高鐵車站絕緣節擊穿機理及解決方案研究

俞炳杰 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 國內外研究現狀

絕緣節在電氣化鐵路大規模發展之前，主要用于電務專業，是分隔閉塞區間所使用的絕緣部件。隨著鐵路向電氣化、高速化方向發展，該部件同連接在兩端的扼流變壓器等其他組件一道，承擔起了分隔閉塞區間和溝通牽引電流的重任，成為了工電供結合的主要部位之一。2012年，張德權發表文章探討了關于滬寧高鐵絕緣節燒熔的問題，從此國內學者對絕緣節電氣故障開展了大量研究工作。徐宗奇對絕緣節故障類型進行了初步分類，認為電壓擊穿和電流拉弧灼傷是絕緣節故障的主要類型，其中電壓擊穿主要來自回流線切斷致使鋼軌電位升高，電流拉弧主要來自車輛經過絕緣節切斷輪軌電流。之后畢紅軍和楊世武等學者通過推導回路阻抗計算了絕緣節兩端的電位差，計算值均不高，在100 V以下。曹曉斌、唐逢光分析了不同類型機械絕緣節的暫態過電壓，通過仿真計算回流斷點處絕緣節在輪對通過時的暫態過電壓可達46.6 kV，但沒有進行實測。綜上，國內學者對絕緣節電氣故障的研究主要從電流拉弧燒損角度展開，從原理到解決方案進行了一系列研究。電壓擊穿類絕緣節故障因前期研究缺乏實測數據，動車組折返相對較少，動車組功率相對還不高，故障發生較少，表現形式比較隱蔽等諸多原因，導致很少開展研究。國外高鐵因采用的閉塞原理不同等各方面原因基本不設有回流斷點，針對絕緣節的研究整體較少。

2 絕緣節電壓擊穿機理研究

絕緣節電壓擊穿主要發生在絕緣節兩端鋼軌存在較高電位差的情況下，當絕緣節兩側鋼軌上連接的扼流變壓器通過中心連接板相互連接時，一般在工頻及其高次諧波范圍內都不會產生超過絕緣節電氣性能要求的高電位差，電氣性能要求詳見TB/T 2975-2018。但在車站設置的回流斷點處，扼流變壓器中心連接板拆除，由于回流路徑被打斷，絕緣節兩側鋼軌存在產生高電位差的電路條件，絕緣節處扼流變壓器電路示意圖如圖1所示，圖中實線方框處導線為中心連接板。近年來，上海局管內回流斷點處絕緣節故障多發，本文針對該部位電壓擊穿故障進行現場調研和電位差、電流實測，推導故障機理并提出解決方案。見圖1。

圖1 絕緣節處扼流變壓器電路示意圖

根據前期站段提供的相關信息和現場走訪，發現回流斷點處絕緣節擊穿故障表現形式相對隱蔽，故障在發生前一般沒有任何前期表現，故障發生時突然出現紅光帶。又因其故障損壞的主要是絕緣節絕緣薄弱部位，具體位置不特定，可包括夾板整個邊緣和絕緣節內部，擊穿點有時小若米粒，一般較難從外觀發現，給排查鑒別也帶來較大難度。如圖2所示為回流斷點處絕緣節擊穿故障的一種典型形式，因絕緣節內部絕緣層一般都選用體積電阻率較高的絕緣材料，雖然絕緣層因結構形式的原因相對較薄，但絕緣性能都還是比較優異的。從圖中分析可知，擊穿是鋼軌與絕緣節魚尾夾板金屬邊緣因電壓應力產生漏電流進而爬弧開始的，在戶外沒有防護和定期清潔的環境中，漏電流會隨著表面臟污、電壓應力等外部條件逐漸增大，最后越過線性增長區發生擊穿故障。通過現場調研了解基本故障情況后，本文通過現場實測來了解回流斷點處絕緣節兩端鋼軌電位差情況，并通過該絕緣節兩側回流路徑上安裝有中心連接板的扼流變壓器了解兩側鋼軌上的牽引電流情況，同時在給該股道供電的牽引變電所供電裝置上也裝設了電流傳感器。實測的各點波形及其頻譜如圖3、圖4、圖5所示，三處波形發生在同一時刻，波形發生時股道內站臺側有列車?？窟M行折返操作。從圖中可見，圖3和圖5的波形和頻率成分基本一致，從回路結構上進行分析，牽引所為電源側，股道內機車是負載側，扼流變和絕緣節為回流路徑上的器件，由各方相互關系可知，此時絕緣節處電位差來自負載側列車折返操作過程，經與相關部門人員確認，供電單元電流波形為折返過程中機車換端合閘時產生的涌流，因此扼流變與絕緣節上的波形為涌流導致。

圖2 絕緣節擊穿故障圖

圖3 牽引變電所供電單元電流波形圖（單位為A）

圖4 站臺側扼流變電流波形圖（單位為A）

圖5 回流斷點處絕緣節兩端電位差（單位為V）

上述現場測試進行期間，實測到的回流斷點處絕緣節總體情況如圖6所示，圖中各值均為峰峰值，電壓單位為V，電流為A，從圖中可見回流斷點處絕緣節電位差較高，高電位差產生時站臺側都有電流，后經與相關部門核對，確認上述時刻均有車輛占用股道，電位差最高的幾個時刻車輛均?？吭谡九_側進行折返操作。電位差最高點時刻扼流變壓器處電流波形和絕緣節電位差波形如圖7、圖8所示。

