（机械工程专业论文）高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发.pdf

湖南大学工程硕士学位论文 摘要 随着列车速度的迅速提高和电气化铁路的广泛铺设，车顶绝缘子的工作环境 更加多样化，要求更加苛刻。近年来绝缘子闪络跳闸事故趋于频繁和严重。为满 足电力机车在各种工况下安全运行，本文开展了高速电力机车车顶用有机复合绝 缘子的研制工作。 本文在分析研究现有车顶绝缘子各种事故原因的基础上，以现在国外进口的 车顶用绝缘子为研制工作样板，对国外进口绝缘子进行了全面分析：用光谱半定 量全分析法、分光光度法和压片法确定了无机填料成分和基本含量；用d s c 、材 料燃烧、萃取、热裂解和色谱质谱分析法确定了有机部分的组成和含量，并对样 品做了介电特性测试试验。在参考国外样品的基础上，自主研发了绝缘子材料配 方和生产工艺：结合耐污闪和抗覆冰闪的理论研究的成果，通过优化设计绝缘子 结构、构造和电场分布计算，大量实验测试了所研制的新型绝缘子发生闪络的条 件等具体性能，结合型式试验及实际装车运用考核等一系列技术措施，达到了预 定的科研目标，研制出了机械强度高、绝缘性能好、耐污闪并抗覆冰闪络的新型 车顶支持绝缘子。所研制的绝缘子显著增加了爬距，提高了机械和电气强度以及 抗湿、污能力，可以改善绝缘子覆冰闪络和雾闪状况，并很好地兼顾解决了减重、 减振和高速下的机械冲击等技术难题。型式试验和实际装车运用结果表明研制的 绝缘子各项技术指标全部合格，性能优良，成功地替代了国外进口绝缘予。 目前该新型绝缘予已在铁路全路推广应用，创造了很好的经济和社会效益。 该新型绝缘子的研究开发达到了国际同步，并填补国内空白的技术水平。 关键词：电力机车复合绝缘子材料分析介电特性分析结构设计 高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s i n go ft r a i n s p e e da n dt h ee x t e n s i v el a y i n go fe l e c t r i c r a i l w a y , t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t o fi n s u l a t o r su s e di nt h er o o fo f h i g hs p e e de l e c t r i c p o w e r l o c o m o t i v ee n g i n ei sm o r ed i v e r s i f i e d ，a n dt h er e q u i r e m e n tf o ri n s u l a t o ri sa l s o m o r eh a r s h i nr e c e n ty e a r s ，t h ea c c i d e n tc a u s e db yf l a s h o v e ra n dt u r n n i n go f fb e c o m e m o r ea n dm o r ef r e q u e n ta n ds e r i o u s f o rm e e t i n gt h es a f e t yo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e w h i c hr u n su n d e re v e r yo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h i s p a p e rs t u d i e s o nt h ep o l y m e r i c c o m p o s i t e i n s u l a t o ru s e di nt h er o o f o f h i g h s p e e d e l e c t r i cp o w e rl o c o m o t i v e e n g i n e o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n ga l lk i n d sr e a s o n so fa c c i d e n tc a u s e db yi n s u l a t o r s u s e di nt h er o o fo fh i g hs p e e de l e c t r i c p o w e rl o c o m o t i v ee n g i n e ，t h ei m p o r t e d i n s u l a t o r s a m p l e w a