摘要：通过对运行5年的高速动车组车顶复合绝缘子的型式试验，检验它们的机械、化学、电气性能在运行中的老化程度，为编写电气化铁道车辆的高压电气设备预防性试验提供参考。
关键词：高速动车；复合绝缘子；预防性试验
Abstract：Based on the type tests of 12 post insulators which were mounted at the roof of high speed trains and have been operating for 5 years, the aging conditions of their mechanical, chemical and electrical performances have been known. The results are contributed to the preventive test standard for high voltage power devices of electrical railway vehicles .
Keywords：Electrical high speed trains；Composite insulators；Preventive test
0 引言
电力设备的预防性试验是保证供电可靠性的重要手段。我国电力部门执行的DL/T 596《电力设备预防性试验规程》一直是指导我国电网安全运行的技术措施，对电网的安全经济运行发挥了重要作用。其中硅橡胶复合支柱绝缘子的预防性试验项目和方法经受了多年的考验，证明可以满足电力运行安全需要。近年对硅橡胶伞裙的老化现象开展了进一步的研究，目的是从材料的老化机理出发，对老化特性和老化判断进行量化，能够对绝缘子的使用寿命更准确地进行估计。文献[1][6]认为可以把憎水性作为老化的主要的判据，文献[2][3]根据环境因素的试验结果认为太阳辐照是老化的主要原因，文献[4][5]则是对近年来硅橡胶伞裙在重污秽环境使用经验的总结。
电气化铁道的27.5kV接触网和电力机车及动车车顶的25kV电力设备与电力公用网在运行工况上有很大不同，一方面铁道沿线和车项的环境污秽比通常的社会环境更为严重，电力设备表面会出现新的积污方式，绝缘结构会发生新的老化机理；另外车辆电力牵引负荷的非线性程度远大于通常的工业设备和民用设备，变频牵引方式使正弦电源波形严重畸变，频繁换相供电方式使接触网电压出现显著的非周期分量，极易引发电力设备事故。除此之外，车载电力设备还要经受持续的机械振动以及风力负荷，以及运行环境的快速转换。因此对于电气化铁道来说，DL/T 596是否适用还要根据电气化铁道的特殊性，通过试验的结果进行验证。本文秉承这个目的设计了验证试验程序，基本思路是根据运行中电气化铁道高压电力设备的可用性要求以及按现行技术标准制造和使用的设备实际能够达到可用性，提出具有最佳经济效益和社会效益的预防性试验标准。作为尝试，本文以高速动车组车顶支柱绝缘子作为研究对象，用抽样的方法进行试验研究。
1 试验内容
针对运行5年后四方厂提供的12只车顶受电弓支持硅橡胶复合绝缘子，对应于铁道部标准行业标准TB/T 3077.2-2006《电力机车车顶绝缘子第2部分:复合绝缘子》，进行全面的电气、机械、老化性能试验。具体试验项目如表1-1所示。
表1-1 试验项目
2 外观检查
12支试品2010年6月投入运行，截止2015年7月已运行5年。12支试品外形规整，外表无明显的缺胶、杂质、凸起等缺陷，颜色为暗红色，光泽较差，表面覆盖有一层很薄的污秽物质，局部污秽较重，呈黑色。典型试品照片见图1-1。
图1-1 典型试品照片
3 电气试验
3.1 绝缘电阻和泄漏电流测量
参照DL474.1-2006《现场绝缘试验实施导则绝缘电阻,吸收比和极化指数试》3.1绝缘电阻中的条目进行试品绝缘电阻的测量。
