.5kV绝缘的污闪形成及其机理浅谈

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摘要： 随着我国高速铁路的建设和使用，对牵引供电系统中的绝缘防污处理提出了新的要求，本文就高速电气化铁路27.5kv绝缘的污闪形成及其机理展开浅要探讨。

关键词：电气化铁路 27.5kv绝缘污闪

中图分类号： TM92 文献标识码： A

概述

随着我国高速铁路的建设和使用，对牵引供电系统中的绝缘提出了新的要求。对绝缘子绝缘性能影响的主要因素有：不同的列车速度引起周围不同强度的空气流动，形成列车风，而列车风对绝缘子表面污秽聚集的均匀性产生不同的影响，在列车以300km/h的运行速度下，污秽在绝缘子表面的分布和低速铁路下完全不一样，从而对绝缘子的性能产生不同的影响；同时，为了适应列车速度的变化，不同的绝缘子结构形式和表面材料对绝缘特性也具有不同的影响；由于我国幅员辽阔，不同的地域具有不同的气候特征，不同特征下的气候条件对绝缘子的性能产生不同的影响，比如沿海地区由于盐雾的凝结聚集，在绝缘子表面形成已成盐壳，致使绝缘子的绝缘性能下降；在高速列车形成的列车风作用下，绝缘子表面可能遭到沙粒的磨蚀和破坏下，其作用相当于西北地区风沙对绝缘子表面的风蚀作用，表面釉质逐渐脱落，从而失去绝缘性能。铁路沿线有各种各样的粉尘，粉尘的主要含量不同，对绝缘子绝缘性能也有不同的影响，比如沿海地区绝缘子的污秽主要以盐为主，而在北方干旱地区绝缘子污秽主要以微细尘土为主，而有些线路的污秽粉尘以象煤灰这样的导电金属微粒为主。高速电气化铁路绝缘子表面积污，在恶劣天气下引起绝缘子在正常工作电压下发生污秽闪络，造成大面积、长时间的停电故障，是目前电气化铁路频发性事故之一。对高速铁路运行条件下对27.5kV绝缘的污闪机理进行系统研究，为我国电气化铁路的设计、施工、运营维护提供理论依据，对保证我国电气化铁路牵引供电系统的稳定运行和促进高速铁路的发展具有重要的意义。

1. 高速电气化铁路27.5kV绝缘的污闪机理

1.1绝缘污闪现状

无论输电线路还是高速电气化铁路的绝缘事故不外乎两方面的原因：或由于电压升高，或由于绝缘下降，污闪发生在工作电压之下，因此属于典型的绝缘下降问题。我国的污闪问题有以下几方面的特点：

污秽重（盐密、灰密比国外高得多）

积污时间长（积污降水不同时）

污区大（大面积污染，不是点污染）

以工业污秽为主（国外是海洋为主）

污闪事故的发生受到环境因素的影响较大。由于绝缘子的污染及湿润往往会在较大的范围内同时发生，例如大雾、下雨等，这就使得污闪事故的波及面大，往往造成长时间、大面积的停电事故。在外绝缘闪络造成的电力系统事故中，雷电闪络发生的次数最多，但是污闪造成的损失更大，达到雷闪事故的8至10倍。一般的污闪事故引起的停电可以损失几十万、几百万度电，长时间、大面积的停电事故甚至可以达到上千万度电。在高速电气化铁路系统中，沿线27.5kV绝缘子污闪，将导致变电所跳闸停电中断铁路运输，严重影响运煤专线万吨列车或客运专线的正常运行。

图1绝缘子污闪示意图

目前，世界各国对绝缘子污闪机理开展了大量的研究工作，针对绝缘子分析模型、污闪机理的研究，包括气象因素、人工污秽、绝缘子结构材质、污闪电压的影响以及接触网外绝缘污闪特性等。

1.2绝缘污闪的形成过程

绝缘子表面在长年的户外运行中，不可避免地会变脏、落灰，逐渐积聚一层污秽层，在潮湿天气下，污秽层受潮成为覆盖在绝缘子表面的导电层，最终引发局部电弧并发展成为沿面闪络，成为污闪。高速电气化铁路绝缘子污闪大致可以分为以下几个过程：

① 绝缘子表面沉积污秽

绝缘子表面沉积的污秽物，来源于该地域大气环境的污染，也受到大气条件的自清洗，还与绝缘子本身的结构形状、表面光洁度等因素有着密切关系。长期运行经验表明，在城市工业区及大气污染较为严重的地区，绝缘子表面的积污也较多。

一般来说，距离工业污染源愈远，影响愈弱。绝缘子表面的积污等值盐密可以近似用公式来体现；式中，ESDD为绝缘子表面污秽物等值附盐密度，单位为mg/cm2；L为距离污染源的距离，单位为m；A，B为常数。

污秽物微粒在绝缘子表面的沉积，受到风力、重力、电场力的作用，其中风力是最主要的。重力只对直径较大的微粒起作用，且主要影响污染源附近的绝缘子的上表面。电场力，微粒在交流电场中作振荡运动，作用在中性微粒上的电场力指向电力线密集的一端。

