刚性接触网悬挂瓷绝缘子破裂原因分析及对策

GXF360 2020-06-28

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刚性接触网因其结构简单、性能稳定、对土建净空要求低、日常维护工作量少、无断线风险等优点，近年来在众多地铁线路中得到广泛应用。悬挂瓷绝缘子是刚性接触网系统的主要绝缘部件，如在深圳地铁2号线中该类瓷绝缘子占全线所有绝缘子部件的比例超过90%。悬挂瓷绝缘子的选取及定位点结构设计的好坏直接影响供电系统的运行安全。本文以深圳地铁2号线接触网两起悬挂瓷绝缘子破裂故障为案例，分析该类故障的可能原因，以便对后续线路在绝缘子的材料选取、结构设计、施工、日常维护等方面提供参考意见。

1 刚性接触网悬挂瓷绝缘子破裂原因分析

深圳地铁2号线是深圳地铁首条采用刚性接触网结构的线路，从2010年12月开通至今，接触网系统总体运行状态良好。在2011—2017年6年的运营过程中，因悬挂瓷绝缘子破裂引起了2起接触网跳闸事件，占线路接触网总跳闸故障的50%。悬挂瓷绝缘子破裂造成供电系统短路、列车停运，对线路运营安全,继而对企业和城市形象产生了较大影响。经对现场破裂绝缘子分析，这2起故障中，绝缘子内部均出现了明显的短路痕迹，内部铁件和水泥胶合剂均出现高温融化迹象，如图1所示。

a) 2012年5月事故b) 2014年5月事故

图1 绝缘子故障实物图

通过对悬挂瓷绝缘子破裂原因的分析和绝缘子的负荷计算，经查阅相关资料和归纳总结后，认为引起该2起事故的可能原因是：①绝缘子钢脚铁件腐蚀；②绝缘子弯曲荷载不满足要求。下面就这2个可能原因进行分析。

1.1 绝缘子钢脚铁件腐蚀

经理论分析及查阅相关试验研究资料，长期在潮湿、污秽环境下绝缘子的钢脚会发生严重的腐蚀，其腐蚀主要形式为沿绝缘子瓷表面泄露电流腐蚀和钢脚局部电化学腐蚀。铁件腐蚀后生成三氧化二铁及氢气等生成物，其中,主要生成物的三氧化二铁,经计算,理论上1个单位体积的铁腐蚀后生成约2个单位体积的三氧化二铁。腐蚀后的生成物体积增大，引起铁件体积膨胀，造成绝缘子内部产生较大的膨胀力。同时,电化学腐蚀生成的部分气体累积在铁件与瓷体缝隙之间无法外溢，造成瓷体内部气压增大。因绝缘子瓷体膨胀系数低，当腐蚀加剧时，绝缘子内部压力加大，最终可能造成瓷体膨胀破裂。相关试验资料显示:绝缘子在清洁、干燥的情况下铁件腐蚀速度较缓慢;当绝缘子污秽、潮湿时，腐蚀就会加剧，潮湿环境下钢脚腐蚀速度大约为干燥环境下的10～40倍。当腐蚀累积到一定量时，可能造成绝缘子瓷体内部出现细微裂纹。裂纹会造成绝缘子内部绝缘性能降低，出现内部局部放电，使得瓷体内部温度过高、气压膨胀加剧，最终造成绝缘子破裂。经与绝缘子生产厂家沟通了解到，目前地铁中使用的瓷绝缘子，其生产制作一般参考铁路交流用绝缘子，而城市轨道交通和铁路在电流制式上有本质区别，将铁路交流用绝缘子用于城市轨道交通的直流系统中就会产生众多问题，例如直流对交流绝缘子造成的钢脚腐蚀、瓷体内部电子迁移造成绝缘下降等。因此本文认为，为避免绝缘子破裂这一安全隐患，有必要针对城市轨道交通的电流制式生产专用的直流绝缘子。直流电流对交流绝缘子钢脚腐蚀、离子迁移绝缘下降以及绝缘子破损有大量的案例。除了上文所述深圳地铁发生的2起事故，上海城市轨道交通线路、广州地铁线路也发生过类似的绝缘子破裂事故，破裂的绝缘子均长期处于漏水严重的位置，这些案例对钢脚腐蚀引起绝缘子破裂都是很好的例证。图2为故障绝缘子，其铁件表面已被大面积锈蚀。