参照GB50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》17悬式硅橡胶复合绝缘子和支柱硅橡胶复合绝缘子中的条目进行试品泄漏电流的测量。
试验得到各试品绝缘电阻、泄漏电流和吸收比如表3-1所示。
表3-1 绝缘电阻和泄漏电流测试结果
3.2局部放电试验
参照GB 7354-2003《局部放电测量》中的规定，分别测取硅橡胶复合绝缘子在最高工频运行电压和1.5倍的长期运行电压时的局部放电量，判断绝缘状况。
测量时温度为27.0℃，相对湿度为56%。测量结果见表3-2。
表3-2 局部放电试验结果
3.3工频干耐受电压试验
根据GB/T 775.2 《绝缘子试验方法第2部分:电气试验方法》6.3.1工频耐受电压试验的规定进行。耐受试验在校正后的电压下进行。试验中先施加约75%的规定试验电压(83kV)，然后以每秒约2%试验电压的速率上升至规定的耐受电压(110kV)，保持1min，结果12支试样均顺利通过试验。
3.4标准雷电冲击U50%闪络电压试验
根据GB/T 775.2-2003《绝缘子试验方法第2部分:电气试验方法》6.2.2，采用 50%闪络程序的耐受电压试验中的规定进行。
试验过程中未造成闪络的波形与发生闪络的波形，均符合国标要求。
4 憎水性试验
根据GB/T19519-2014《标称电压高于1000V交流系统用悬垂和耐张复合绝缘子定义、试验方法及接收准则》10.3.6憎水性测试的规定进行。
硅橡胶复合绝缘子伞和伞套材料应采用GB/T 24622-2009《绝缘子表面湿润性测量导则》中推荐的方法A—接触角法和方法C—喷雾法（喷水分级法）。对整支绝缘子试品进行了喷水分级法的测量，测量结果见表4-1，试品表面典型的憎水性状态见图4-1。
表4-1整支绝缘子表面喷水分级法测量结果
图4-1试品表面典型的憎水性状态
从1#和2#样品上分别割取3块伞套材料，将其编号为1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3，先用无水乙醇清洗样片表面，晾干后在实验室环境中静置24h，测量各样片的憎水性能。再将1-1、1-2、1-3三个试片置于盛有蒸馏水的玻璃容器中完全浸泡96h，后测量试片的憎水性的减弱特性。测量完毕后，再将上述试品在实验室标准环境条件下静置48h，随后测量其憎水性的恢复特性。通过浸污法进染污处理，随后测量憎水性的迁移特性。憎水性的测量结果见表4-2，典型接触角照片和喷水分级照片分别见图4-2和图4-3。
表4-2 憎水性试验结果
图4-2典型接触角照片图4-3典型喷水分级照片(HC3级)
5 人工污秽耐受试验
试验根据GB/T 4585-2004《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》的规定进行。
试验中采用固体层法，并采用程序B，即仅带电后污层湿润的方法。根据TB/T 3077.2-2006和DL 859-2004进行试验。涂污后的试品照片见图5-1。试验结果见表5-1。
图5-1涂污后的试品照片
表5-1人工污秽试验结果
6 伞套漏电起痕试验
伞套漏电起痕试验根据GB/T19519-2014《架空线路硅橡胶复合绝缘子标称电压高于1000V交流系统用悬垂和耐张复合硅橡胶复合绝缘子定义、试验方法及接收准则》10.3.5伞套材料耐电痕化和电蚀损试验和GB/T 6553-2003《评定在严酷环境条件下使用的电气绝缘材料耐电痕化和蚀损的试验方法》进行。
试验采用GB/T 6553—2003 规定的方法1：恒定电痕化电压法。试验结果见表6-1，试品实物图见图6-1。
表6-1伞套漏电起痕试验结果