空气的运动速度和绝缘子外形决定了绝缘子表面的气流特性，在光滑表面由于不容易形成涡流，所以微粒运动速度快，不容易降落在绝缘子表面。但是对于具有高棱和深槽的绝缘子下表面附近则易于形成涡流，使得气流速度下降，创造了污秽沉积的有利条件。对于高速电气化铁路，列车运行时产生强大气流的同时，将成为一个移动的污染源，特别是煤专线等，为污秽的积累创造了条件。

另外，绝缘子表面的光洁度也会影响微粒在表面的附着。绝缘子表面光洁度越高，越不易沉积污秽。

② 绝缘子表面污层湿润

大多数污秽物在干燥状态下是不导电的，此时绝缘子的放电电压和洁净干燥时非常接近。只有这些污秽物吸水受潮，在绝缘子表面形成一层导电水膜，绝缘子的闪络电压才会明显降低。长期运行经验表明，雾、露和毛毛雨最容易引起绝缘子的污秽放电，其中雾的威胁性最大。因为大雾条件下，绝缘子表面的污秽可以充分湿润，但是又不致使污层被冲洗掉。

露与雾一样，也能够使绝缘子上下表面都湿润，是极易造成污闪的气候条件，污闪事故多发于凌晨，也与这个时候容易凝露有关。

毛毛雨是稠密而细小的降水，随风漂浮，徐徐下降。其强度为0.05～4mm/h。毛毛雨一般仅能够湿润绝缘子的上表面，在相同条件下其污闪电压要比浓雾条件略高。

③ 绝缘子表面局部放电

在潮湿的气象条件下污秽绝缘子受潮湿润后，污秽物中的可溶物质会逐渐溶于水中，在绝缘子的表面会形成一层导电的水膜，从而构成了沿绝缘子表面导电的通路。沿绝缘子表面流过的泄漏电流是不稳定的，泄漏电流产生的焦耳热效应会使通路附近的水分蒸发。绝缘子表面各处的电流密度是不同的，在悬式绝缘子的脚、帽附近，或棒形支柱绝缘子的杆颈处，电流密度较大，这些部位易形成干区。干区具有很大的表面电阻，从而中断了泄漏电流，沿绝缘子表面的电压分布也随之发生变化。加在绝缘子两端的电压主要由干区承担，当干区某处的场强超过了沿介质表面空气放电的临界场强时，该处就会发生沿面的局部放电。这种跨越干区的放电是不稳定的，呈间歇的脉冲状态。当放电火花熄灭时，由于此时已形成了明显的干区，泄漏电流区的高电阻限制到很小的值，泄漏电流的烘干作用几乎终止，大气的潮气又会使干区重新湿润，从而在某场强较高处又会产生新的放电。放电火花出现的部位是随机的，在一支绝缘子上可能同时出现多个放电火花，这种沿面的放电现象可持续相当长时间。

④ 局部放电发展为闪络

当绝缘子的积污比较严重，绝缘子表面又充分受潮的情况下，会形成跨越干区的电弧放电，电弧呈黄红色并作频繁伸缩的树枝形状，泄漏电流脉冲值可达数十或数百毫安，局部放电的小电弧越强烈，相应的泄漏电流值就越大。当小电弧形成时，原来加在该绝缘子上的较高的电压将转移到其他绝缘子上，电压的分配突变，犹如一个触发脉冲，会促使其他片的绝缘子产生跨越干区的电弧，甚至会迫使整串绝缘子一起串联放电，最终完成闪络。

图2 绝缘子污闪发展过程示意图

1.3绝缘污闪机理

绝缘子积污产生闪络可简化如图3的模型，l为绝缘子表面积污长，x为已出现局部电弧的长，剩余潮湿污层电阻为R，泄漏电流为i，A、n为电弧常数，U为外加电压。则

图3 污闪放电模型

假设绝缘子表面电流分布均匀，湿污层单位长度电阻为，可导出：

局部电弧临界长度，

临界电压或污闪电压，

当发生闪络。闪络电场强度，设为电弧单位长度电阻，则。

所以闪络的临界条件是：单位弧长电阻等于单位长污层电阻，或单位弧长压降等于单位长污层压降。这是直流线路发生污闪的物理数学模型。交流出现污闪的必要条件是电弧熄灭后能重燃。研究表明存或不存在明显熄弧、重燃现象时交流电弧的恢复条件分别为或。

交流污闪的数学模型可表达为：。式中，为电压、电场强度、电流峰值，可见交流闪络的临界条件为最大弧长达到临界长度，但交流电弧需若干周波才能发展到临界弧长。通过上述理想模型可算出绝缘子的污闪电压值；但实际架空线路绝缘子串还存在泄漏电流的电流密度不均匀、绝缘子形状复杂性和表面污层电导率瞬时变化引起剩余潮湿污层电阻等因素，使结果按统计规律有一定的分散性。

2.结语

牵引供电系统受污染的情况相当复杂，防止污闪事故是一个综合技术，必须因地制宜，不能用简单的增大绝缘泄漏比距来解决。在了解高速电气化铁路沿线27.5kV绝缘污闪的形成及其机理的基础上，有利于寻找影响绝缘子积污速率的主要因素，制定合理、有效的铁路型绝缘子污闪治理和防范措施，确保高速电气化铁路安全、可靠运行。

引用文献：

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