圖6 回流斷點處絕緣節測試數據匯總圖

圖7 27日21點16分 扼流變處電流波形（單位為A）

圖8 27日21點16分 絕緣節電位差波形（單位為V）

從圖中可見，圖7與圖4波形相似，考慮該絕緣節高電位差也發生在涌流時刻，于是對絕緣節電位差波形進行了細致觀察，絕緣節電位差放大圖如圖9所示，從圖中可見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電位差圖5一致，因此確認該高電位差也發生在機車在股道內換端合閘時刻。

圖9 27日21點16分 絕緣節電位差波形放大圖

據此分析高電位差產生的原因如下：絕緣節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，表現為與涌流波形呈很強的相關性，波形和頻率成分同涌流基本一致，數值成比例，從波形就可以明確是涌流形成的電勢差?；亓髀窂阶杩狗矫?，通過相關電務段獲知測試地點使用的是BES（K）-1000A扼流變，查閱資料可知，變壓器鐵芯開隙厚度0.5 mm，鐵芯有效截面積為80×80 mm，N=N2：N1=24，Rm=51.94 Ω。據此計算勵磁電抗Lm=2mH，二次側并聯適配器，折算到一次側低頻阻抗可以忽略不計。綜上扼流變三次諧波和五次諧波阻抗的模分別為1.82 Ω和2.96 Ω?；亓髀窂叫枰涍^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。設回流路徑經過三組扼流變，得到絕緣節兩側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中紅圈處的對應關系。絕緣節高電位差的另一部分也是幅值最高最主要的部分，為合閘操作過電壓引起的絕緣節高電位差。表現形式上，此部分高電位差發生同時刻也可看到涌流，表明此時股道內車輛正在合閘，但高電位差持續時間短，一般為0.5 ms～1 ms，時間上該高電位差發生在涌流開始瞬間，但波形不能與涌流對應，因為并不是涌流電流在對應阻抗上回流形成的。機車合閘產生操作過電壓的相關研究有很多，但大多研究的是機車過分相時車網系統的整體情況，主要關注接觸網和機車，對該過電壓造成的軌電位抬升關注很少。課題組通過涌流確認機車合閘，推導出該過電壓為機車合閘操作過電壓在鋼軌和回流線上的表現。機車合閘操作過電壓產生的機理有相關研究進行了詳述，本文簡單介紹如下：在車輛啟動時，機車主斷路器前受電弓已經升起，可視為導線。機車變壓器在主斷路器合閘前失電處于空載狀態，此時主電路里的電感和電容元件儲存的磁場能量都為0，閉合斷路器時，牽引變電所等效電源US通過接觸網等效電感LS向空載機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，主電路回路中會出現高頻振蕩過程，由此產生操作過電壓，同時給機車變壓器繞組勵磁的過程中，由于鐵芯的磁飽和現象有可能出現勵磁涌流（即本文測得的涌流）。

前述現場調查中提到，絕緣節的擊穿故障主要由爬弧發展而來，而爬弧主要由絕緣層兩側導體的電壓應力和環境污染因素導致，從兩部分絕緣節高電位差產生的電壓應力來看，涌流引起的電位差相對較小，一般不超過500 V峰峰值，數值的大小與合閘變壓器容量（一般機車功率越大，變壓器容量越大）、合閘時變壓器鐵芯中剩磁、合閘時的相位角等因素有關，因此對絕緣節影響相對較小。合閘時的操作過電壓引起的電位差幅值大，作用時間短，因此經常?？渴澗幗M、大功率換端折返列車的股道，這部分高電位差對絕緣節的影響就比較大。因為合閘時的操作過電壓主要由合閘瞬間主電路回路中出現的高頻振蕩過程有關，機車功率和編組的不同主要改變的就是機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程發生與否，而長編組大功率的列車不僅在理論上，在實測中也更易產生合閘操作過電壓。

3 解決方案

從絕緣節工況角度來看，可將《GB/T 32350.1-2015軌道交通 絕緣配合 第1部分》中的相關規定作為絕緣節改進設計（應用于海拔1 400 m以下）的參考。根據標準的表述，軌道交通應用中的絕緣配合主要通過電氣間隙和爬電距離來實現。電氣間隙是兩導電部分之間在空氣中的最短距離。爬電距離是兩導電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。具體到絕緣節上，各部分的絕緣配合主要是由絕緣材料的爬電距離來保證的。標準中給出了設備絕緣設計時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

絕緣節使用的絕緣材料CTI組別為II，額定絕緣電壓UNm結合標準中的定義和前述現場測試的情況，本文選取測得的兩側鋼軌最高電位差值7 300 V峰峰值處的方均根值（周期按20 ms計算）作為絕緣節的額定絕緣電壓UNm，經過計算該值為1 025 V，以此確定爬電距離。據此設計的改進型絕緣節交流耐壓可達5 000 V，漏電流小于2 mA，其余性能均不低于TB/T 2975-2018的相關要求，現場試用效果良好，解決了回流斷點處絕緣節擊穿故障多發的問題。