图6-1伞套漏电起痕试验试品实物图
7 机械试验
7.1机械振动疲劳老化试验
机械振动疲劳老化试验根据DL/T864-2004《标称电压高于1000V交流架空线路用有机复合硅橡胶复合绝缘子使用导则》B.13机械振动试验方法中的相关规定进行。试验结果全部合格。
7.2弯曲试验
弯曲试验在机械振动疲劳老化试验后进行，试验方法参考TB/T 3077.2-2006《电力机车车顶绝缘子第2部分：复合绝缘子》5 试验方法进行。
试验结果见表7-1。
表7-1弯曲试验结果
7.3 96h弯曲耐受负荷试验
96h弯曲耐受负荷试验根据GB/T 19519-2014《架空线路硅橡胶复合绝缘子标称电压高于1000V交流系统用悬垂和耐张复合硅橡胶复合绝缘子定义、试验方法及接收准则》10.5.2.2 96 h弯曲负荷的检查中的规定执行。在96h弯曲耐受负荷试验完成后进行，试验结果全部合格。
7.4界面试验
1）水煮试验和陡波冲击试验，热机试验
根据GB/T19519-2014《架空线路硅橡胶复合绝缘子标称电压高于1000V交流系统用悬垂和耐张复合硅橡胶复合绝缘子定义、试验方法及接收准则》10.2 界面和端部装配件连接试验以及GB/T22079-2008《标称电压高于1000V使用的户内和户外聚合物硅橡胶复合绝缘子一般定义、试验方法和接受准则》9.2.5 产品规定的预应力和9.2.6验证试验中的相关规定进行。试验结果全部合格。
2）染料渗透试验
试验根据GB/T22079-2008《标称电压高于1000V使用的户内和户外聚合物硅橡胶复合绝缘子一般定义、试验方法和接受准则》9.4.1 染料渗透试验中的相关规定执行。
试验中使用的染色液为还1%的乙醇溶液，试品均带护套。所有10个试品在放入染色溶液中15 min后，均无贯穿渗透情况，结果全部通过试验。
3）水扩散试验
试验根据GB/T22079-2008《标称电压高于1000V使用的户内和户外聚合物硅橡胶复合绝缘子一般定义、试验方法和接受准则》9.4.2 水扩散试验中的相关规定执行。
水扩散试验为了检验芯体材料的耐水侵害能力。将试品置于含0.1%NaCl（重量）的去离子会中煮沸100 ± 0.5h，然后再进行电压试验。结果全部通过试验。
4）老化试验
老化试验根据GB 22079-2008 《标称电压高于1000V使用的户内和户外聚合物绝缘子一般定义、试验方法和接受准则》9.3.2加速气候试验中的规定进行。试验采用荧光紫外灯法，I型紫外荧光灯（UVA-340），模式1（8h干燥，8h凝露）。试验中使用Q-UV SPRAY系列紫外加速耐气候试验机。
为了了解老化前后试品性能的变化，测量了老化前后的憎水性、体积电阻率和表面电阻率（控制测量温度25℃，相对湿度30%），其结果见表7-2。
表7-2老化前后的试品性能
8、绝缘子染污液成分分析
2015年4月24日和2015年8月26日分别对清洗绝缘子的染污液进行成分分析，成分分析委托武汉标谱化学科技有限公司进行，采用红外光谱法、有机质谱仪、元素分析仪、气象色谱-质谱联用仪、综合热分析仪等仪器对污液的成分进行了分析。
报告数据显示，两次送样的样品污染液中均有二氧化硫、氮氧化物、氯化氢等酸性物质，另外还分析出了氨气。降尘的比例分别为0.004%（4月24日送样）和0.002%（8月26日送样）。总有机碳的含量分别为20±5 mg/L（4月24日送样）和15±3 mg/L（8月26日送样），这些碳有可能是动车高速运行过程中撞击绝缘子的昆虫或其他生物留下来的。
9讨论与分析
9.1 试验总结
1)运行后的复合绝缘子绝缘电阻大于2×1010Ω，施加直流2500V电压时的泄漏电流基本小于100nA，满足最基本的使用要求。在最高工频运行电压和1.5倍长期运行电压时的局部放电量基本小于10pC（除去1个异常点），说明绝缘子内部没有产生电气缺陷。另外工频干耐受试验均通过，标准雷电冲击U50%闪络电压均大于210kV，满足TB/T 3077.2-2006的要求。