s a n a l y s e d w i t h s e m i - q u a n t i t a t i v es p e c t r a la n a l y s i s 、 s p e c t r o p h o t o m e t e ra n ds oo n ，t h ec o m p o n e n t sa n di t s c o n t e n to ft h ei n o r g a n i cf i l l e r ； t h e o r g a n i cc o m p o n e n t a n di t sc o n t e n tw e r e g o t w i md s cr d i f f e r e n t i a l s c a n n i n g c a l o r i m e t r y ) 、m a t e r i a lb u r n i n gt e s t 、e x t r a c t i o nt e s t 、p y r o l y s i sa n dg c m s ，a n dt h e d i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i co fi n s u l a t o rw e r ea l s ot e s t e d r e f e r r i n gt ot h ei m p o r ts a m p l e ， w er e s e a r c ht h ei n s u l a t o rf o r m u l a t i o na n dp r o d u c t i o n t e c h n o l o g yi n d e p e n d e n t l y c o m b i n et h er e s u l to ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fr e s i s t a n c et of e c u l e n c ea n d i c i n g f l a s h o v e rb y o p t i m i z i n gt h ed e s i g no f i n s u l a t o rs t r u c t u r e ，c o n s t r u c ta n de l e c t r i cf i e l d ； t e s t i n gt h eb e h a v i o ro f n e w t y p ei n s u l a t o r ss u c h a sf a s hc o n d i t i o nd e p e n d i n go nm u c h e x p e r i m e n t s ；c o m b i n i n g as e r i e so f t e c h n o l c i g i c a lm e a s u r e s t a k i n gt h ep a t t e m t e s ta n d t h ea c t u a l l yl o a da p p l i c a t i o n ，f o re x a m p l e ，i tc a nr e a c hs c i e n t i f i cg o a lp r e a r r a n g e da n d a c h i e v et h e n e w - t y p e i n s u l a t o ru s e di nt h er o o fo fh i g h s p e e d e l e c t r i c p o w e r l o c o m o t i v ee n g i n e ，w h i c hh a sv e r yg o o dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e 、g o o di n s u l a t i n g b e h a v i o ra n dw e l lr e s i s t a n c et of e c u l e n c ea n di c i n gf l a s h o v e r t h i si n s u l a t o ri n c r e a s e s t h ec l i m b i n gd i s t a n c e ，a n di m p r o v e st h em a c h i n e r ya n de l e c t r i c s t r e n g t h ，i ta l s o i m p r o v e s t h ea b i l i t yt