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摘要：随着我国电气化铁路高速发展，车顶绝缘子的工作环境更加多样化，要求更加苛刻。为保证电力机车在各种工况下安全运行，本文开展了电力机车车顶复合绝缘子的研究工作。通过分析车顶绝缘子的使用环境，对比瓷绝缘子、玻璃绝缘子及复合绝缘子运行性能，进而对复合绝缘子的外绝缘、内绝缘、上、下嵌件以及其运行维护的优越性进行展开探讨研究，从而提出适应多样化环境的电力机车车顶复合绝缘子的设计方案。
关键词：电气化铁路；电力机车；车顶复合绝缘子
前言
受电弓用车顶绝缘子经历了几个阶段的发展，材料转变主要从传统的瓷、玻璃、向环氧树脂、硅橡胶等新型材料转变。随着近些年国家高速高铁国产化的需要，绝缘子厂家开始对车顶绝缘子进行研制，不同的厂家设计的产品材料各不同、性能各异。本文选用新型复合材料，设计出的电力机车受电弓的复合绝缘子，其机械轻度高，电气性能稳定，可保证电力机车受电弓的支撑安全运行。
1 电力机车车顶复合绝缘子性能要求
1.1电力机车车顶复合绝缘子使用环境
高速列车车顶绝缘子是车顶高压设备的机械支撑部件，同时实现接触网与车顶的高压电气隔离，车顶绝缘子闪络将会导致列车供电中断甚至停运[1]。电力机车车顶复合绝缘子适用于气温条件：-45℃～＋50℃，相对湿度：≤95％（该月月平均最低温度为25℃），海拔高度：≤1500m，最大风速：不大于30m/s，地震烈度：（最高动峰值加速度）0.3 g等气候条件，且能承受正常气象条件下的风、沙、雨、雪天气，偶有盐雾、酸雨、沙尘暴、等气候条件的侵袭。
1.2电力机车车顶复合绝缘子技术参数
1.2.1机械要求
车顶绝缘子作为电力机车车顶的重要绝缘支撑构件，其绝缘强度和机械强度以及技术可靠性方面的要求很高[2]。气机械性能要求为，受电弓支撑绝缘子抗弯负荷：≥16kN；受电弓支撑绝缘子逐个弯曲试验负荷：8kN；抗压缩负荷≥35kN；抗拉伸负荷≥16kN；抗扭力矩≥2kN.m。在额定机械弯曲破坏负荷的70%时，绝缘子的轴线偏移量不大于结构高度的2%，卸载后的偏移量不大于结构高度的1%。
1.2.2 电气要求
额定绝缘电压：AC 30kV；结构高度：≥400mm；爬电距离：≥1200mm；最小电气间隙：≥310mm；最小爬电距离：≥1000mm；雷电冲击耐受电压：≥185kV（峰值）；湿工频耐受电压：≥85kV/min（有效值）；干工频耐受电压：≥100kV/min（有效值）；人工污秽耐受电压：＞32kV；污秽条件满足TB/T 3077.2-2006；人工污秽试验方法按照标准GB 4585-2004执行；重量：≤10kg。
1.2.3其他要求
绝缘子结构高度400±2mm；外绝缘伞套单个缺陷面积不应大于25mm2，深度不大于1mm，凸起表面和合模缝应清理平整，凸起高度不大于0.8mm，总缺陷面积不应大于绝缘子总表面积的0.2%；满足标准《TB/T3077.2 电力机车车顶绝缘子第2部分：复合绝缘子》的要求。
2 电力机车车顶复合绝缘子设计
2.1外绝缘选择
国外的高速列车车顶绝缘子多采用环氧树脂体系合成材料绝缘子，如德国的ICE，法国的TGV与AGV[3]。国内目前可选择外绝缘材料有多种方案，可以选择瓷、环氧树脂、玻璃、乙丙橡胶、硅橡胶等，各种材料制作的复合绝缘子优缺点如下：
针对一些典型的安全事故的原因及国内外研究结果，运用空气动力学进行伞型设计，选择交替伞形结构——一大一小，且伞片厚度较标准伞伸出更厚，该设计能抵抗风沙，防止伞裙舞动搭边、撕裂和折断等现象。其经过风洞试验、风沙试验的实际检测发现，此种伞形结构相对于一大两小等伞形更具有稳定性优势，且可减少积污，提高空气中自洁能力，因此设计外绝缘为一大一小的硅橡胶伞形结构。
2.2内绝缘的选择
内绝缘不仅要满足电气性能，更需要承受抗弯、抗压、抗扭等综合负荷，因此，内绝缘的强度事关电力机车受电弓的稳定运行。玻璃纤维采用从美国进口的ECR改性型防酸的无碱玻璃纤维，环氧树脂采用耐酸、耐高温型，经测定完全满足“离子迁移对机械性能影响试验”、“应力腐蚀试验”的要求，此材料不含B2O3，拉伸强度≥1100Mpa，抗弯强度≥500Mpa，水扩散试验中水煮后泄漏电流≤50μA，可以完全满足国家标准及行业标准。
为了满足“额定机械弯曲破坏负荷的70%时，绝缘子的轴线偏移量不大于结构高度的2%，卸载后的偏移量不大于结构高度的1%”的技术指标，选用Ф65加强型玻璃纤维环氧树脂棒，经过理论计算，其70%SCL（11.2kN）时偏移量为5.5mm，偏移量只有结构高度的1.38%，卸载后偏移量为0，其满足标准要求。理论计算如下：
