1、轨道交通技术学院毕 业 论 文题 目： 电力机车车顶绝缘子耐污情况的分析 作 者： 李 洁 学 号 0815070324 专 业： 电气化铁道技术（电力机车方向） 班 级： 机车 083 班 指导教师： 刘 颖 （讲师） 2011 年 06 月 - 1 -毕 业 论 文 中 文 摘 要电力机车车顶绝缘子耐污情况的分析摘要 本文结合对南京东机务段的实地调研，从电力机车车顶绝缘子的在行车中出现的问题和情况，指出绝缘子的外绝缘电气指标主要有:标准雷电冲击耐受电压,工频干耐受电压,工频湿耐受电压,工频污耐受电压。着重分析与讨论了绝缘子耐污染的情况。 通过对此课题的学习和设计，使学生能更好的理解电力机车
2、电气原理及故障处理方法，掌握电力机车实际运用中的基本专业技能。培养学生运用所学的基础知识和专业知识的能力，提高学生利用所学基本理论和自身具备的技能来综合分析解决本专业相应问题的能力，使学生树立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法，完成电气工程技术人员必须具备的基本能力的培养和训练。关键词 电力机车 车顶绝缘子 闪络 解决措施- 2 -目 录 引言 32 车顶绝缘子闪络原因分析 .43 已采取的措施及效果分析 .54 硅橡胶复合绝缘子的基本性能 541 复合绝缘子外绝缘憎水性机理 .542 运动性能 .5421 憎水性能研究 6422 机械性能研究 6423 老化性能研究 643 有机复
3、合绝缘子的应用与应用效果研究 .75 绝缘子运用效果与存在的问题分析 751 常规绝缘子与新型绝缘子效果上的比较 .752 新型绝缘子存在的问题 .8结 论 9致 谢 .10参考文献 .11- 3 - 引言南京东机务段现有 HXD3 型和 SS4G 型两种机型的电力机车。各型电力机车车顶绝缘子绝缘可靠性不足问题,一直困绕着电力机车的运行管理部门,部分环境污染严重的地区这个问题尤显突出。随着繁忙干线的电气化及客运的快速化,电力机车车顶绝缘子闪络事故造成的损失及社会影响也越来越大。为满足我国铁路向高速、安全、快捷方向发展的要求，保证电力机车在各种气候和工况下安全运行，必需研究制作出机械强度高，绝缘
4、性能好，抗低温，耐污闪并抗覆冰闪络的新型绝缘子，解决绝缘子因污秽、凝露、覆冰等因素造成的爬电及炸裂的问题，从而有效减少机车的机破、临修事故，降低应用部门的维修费用以及减轻操作人员的劳动强度。本文将针对电力机车车顶绝缘子运行故障率偏高情况，研究我国绝缘子的开发与应用情况，指出其在高可靠性的运用要求方面的不足，并分析产生这些问题的根本原因，对目前还不能解决的问题提出解决的措施和想法。2 车顶绝缘子闪络原因分析绝缘子的外绝缘电气指标主要有:标准雷电冲击耐受电压,工频干耐受电压,工频湿耐受电压,工频污耐受电压。就前三项技术指标而言,现用车顶电瓷绝缘子都能够满足运行要求,而最后一项技术指标,则需要商讨了
5、。电气化接触网绝缘子及电力机车车顶绝缘子,不能采用电力系统绝缘子技术标准。这种差异,不仅仅是电压标称值的不同,更是因为两者的工作环境差异太大,这主要是指污秽条件差异太大。电力电网高度相对较高,接触网高度相对较低,不同高度情况,绝缘子表面的积污量差异较大,而且列车运行时积污情况和静止状态积污情况有明显不同。对车顶绝缘子来说,不能参照接触网绝缘子要求来确定耐污条件,因机车是运动的设备,而接触网是静止设备,接触网只需按当地环境、气候条件选择绝缘子并确定维护要求,而电力机车。车顶绝缘子需要适应整个交路内的环境和气候条件。严格来讲,车顶绝缘子污层的均匀性比接触网绝缘子更差。因此,对车顶绝缘子来说,具备足