oa n t i - f e c u l e n c ea n dm o i s t m o r e o v e r , i tc a r li m p r o v et h ei c ea n d f l a s hc o n d i t i o no fi n s u l a t o ru s e di nt h er o o fo f h i g hs p e e de l e c t r i cp o w e rl o c o m o t i v e h 湖南大学工程硕士学位论文 e n g i n e ，a n dr e s o l v et h ed i f f i c u l tt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m o f r e d u c i n gw e i g h ta n ds h a k e a n dt h em a c h i n e r yi m p a c ts t r e n g t hu n d e rh i g h s p e e d t h er e s u l t so fp a r e mt e s ta n d a p p l i c a t i o no na c t u a l l yl o a d si n d i c a t et h a ta l lm o s tt e c h n i c a lf a c t o r si sq u a l i f i e da n d t h ep e r f o r m a n c ea r eg o o d i tc a ns u b s t i t u t et h ei m p o r ti n s u l a t o r ss u c c e s s f u l l y c u r r e n t l y , t h i sn e w - t y p ei n s u l a t o rh a sa l r e a d yb e e ng e n e r a l i z e do nt h ew h o l e r a i l w a y ，i tc r e a t e sal o to f e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s t h er e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o n o ft h i sn e w - t y p ei n s u l a t o rh a v er e a c h e di n t e r n a t i o n a ll e v e ls i m u l t a n e o u s l y , a n df i l l e d t h ed o m e s t i cg a po ft h i st e c h n o l o g y k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；c o m p o s i t ei n s u l a t o r ；m a t e r i a la n a l y s i s ；d i e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ；s t r u c t u r ed e s i g n 1 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：年月 日 日期：年月日 湖南大学工程硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 我国铁路发展的趋势是高速、安全、快捷，而目前高速电力机车车顶用绝缘子已成 为制约铁路瓶颈之。 常年运行在户外的电力机车车顶绝缘子必须长期面对各种大气环境的侵袭，承受各 种过电压的冲击。大雨可能导致雨闪，覆冰可能导致冰闪，雷击过电压可能导致雷闪， 操作过电压可能导致操作闪络。另外，绝缘子表面在运行过程中不可避免地会积聚一定 的不溶性电解质及不溶性物质( 统称为污秽物) ，当遇到高湿度天气时，这些污秽物就 可能产生污闪。因此电力机车车顶绝缘子闪络的类型主要有污闪、雨闪、冰闪、雷闪和 操作闪络“1 。在这几种绝缘子闪络中，污闪的危害最大，也最常见。一般雷闪约占外绝 缘闪络的7 0 8 0 ，但污闪造成的损失却是雷闪的近1 0 倍。众所周知，车顶绝缘子在运 行时受污染是不可避免的，其常见的污染源有：电力机车受电弓滑板磨耗粉末( 碳粉或 粉末冶金粉末) 、工业粉尘和盐雾等。