偏移量yB=FL3/3EI=11.2*103*0.43/（3*50*109*3.14*0.0654/64）=0.0055m=5.5mm
试验数据为施加载荷11.2kN，三支试品的偏移量分别为6.8，6.9，7.1mm，，残余偏移量均为0。通过理论计算与实际试验，均表明选择的芯棒规格满足要求，可以放心使用。
2.3上、下嵌件（金具）的设计
金具采用304不锈钢材质，增加其壁厚，保证其抗弯强度及偏移量的要求。304不锈钢材质具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性，冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象（使用温度-196℃～800℃），在大气中耐腐蚀，永不生锈、永不断裂等优点，其可以保证电力机车车顶绝缘子下嵌件与受电弓接触良好，稳定性更好。其表面美观清洁光亮长久耐用无刮痕，使得受电弓看起来更美观。
图1 产品图
3 电力机车车顶复合绝缘子方案实现
3.1压接工艺控制
金具和芯棒的联接采用尺寸配合、压力、压缩量、声发射四种方法监控压接过程，确保产品质量。金具和芯棒的联接采用两次压接工艺，保证产品机械强度稳定可靠，每一个金具压接时均使用超声波探测仪监控压接过程，实现过压报警，欠压显示，数据追溯
3.2外绝缘实现
伞裙-护套材料选用以110-2甲基乙烯基硅橡胶为基体，添加补强剂气相法白炭黑，添加阻燃剂氢氧化铝微粉，添加适量助剂和硫化剂，经混炼，用整体注射工艺在模具中高温高压下使硅橡胶伞裙护套硫化成型，在生产过程中外绝缘部分是通过注射机一次性将胶料注入模具整体硫化成型。通过该工艺成型的产品具备界面最少、人为因素少、产品性能的重现性好等特点，伞裙、护套、包胶三者所用材料都是同一种并且都具有高温硫化胶的优良特点。采用高温硫化硅橡胶整体注射包胶密封，使复合绝缘子金具端部密封可靠性，同时由于金具端部被绝缘的硅橡胶包裹，金具端部无电晕产生，大大延长金具端部密封硅橡胶的老化寿命。
4 电力机车车顶复合绝缘子维护
机车车顶绝缘子与接触网的空间距离十分有限，造成电力机车车顶绝缘子结构高度偏小仅400mm，且爬电距离仅1200mm，因此电力机车车顶绝缘子容易发生污闪事故。机车承受非线性载荷，机车的启动、停止以及受电弓与接触网的接触不良，都可能造成过电压，从而诱发污闪。2013年1月10日，D2031次列车由北京行驶至武汉的途中，发生车顶绝缘子闪络事故导致列车晚点，经过抢修后列车正常行驶，20min后列车车顶再次出现事故致使旅客换成其他列车[4]。因此，电力机车的维护至关重要。
电力机车长期运行与户外，往往需要大范围运输，电力机车也会跟随机车在短时间内发生较大的温度，气候变化。因此，维护电力机车车顶绝缘子也不可疏忽大意。应加强电力机车车顶绝缘子的的清扫，保证运行状态。特别是天气状况比较恶劣的情况下，如气温较低，降雨、雪、雾、大风等天气状况下，机车保证人员应对每台受电弓的支撑绝缘子进行检查，保证受电弓运行良好，受电弓升弓压力复合规定要求。
应加强电力机车复合绝缘子的检测，做到时刻监控，可安装光纤绝缘子，车顶绝缘子检测装置，电流互感器，电压互感器等设备对受电弓运行状况进行监控，快速准确判断车顶高压设备是否接地和绝缘轻强度下降，防止车顶绝缘子闪络造成高压设备接地或车顶绝缘降低，而乘务人员无法判断故障情况，再次升起受电弓造成接触网故障。
5 结论
关于电力机车车顶复合绝缘子的研究已经取得较大进展，但一些比较系统的设计方案及针对某项关键问题的研究还较少。我们应借鉴国内外的先进经验，结合国内的运行经验及研究成果，不断提高电力机车复合绝缘子的设计水平，使之运行更加安全可靠。另外，应每过几年更新一次电力机车复合绝缘子的设计规范、试验方法及性能要求，从而提高电力机车复合绝缘子的设计水平。
参考文献：
[1]吴广宁，石超群，张血琴.高速列车车顶绝缘子的研究进展[J].南方电网技术，2016，（03）：71-77+7.
[2]韩克勤.机车车顶高分子复合绝缘子的研究与应用[J].机车电传动，2011，（02）：22-24.
[3]汪淑琴.CRH2型动车组车顶用绝缘子的分析[J].上海铁道科技，2009（4）；43-44.
[4]秦玉龙，王德铎，马欣，袁其刚.电力机车车顶支撑绝缘子污闪研究[J].铁道机车与动车，2015，（09）：32-33+46+8.
作者简介：
李梦园（1988-），男，工程师，工学学士，从事外绝缘研究及开发工作。
论文作者:李梦园,孙娜娜
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/20
标签：绝缘子论文; 车顶论文; 电力机车论文; 硅橡胶论文; 结构论文; 机车论文; 强度论文; 《电力设备》2017年第20期论文;