6、够的耐污能力,是解决绝缘子可靠问题的关键所在。耐污能力,是指在一定的盐密和灰密条件下,绝缘子能够长期承受工作电压的能力。从运行情况看,这一污秽条件的确定,在每年清扫或冲洗一至两次的条件下确保了接触网绝缘子的基本可靠运行。从上述电力机车车顶绝缘子的允许盐密与接触网的相关值比较可知,电瓷车顶绝缘子只能在轻度污秽条件下可靠运行。接触网绝缘子- 4 -的绝缘能力随时间延长积污量增加而逐步下降,而车顶绝缘子的绝缘能力主要由运行区段气候条件和环境污染情况决定。运行情况表明,闪络的绝缘子并不一定是爬电距离最小的绝缘子,每次闪络一般有多种绝缘子同时闪络。由此可知,对车顶绝缘子来说,爬电距离并不是绝缘子耐污技术
7、性能的唯一决定因素,耐污性能还和具体结构及材质有关。3 已采取的措施及效果分析1985 年起,承担京秦线货运任务的丰润机务段为扭转 SS1 型电力机车车顶绝缘子闪络事故较多的被动情况,提出了在绝缘子表面每 20 天涂刷一次硅油的措施。10多年来的运行结果表明,在该区段环境污染不太严重情况下,这一措施是十分有效的,只是地勤人员的劳动强度较大。丰润机务段采取的这一措施正是利用了有机硅材料具有表面憎水性,可提高绝缘子污耐。1990 年左右,清华大学先后研制成功了 RTV(室温硫化硅橡胶)硅橡胶涂料,用于电瓷、玻璃绝缘子的表面喷涂,提高了绝缘子的污耐受电压能力,使用效果良好,并在电力系统得到广泛应用。
8、1997 年左右，RTV 涂料开始在接触网绝缘子和电力机车车顶绝缘子上得到应用。郑州铁路局近 4 年的运用情况表明,该涂料能够有效控制绝缘子的污闪,但使用数年后绝缘子涂层会出现剥离掉块现象,需要周期喷涂,而且喷涂RTV 涂料后的绝缘子不能进行表面除污擦拭,以免涂层剥离。由于这一措施不改变绝缘子的结构,提高绝缘子耐污能力的有效性不如硅橡胶复合绝缘子。2000 年 4 月 3日晨,因遇中雾,在安阳附近,郑州南机务段一台 SS8 型电力机车(当时承担快速列车牵引任务)的电流互感器绝缘子(表面喷涂了 RTV)发生了闪络并炸裂,造成机破,并引发电压互感器瓷套、断路器绝缘子损坏。近年来,硅橡胶复合绝缘子生
9、产技术得到快速发展,这类产品的综合技术水平已基本达到了世界先进水平。4 硅橡胶复合绝缘子的基本性能41 复合绝缘子外绝缘憎水性机理聚四氟乙烯、乙丙橡胶、硅橡胶等材料,都具有较好的表面憎水性,大量科学试验表明,唯有硅橡胶这种材料,在其表面有污秽后,也能使污秽层具有憎水性(这种现象称为憎水性迁移),从而使绝缘子的污耐受电压能力明显高于上述其他材料。- 5 -42 运动性能运动性能的好坏，直接影响车顶绝缘子耐污的能力。421 憎水性能研究憎水性的合成绝缘子表面的闪络路径由数量较多的细长水带与水带间的高阻干区串联组成,临闪状态下,这些干区上能够形成数量较多的局部电弧。如果将绝缘子上施加的电压分为两部份
10、:电弧的阴、阳极压降和剩余污层加电弧弧柱的压降,那么由于闪络路径上的电弧数量多,使绝缘子上总的电弧阴、阳极压降较高,这是合成绝缘子具有优良耐污闪性能的第 1 个原因。临闪前,憎水性表面的电极间存在多组沿电场方向的水带,闪络只是发生在这些组水带中的一组上,因而憎水性表面的剩余污层电阻仅仅是这一组宽度很窄的串联水带的阻值之和,而与周围大量的被高阻干区隔开的水带无关。而且污层的憎水性仅使污层中的少量盐分溶于水带,因此剩余污层电阻较大,而电弧电流较小。相应地,憎性的合成绝缘子表面的剩余污层加电弧弧柱的压降较高,这是合成绝缘子具有优良耐污闪性能的第 2 个原因。422 机械性能研究硅橡胶复合绝缘子,并不