由于污闪事故的发生面较大，重合闸成功率较低， 往往会造成长时间停电，对电力机车安全正点运行造成严重威胁，因此避免污闪事故的 直接措施就是尽可能地提高绝缘子的耐污闪性能。 据统计。1 ，1 9 9 0 年和1 9 9 1 年全路机车跳闸事故分别占牵引供电系统跳闸事故总件 数的4 6 3 和5 5 6 ，其中，车顶绝缘子击穿闪络事故约占9 2 7 。仅1 9 9 1 年上半年， 全路因车顶绝缘子故障造成变电所跳闸1 2 7 4 次，损坏各种绝缘子3 2 8 个，严重影响了 铁路正常运行。为此，铁道部机务局在1 9 9 t 年曾专门下文( 文号：机技 1 9 9 1 6 3 号) 将车顶绝缘子列为全路整改项目。经过调研初步认定主要原因是由污闪造成的，因此这 次整改的主要思路是提高绝缘子的爬电距离。采用的主要措施是改进瓷绝缘子的结构形 式( 由针式改为棒式) ，并在伞裙下面设置沟槽以加大爬电距离。3 。另外，也有采用在瓷 绝缘子表面涂r t v 或在边缘粘贴一圈硅橡胶增爬裙的“。经过整改，取得了较大成效， 减少了机车运行事故。然而，由于瓷绝缘子固有的自清洁性差，上釉的绝缘子表面的亲 水性为大面积水膜提供了最好的前提条件“3 ，人工清污也不易去除，因此还是未能从根 本上解决污闪问题。 高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发 同时，随着列车速度的迅速提高和电气化铁路的广泛铺设，车顶绝缘子的工作环境 更加多样化，要求也更加苛刻。近年来的运行经验表明，铁路的运用环境有了新的变化， 高速、低温、盐雾、覆冰和重污染及振动是其显著的特征。近年来，仍有大量的绝缘子 闪络跳闸事故发生，而且随着速度的提高故障趋于频繁和严重。 以邯郸机务段为例，该段1 9 9 8 1 9 9 9 年瓷绝缘子损坏情况如表2 1 所示0 3 。 表2 1 邯郸机务段1 9 9 8 - 1 9 9 9 年瓷绝缘子损坏情况统计 从表l 可以看出，在1 月、1 1 月和1 2 月这三个月份中，最容易发生绝缘子闪络事 故，约占全年的8 6 7 。经分析，其原因是绝缘子表面积污后，在低温下遇到高湿度天 气时，因凝露、结冰而发生的污闪事故。1 9 9 8 年2 月1 9 日s s 。0 4 0 0 号机车在黄粱梦一 邯郸间运行时曾因此原因连续7 次引起牵引变电所跳闸，造成区间停电事故。 近年来，由于大气质量的下降和接触网绝缘子爬距的大幅度提高( 从早期的6 0 0 m m 已上升到1 2 0 0 - - 1 5 0 0 m m ，增大爬距会将幅值很高的过电压引向机车) ，目前使用的车顶 绝缘子的绝缘水平已经基本不能适应冬季雾雪天气，对提速后的京广、陇海线表现尤为 突出。2 0 0 2 年入冬以来，特别是1 2 月份，京广、陇海线等因雾雪天气，发生多起电力 机车车顶绝缘子闪络、炸裂事故，造成接触网停电，更换机车甚至烧断接触网导线等严 重事故，严重影响了正常行车秩序。据不完全统计，郑州局2 0 0 2 年1 2 月份以来仅在京 广线郑州一安阳、陇海线潼关一宝鸡间牵引供电累计跳闸3 9 0 件，中断供电3 2 4 8 h ：机 车受电弓支持绝缘子炸裂5 0 余件，接触网烧断5 次。其中，2 0 0 2 年1 2 月1 3 日2 l ：2 3 至1 4 日7 ：2 5 ，因陇海线宝鸡一太要间大雾，共有1 9 台电力机车发生故障，绝缘子击 穿爆炸2 8 个，接触网共跳闸3 3 次，重合失败1 8 次，中断供电时间累计6 4 r a i n 。这些事 故的发生引起了铁道部的高度重视，为保证冬季特别是春运铁路运输安全，铁道部运输 局装备部2 0 0 3 年曾两次召开了各机车制造厂以及相关路局专题调研会议，并组织进行 专项技术攻关。 1 2 国内外复合绝缘子研究现状分析 目前，国内新造电力机车车顶上使用的支持绝缘子主要有瓷绝缘子、硅橡胶合成绝 缘子2 种。其中瓷绝缘子占到9 0 以上。另外，“奥星”、“中华之星”高速列车电动车组 采用了进口复合绝缘绝缘子。 瓷绝缘子在车顶上使用已有多年的历史，瓷是无机材料，具有优异的耐侯性，原材 料成本低，因而至今仍是各种领域绝缘子中用量最大的一种。然而，瓷绝缘子的耐污闪 性能却很不理想，例如一片普通盘形悬式绝缘子的工频干闪电压可达7 5 k v ，工频雨闪电 压约4 5 k v ，但在潮湿脏污条件下的污闪电压甚至不到l o k v 。至于在湿污条件下绝缘子 闪络电压则降得更低，因而在正常工作电压下就可能发生污闪事故。其耐污性能不好的 主要原因在于瓷表面的亲水特性。瓷绝缘子在小雨、雾、露等高湿度环境条件下，会在 表面形成连续的水膜，绝缘子表面积污后，污秽物中的不溶性物质起吸水保湿作用，而 水溶性电解质则起导电作用，这样使得瓷绝缘子的表面电阻急剧下降，沿面泄漏电流突 增，引发局部电弧并最终导致绝缘子闪络。3 。