2) 12支试品的憎水性在HC3~6级左右，大部分为HC4~5级，整体而言憎水性下降较多。各试片的憎水性减弱和恢复特性良好，说明试品在受潮湿润后仍然具有较好的恢复能力。但3个试片憎水性迁移特性均不理想，迁移4 d后的接触角下降较为严重，有一个试片的接触角甚至小于90°。
3)2支试品的人工污秽耐受试验均通过，但应注意到试验过程中放电现象较为严重，放电时对应的泄漏电流也较大，表现出的性能不是太理想。当然试验中使用的不溶物是憎水性迁移较为困难的高岭土，一定程度上增大了试验本身的严苛程度。
4)运行后的绝缘子耐漏电起痕及电蚀损性能通过了1A4.5级，未见有性能下降的趋势。
5)运行后绝缘子的机械性能试验未发现这批绝缘子的机械性能有所下降，符合使用要求。
6)试品通过了所有界面性能试验，说明运行后的绝缘子并未出现任何明显的界面问题。
7)对绝缘子试片进行了1000h紫外加速老化试验，老化后除接触角有些许下降外，憎水性、体积电阻率、表面电阻率等性能并未发生明显变化。
8)从污染液成分分析报告来看，有机覆盖物飞虫尸体等会在绝缘子表面形成油脂等，吸附污物，对绝缘子表面的憎水特性有影响；
9.2结论
1）经过5年的运行考验，12支绝缘子除体积电阻率、憎水性下降较多外，其余电气性能、机械性能、界面性能并未发生明显退化，也未发现诸如伞裙硬化、粉化、有电蚀损痕迹等需要引起注意的老化现象。说明电气试验的周期为5年是可行的；
2）绝缘子全部试片的憎水性迁移特性均不理想，会使外绝缘沿面闪络水平有一定的下降，必须通过交流耐压试验检查下降程度是否威胁到安全运行。高速动车组车顶绝缘子设计时已留有20%以上的耐压裕度，因此预防性试验电压使用出厂试验电压不会损伤绝缘，不需要降低要求；
3）根据GB /T 26218.3-2011《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定第3部分：交流系统用复合绝缘子》要求,试品的爬距是1050mm，运行电压25 kV，爬电比距为42 mm/kV，，对应的是c级污秽等级。而TB 3077.2-2006《电力机车车顶绝缘子第2部分：复合绝缘子》所做人工污秽试验的污秽度为0.4 mg/cm2盐密，2.0 mg/cm2灰密，已超过了污秽等级对应污区的污秽度，说明高速动车组车顶绝缘子的设计污秽水平已达到电气化铁道的实际污秽水平，因此不需要在预防性试验时测量绝缘子上的盐密值。
参考文献:
[1] 屠幼萍、陈聪慧、佟宇梁等，现场运行复合绝缘子伞裙材料的老化判断方法。高电压技术，2012，38(10).
[2] 梁曦东、张轶博、殷禹等，复合绝缘子的5000ｈ多因素试验及长期性能评价。高电压技术，2012，38(10).
[3]成立、梅红伟、王黎明等，复合绝缘子用硅橡胶护套长时间老化特性及其影响因素。电网技术，2016，40(6).
[4] 吴广宁、石超群、张血琴等，T高速列车车顶绝缘子的研究进展。南方电网技术，2016，10(3).
[5] 张冠军、赵林、周润东等，硅橡胶复合绝缘子老化表征评估研究的现状与进展。电器技术，2016，52(4).
[6] 宿志一、陈刚、李庆峰等，G硅橡胶复合绝缘子伞裙护套的老化及其判据研究。电网技术，2006，30(12)
论文作者:黎莎1,贾步超2,黄岳群2,郭晨曦2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/9
标签：绝缘子论文; 电压论文; 硅橡胶论文; 水性论文; 污秽论文; 测量论文; 车顶论文; 《电力设备》2018年第24期论文;