11、是整个绝缘子的材料全部为硅橡胶,只是外绝缘材料为硅橡胶。作为绝缘子,不但应满足电气技术要求,还需满足机械性能要求,同时,应能与外部设备方便、可靠联接。实际运用中的硅橡胶复合绝缘子一般由三部分组成:外绝缘材料、内绝缘材料、两端联接金具。外绝缘材料选用硅橡胶,制成护套和伞盘(可以分体、可以整体;可模压、可注射);内绝缘材料选用引拔玻璃棒作为芯棒,具有高于 600MPa 的抗拉机械强度;两端联接金具一般选用钢材制造,能够与芯棒实现高强度联接(可楔形联接,可压接联接,也可粘接联接),同时能与外部设备按规定联接方式联接(决定于外部联接要求)。423 老化性能研究 硅橡胶也存在老化问题。从已进行的试验看,
12、该材料的使用寿命估计可达2030 年(指在一定的配方、一定的合成工艺条件下。否则,将明显低于这一预计使用寿命)。硅橡胶老化失效有两种方式:憎水性丧失和材料性能劣化。硅橡胶优良耐污性能的寿命,也就是憎水性迁移效应维持的时间。室内试验及目前运行情况表明,- 6 -在一般电气设备的运行寿命期内,硅橡胶复合绝缘子的憎水性没有丧失的迹象,即这种绝缘子的优良耐污性能不会出现明显的长期衰退劣化现象,另外,硅橡胶绝缘子表面憎水性还有暂时消失与恢复的功能。如将硅橡胶浸泡在强碱性水溶液中,或长时间浸在自48来水中,或用溶剂、灰粉反复擦拭其表面,或在沿面放电作用下,也都会使表面憎水性暂时丧失、部分丧失。但在水分或溶
13、剂挥发干净或停止放电后,经过几小时或几天时间,表面憎水性又会逐渐恢复。不过,随着使用时间的延长,恢复憎水性的时间也加长。43 有机复合绝缘子的应用与应用效果研究有机复合绝缘子因其重量轻、机械强度高、表面憎水性强、防污闪性能好和不测零值少维护等优点,在我国电力系统中已运行 11 年。据统计,全国挂网运行有机复合绝缘子已超过四十万支,其发生故障次数占挂网运行总数的 0.53%,按年事故率统计,则不到 0.1%。随着复合绝缘子使用量的增加,其事故日趋增多,表现在雷击闪络、鸟害等不明原因闪络、污闪及机械强度下降等方面。这两年又连续出现了国产和进口复合绝缘子断裂的严重事故。复合绝缘子运行的可靠性须引起高
14、度重视。有机复合绝缘子在运行中憎水性部分或完全丧失及其在高湿度大气条件下运行,是发生不明显闪络的主要原因之一;运行有机复合绝缘子机械强度下降较大,其下降幅值相对 SML 最高达 34.2%;有机复合绝缘子端部附件连接及介面性能较好,运行后其密封效果未见下降,伞套起痕及耐电蚀性能满足运行要求,材料未见老化。但憎水性能达不到要求。5 绝缘子运用效果与存在的问题分析51 常规绝缘子与新型绝缘子效果上的比较与瓷绝缘子性能比较的优点。与瓷绝缘子相比，合成绝缘子的性能比较好，主要表现在：电气性能。工频闪络：合成绝缘子的工频干闪电压略高于瓷绝缘子串的干闪电压，而工频湿闪电压比瓷绝缘子串的略高 15%；雷电冲
15、击闪络：合成绝缘子的雷电冲击放电电压比瓷绝缘子约高 50%；操作闪击闪络：合成绝缘子与标准型和耐污型瓷绝缘子在操作冲击下，干闪和湿闪电压基本相同。合成绝缘子的内绝缘距离和外绝缘距离几乎相等，结构上属于不可击穿型绝缘子，而不存在检测零值绝缘子的问题，从而大大减轻了运行维护的工作量。耐污闪性能。合成绝缘子由于爬距- 7 -较大，伞盘直径较小，并且表面具有憎水性和憎水迁移特性，而具有比瓷绝缘子比较优越的耐污性能。抗老化性能：合成绝缘子的主要构件是硅橡胶护套，硅橡胶由高分子聚合物聚二甲基硅醚用有机过氧化合物进行交链而成。主链由硅氧键构成，硅氧键键能较大，故耐热性能好。而硅橡胶具有良好的耐臭性能，在常温