图2 故障绝缘子受蚀的钢脚铁件

1.2 绝缘子弯曲荷载不满足要求

经过对绝缘子在运行中理论荷载计算发现,运行中的悬挂绝缘子弯曲荷载无法满足汇流排在温升下伸缩的荷载要求。

1.2.1 绝缘子受力类型

定位绝缘子在运行中的机械荷载主要分为拉伸荷载和弯曲荷载，本文对这2种荷载进行受力分析。表1为深圳地铁2号线设计文件中悬挂绝缘子定标参数。

1.2.2 拉伸荷载

为了最大限度分析悬挂绝缘子的拉伸破坏荷载，本文以最大跨距作为分析样本，悬挂绝缘子在垂直方向上承受的外力主要为接触悬挂的质量及受电弓抬升力，如图3所示。

表1 悬挂绝缘子定标参数(设计文件)

序号名称技术要求1额定拉伸破坏负荷不小于50 kN2额定弯曲破坏负荷不小于9 kN

注：M16代表直径为16 mm的螺栓;其它未标注数据单位均为mm。

图3 悬挂绝缘子垂直方向受力图

绝缘子垂直方向上承受的外力F为:

F=(g1+g2)l-f抬

(1)

式中：

g1——汇流排单位长度质量；

l——汇流排最大跨距；

g2——接触线单位长度质量；

f抬——受电弓抬升力。

式(1)中,g1取6.0 kg/m,l取10 m,g2取1.35 kg/m,f抬取0,可得到绝缘子在垂直方向上承受的最大外力为0.72 kN。表1的设计文件中要求绝缘子的最小拉伸破坏负荷大于50 kN,因此运行中悬挂绝缘子垂直方向上的拉伸负载满足使用要求。

1.2.3 弯曲荷载

为了最大限度分析绝缘子的弯曲荷载，本文假设了几个极限叠加条件：①以线路曲线半径最小的曲线段绝缘子作为分析样本；②拉出值使汇流排产生变形；③样本绝缘子相邻两端定位处线夹卡滞(死固定)。在上述3种极限叠加条件下，定位绝缘子受到的弯曲荷载主要有:因温度变化汇流排产生的伸缩力,受电弓和接触线相对运动时产生的摩擦力,曲线、拉出值因素对绝缘子产生的径向力。因此绝缘子的弯曲荷载F为：

F=F1+F2+F3

(2)

式中：

F——绝缘子的弯曲荷载；

F1——因温度变化汇流排对绝缘子产生的伸缩力；

F2——受电弓和接触线相对运动时产生的摩擦力；

F3——因曲线、拉出值因素对绝缘子产生的径向力。

德钦书松尼姑寺是云南省唯一的藏传佛教尼姑寺院（藏名：塔巴林），也是被命名为“云南省和谐寺观教堂”的佛寺中唯一的尼姑寺。

其中:

F1的计算公式为:

F1=ESφΔT

(3)

式中：

研究组退行性膝关节骨性关节炎患者的临床治疗总有效率(97.14%)经数据统计学软件分析发现比对照组(71.43%)要更高,P<0.05,差异显著;研究组(2.69±1.77分)与对照组(6.32±2.03分)的VAS评分数据指标经数据统计学软件分析发现不存在数据差异意义,P>0.05。

E——汇流排的弹性模量；

企业财务风险就是企业财务管理中产生的风险。对企业进行财务分析，可以有效判断企业管理的方向性，是否和既定的目标产生了偏离，从而提前掌握企业在经营中产生的风险。

本文分别对各类家畜设计问卷，内容包括各环节用工量和使用机械情况等，并于2010年8月在内蒙古、黑龙江、山东、河北、四川和江苏这6个省份，对畜牧养殖农户、养殖场(公司)展开了实地面对面问卷调研，共回收有效样本量485份。以下的研究均基于样本数据。

S——汇流排截面积；

φ——回流排线性膨胀系数；

ΔT——隧道内温度差值。

式(3)中,E取69 000 N/mm2,S取2 214 mm2,φ取2.4×10-5/℃,ΔT取35 ℃,则可得F1=128.3 kN。

F2的计算公式为:

记录手术时间、术中出血量、并发症和置钉失败率，采用腰背痛视觉模拟评分（visual analogue scale,VAS）、Oswestry功能障碍指数（Oswestry disability in⁃dex,ODI）和日本骨科协会（Japanese Orthopaedic As⁃sociation,JOA）评分评定治疗效果。定期复查腰椎正侧位X线片、CT平扫并三维重建，评估椎间融合情况，观察螺钉有无松动、断裂，以及椎间融合器有无移位。

其中，Npair代表一天中整条线路的发车对数；ΔT=|Ttable-Ttravel|,Ttable代表计划时刻表规定的运行时间。

F2=f抬Φ

(4)

式中：

Φ——接触线与碳滑板的摩擦因素。

假说1：本国货币升值降低企业的边际成本和加成率，从而降低了企业产品的出口价格。汇率变动对出口价格的影响主要来自于对边际成本的影响，而对加成率的影响较小。

f抬取140 kN,Φ取0.5,由式(4)可得F2=70 N。

F3的计算公式为:

(5)

式中：

张小云（1988-），男，湖南长沙人，讲师，硕士研究生，研究方向：钢琴表演，湖南涉外经济学院音乐学院钢琴教师。

ΔL1——曲线段汇流排弯曲对绝缘子产生的径向变形量,单位,mm;

ΔL2——拉出值对绝缘子产生的径向平均变形量,单位,mm。

I——汇流排横截面对弯曲中性轴的惯性矩,单位,mm4。

式(5)中,E取69 000 N/mm2，ΔL1取143 mm,ΔL2取96 mm,I取334.16×104 mm4,l取10 m,则可得F3=332 N。

由式(2)可求得，绝缘子的弯曲荷载F=128.4 kN。

表1的设计文件中要求绝缘子的最小弯曲破坏负荷需大于9 kN,而运营中绝缘子弯曲负载在极限条件下为128.4 kN,因此合同对绝缘子弯曲负载的要求远远不能满足运营实际需求。

从对悬挂绝缘子荷载分析发现，在极限情况下，悬挂绝缘子拉伸荷载可以满足线路要求，但是悬挂绝缘子弯曲荷载设计值远远小于线路极限值，该现象需引起高度关注。在刚性接触网系统中，因接触网悬挂装置为刚性悬挂结构，悬挂绝缘子在运行中无法伸缩、移动，为了满足汇流排在温度变化下的自由伸缩，设计要求汇流排与定位线夹之间要有一定的间隙，以便确保汇流排能够自由伸缩。但是在实际运行中，线路曲线半径较大、拉出值偏大、汇流排表面腐蚀、施工缺陷等问题往往会造成汇流排与定位线夹之间产生卡滞，使得悬挂绝缘子弯曲负荷过大，从而导致绝缘子受力破损。

1.2.4 定向分析

绝缘子弯曲破坏过程如下：线夹与汇流排卡滞→温度变化→汇流排温升力超出绝缘子弯曲破坏值→绝缘子拉断破损。对其相关理论参数的分析如下。

文学生产总是关乎文本与历史文化、意识形态的关系，尽管布鲁姆对审美自主性有着近乎偏执的坚守，认为文本作为一个自足体几乎吞没了意识形态性，公开反对实用主义的外部批评，他的误读理论始终暗含一个向外的诉求，真实的情况是总有一些历史的内容溢出了文本的边界。

1) 刚性接触网锚段终端处汇流排温度升高引起的偏移量如表2所示。其中的计算条件参阅了设计文件,分别为:选取的锚段长度为250 m,中心锚结装置设在锚段的中心，取25 ℃作为接触网正常状态下的安装温度。

表2 终端处汇流排温升引起的偏移

温度/℃偏移量/mm温度/℃偏移量/mm560250104530151530353020154045

2) 汇流排与定位线夹发生卡滞时，绝缘子在各温度下的弯曲荷载如表3所示，其中取25 ℃为接触网正常状态下安装温度。

表3 各温度下绝缘子的弯曲荷载

温度/℃弯曲荷载/kN温度/℃弯曲荷载/kN570.682501053.013017.671535.343535.342017.674053.01

3) 某组悬挂绝缘子机械破坏负荷试验结果为:1#、2#、3#、4#样品的弯曲荷载分别为28.2 kN、48.0 kN、36.7 kN和39.7 kN,均满足≥90.0 kN的规定。该破坏参数取自淄博道麦逊绝缘子有限公司2015016编号产品的试验报告。

基本信息包括有关环境量信息、大坝结构与运行状况信息等。具体包括当时的上下游水位、蓄水量、边坡比、水深比（水深与坝高之比）、震中距、坝址烈度、坝轴线方向与震中方位的夹角、当天降水量、泄流方式及下泄流量等。

1.3 原因分析

设计时要求,在汇流排温度变化时，刚性接触网定位装置可以在定位线夹中能自由伸缩。但是在实际运营中,部分定位处汇流排与线夹出现严重卡滞，该情况在日常检修中已多次发现。其主要原因是线夹与汇流排夹口的间隙较小，在汇流排和定位线夹的接触面发生破损、腐蚀、变形,以及拉出值曲率较大等情况时,容易出现机械卡滞。靠近中心锚结处的定位装置由于汇流排温升引起的偏移量较小，且T型头与安装底座、绝缘子与槽钢、线夹与汇流排之间装配尺寸有较小的冗余调节量，因而能够卸载大部分偏移及温升力;但是,在关节处的定位装置,由于汇流排温升引起的偏移量较大，很难通过上述方式得到有效补偿。当汇流排与线夹存在卡滞时,绝缘子受到较大的弯曲荷载，易发生破裂。在潮湿、漏水严重区域，汇流排表面腐蚀较严重，加重了汇流排与定位线夹之间的卡滞。深圳地铁2号线目前尚未发生大面积悬式绝缘子破损，本文认为其原因在于隧道内常年温度在15～30 ℃之间，温差较小，对比表3和表4，汇流排温升荷载分布在绝缘子弯曲破坏荷载之内。此外,深圳地铁定位装置检修频率较高,能够及时发现并处理汇流排与线夹之间的卡滞,大大降低因汇流排与线夹之间的卡滞造成绝缘子破裂的风险。

2 预防绝缘子破裂的对策及建议

本文认为,深圳地铁2号线发生的2起绝缘子破裂事故，可能由绝缘子钢脚铁件腐蚀、弯曲荷载不满足要求共同作用引起的。弯曲荷载不达标是绝缘子破裂的主要原因，因为这2起故障绝缘子的破裂断面均垂直线路方向，断面较平整(见图1)，若主要原因为钢脚腐蚀，则绝缘子破裂的断面应为无规则破裂。绝缘子铁件内部化学腐蚀及弯曲荷载不达标问题可归为材料选取问题,悬挂绝缘子荷载不符合极限温度要求的问题可归为结构设计缺陷。如果这2种问题继续存在，后续可能还会发生类似的悬挂绝缘子破裂故障，则需引起运营单位、设计单位等相关方的高度重视。

2.1 刚性接触网设计建议

1) 悬挂瓷绝缘子的选取。地铁用瓷绝缘子一定要选用直流专用绝缘子，同时绝缘子在设计制造时要满足防钢脚腐蚀、防离子迁移、防钢脚与瓷体结合部分渗水等要求。具体可参考高压配送电直流绝缘子的选取方法。

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2) 优化定位装置的结构设计。通过与绝缘子生产厂家的技术交流，厂家反馈目前绝缘子尺寸达不到满足128.4 kN弯曲荷载的要求，除非加大现有绝缘子的结构尺寸。而加大现有绝缘子尺寸增加需要加大隧道净空，从而将增加土建成本。建议优化现有定位装置的结构形式，可尝试采用可旋转式定位装置抵消汇流排温升应力，其结构形式如图4所示。

2017年市科技局争取省级农业科技计划项目3项，经费220万元；2017年市重点研发计划（农业科技支撑）指南中设立农业新品种选育、现代农业技术、生态农业和生物农业技术、农产品深加工及安全技术等类目，引导常州市农业企业开展科研示范，新增支撑项目25项，下拨经费520万元。所有项目均优先支持校企产学研合作。

图4 可旋转式定位装置

3) 优化拉出值布置。在无外力状态下，汇流排与定位线夹之间的最小间隙约为2 mm左右。该间隙是为了确保汇流排在温度变化状态下能够自由伸缩，确保汇流排与定位线夹之间不会出现卡滞现象。而目前的线路设计过程中一般只考虑拉出值是否满足行车限界要求，未对定位点拉出值进行合理控制，从而导致部分定位处拉出值曲率较大，造成汇流排与定位线夹出现卡滞。本文认为通过在线路设计过程中优化拉出值布置,可显著减小汇流排与定位线夹之间卡滞力，确保汇流排能够在线夹内自由伸缩。