16、的张力作用下，150ppm 臭氧中，丁丙橡胶立即破坏，而硅橡胶可耐数月而不破坏。其他性能。在机械强度上，棒悬式合成绝缘子是由用玻璃纤维和树脂制成的芯棒来承担机械负荷，其抗张强度比钢材高 1.6 倍，比电瓷高 3 至 4 倍。52 新型绝缘子存在的问题运行情况表明,DG 型系列硅橡胶复合绝缘子虽然可以在比较严重的污染地区可靠使用,但在低温(0左右)天气条件下一旦遇到大雾、冻雨,机车在高速运行中,这种绝缘子表面也会结污冰过多而发生冰闪。冰闪问题是一个有待解决的技术难题。- 8 -结 论关于输电线路闪络的问题的研究已有较大进展，但对于电力机车这类走行设备上绝缘子的类似的问题研究较少。我们应努力借鉴有
17、关研究成果和经验，结合电力机车的特殊情况深入开展研究和试验，积极探索车顶绝缘子闪络的机理、形成条件、影响因素、工频闪络特性等，以便采取有效的技术和措施解决车顶绝缘子闪络击穿问题。另外，有必要综合车顶绝缘子近年来运行的情况，重新制定或修正关于车顶绝缘子的选用、设计以及评价的试验方法和导则，从而提高车顶绝缘子的应用水平和设计生产水平。- 9 -致 谢在本文完成之际，无论我的设计是否能够真的投入使用，这里面每一个控件的绘制，每一行语句的调试，每一段文本的输入之中都有我辛勤的汗水。半年的设计时间虽然短暂，我却从中学到了很多的东西。我由衷地感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励我完成学业的老师、朋友和亲人。
18、特别感谢我的导师刘颖，半年来他在学习、科研上一直对我悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我创造了很多锻炼提高的机会。刘颖老师洞察全局、高屋建瓴，为我的论文的顺利完成指出了很好的方向。还要感谢刘志毅老师，她渊博的知识、宽广无私的胸怀、夜以继日的工作态度、对事业的执著追求、诲人不倦的教师风范和对问题的敏锐观察力，都将使我毕生受益。 在此我谨向我的导师以及在毕业设计过程中给予我很大帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意。- 10 -参考文献1铁道科学研究院,清华大学.合成绝缘子的机电性能研究.高电压技术 1983 (5): 72胡承曦.有机硅生产及应用技术.北京:化工部科技情报研究所 1985. 153吴森
19、纪.有机硅及其应用.北京:科学技术文献出版社 1990.1184杜作栋,陈剑华,贝小来等.有机硅化学.北京:高等教育出版社 19905吴森纪.有机硅及其应用.北京:科学技术文献出版社 1990. 5336李秋英.硅橡胶绝缘子在电力机车上的应用J.铁道机车车辆 1993 (3)7张仁豫.绝缘子污秽放电M.北京:水利电力出版社 1994 8倪宏志.日本有机硅化学工业的变迁及其发展动向.有机硅材料及应用 1994 (6): 19吴光亚.合成绝缘子人工加速老化试验方法的评价.高电压技术 1998 24(4):4710李光亮.有机硅高分子化学.北京:科学出版社 1998 157 11张福林.复合绝缘子外绝缘基材硅橡胶表面的憎水性和憎水迁移性机理分析.华北电力技术 1999 (1):2312吴兴亚,肖勇,等.输电线路不同型式绝缘子特性分析J .高电压技术 2001 27 (3): 7213电力行业绝缘子标准化技术委员会 2001 年工作会议资料R .西安:电力行业绝缘子标准化技术委员会秘书处 200114吴兴亚,肖勇,等.输电线路不同型式绝缘子特性分析J .高电压技术 2001 27 (3): 7215陆国庆.对广东复合绝缘子雷击闪络问题的分析和意见C .复合绝缘子技术与运行 2002 59