为增加表面绝缘电阻、抑制泄漏电流，从 而提高瓷绝缘子的耐污性能，方法之一是尽可能加长整支绝缘子的沿面泄漏距离，这可 以采用加大每片绝缘子的沿面泄漏距离或增加绝缘子伞裙片数来达到。1 。增加伞裙片数 必然加长了整支绝缘子的安装高度，这种方法受电力机车车顶空间的限制，不可能使整 支绝缘子的沿面泄漏距离增加太多，因而实际上更多是采用大爬距绝缘子，增加每片伞 裙的爬距。大爬距绝缘子之所以能增加沿面泄漏距离，无外乎是增加绝缘子表面的棱槽， 而这些加多加深的棱槽又降低了绝缘子利用自然界风雨和机车高速运行下气流清除积 污的自清洁能力，使绝缘子表面的积污总量增加。另外，瓷绝缘子的脆硬性和随温度的 膨胀率易与预埋金属失配的特点，使安装应力与热胀冷缩产生的内应力成为其炸裂的重 要因素。因此，瓷绝缘子在机车车顶的进一步使用受到了较大的限制。 随着有机材料的迅速发展，电力网开始尝试用有机材料来制造高压合成绝缘子，称 为非瓷绝缘子、合成绝缘子或复合绝缘子。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1 1 年o3 。所选用的有机合成材料主要有“”：乙丙橡胶( 二元乙丙橡胶及三元乙丙橡胶) 、聚 四氟乙烯、传统型环氧树脂及硅橡胶等几类。作为克服瓷绝缘予笨重易碎、运输安装困 难、制造能耗大等弱点的目的，这些绝缘子都能很容易地实现了，然而在运行使用一段 时间后，这些材料制造的绝缘子暴露了各自的一些问题。 要保证绝缘子能够在户外严酷的环境下常年安全运行，必须有优异的耐侯稳定性 能。乙丙橡胶绝缘子价格便宜、耐老化性能好，目前在国外是一种用量相当大的合成绝 高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发 缘予“。然而其长期的耐污性能却不够理想，运行一段时间后，污闪电压明显降低。在 自然污秽条件下，运行两三年后的乙丙橡胶绝缘子伞裙出现劣化，其沿面泄漏电流比瓷 绝缘子还大。聚四氟乙烯虽然材料本身的耐老化性以及长期稳定性极好，且其表面能低， 使用初期憎水性很强，但是，其价格昂贵、加工困难，运行一段时间后的聚四氟乙烯绝 缘子表面仍会积污。而且表面积污不易除去“”。我国电气化铁路接触网上使用的聚四氟 乙烯绝缘子就发现了类似的情况，而且有些聚四氟乙烯绝缘子的表面有虫蛀状蚀损沟及 伞盘穿洞等现象。传统的环氧树脂类合成绝缘子的电气、机械性能和加工工艺性能都十 分优良，其主要缺点是长期稳定性能欠佳，其表现为运行一段时间后出现表面粗糙、开 裂等问题，因此需要采用更为先进的耐侯性环氧树脂作为基体材料，并且在无机填充材 料方面很下功夫。硅橡胶合成绝缘子不但在使用初期具有优异的憎水性，而且能在运行 一段时间后将自身的憎水性传递给积聚在表面的污秽层，积污后的硅橡胶合成绝缘子仍 能表现出良好的憎水性，甚至憎水性比新绝缘子更强。另外，硅橡胶本身还具备优异的 耐老化性能以及非常方便的加工成型性能。硅橡胶以其独特的憎水性可迁移和可自恢复 的特点，在耐污性能方面具有优势，从而得到了电力系统的认可。但是，硅橡胶材料本 身比较柔软，抗撕裂性能差，其机械性能需要通过与其复合的支撑件来保证，因而在电 力机车高速情况下容易发生伞裙舞动搭边、撕裂和折断等现象，而且作为机械支撑的芯 棒存在目前没有彻底解决的脆断难题。1 因此，硅橡胶合成绝缘子不适用于高速电力机车 的使用。 在国外，以前户外绝缘子大量采用瓷绝缘子，但是近年来，随着新材料的逐步发展， 对复合材料的需求越来越大，特别是在要求重量轻和尺寸小的工况下“”。环氧树脂因为 其优异的电气和机械性能，同时能与其它材料很好的兼容和复合，而在电力系统广泛应 用于电器设备和绝缘子上“”。国外复合材料绝缘子自2 0 世纪6 0 年代即开始应用，首先 主要应用于电力系统领域，包括支柱和线路绝缘子，以后逐步推广到铁路领域。其中户 外树脂己应用3 0 年以上，在铁路领域，瑞士铁路于1 9 9 0 年安装了1 5 k v 支柱绝缘子， 该绝缘子是采用环氧树脂浇注的“。但环氧树脂主要还是应用在6 6 k v 及以下电压等级 “”。早期的环氧绝缘子面临的问题可以追溯到材料的配方和制造，第一代产品缺少户外 使用的填料，生产高质量绝缘子的处理技术没有得到好的理解和发展。多年来，国外在 材料配方和成型工艺上做了大量基础工作。现在，环氧产品作为线路绝缘子、设备外套 和操作开关元件在世界范围内得到了广泛的应用。与硅橡胶和e p r 绝缘子不一样的是， 硅橡胶和e p r 绝缘子通过玻璃纤维棒作机械支持件，在雨水情况下通过复合外套承担电 湖南大学工程硕士学位论文 气性能，而环氧绝缘子则e h 环氧材料既承担电气性能，又承担机械性能。环氧绝缘子经 常采用浇注，然而硅橡胶和e p r 绝缘子则采用模压，不同的工艺对成本是有影响的，因 而对推广应用也是有影响的“。环氧绝缘子9 0 年代以来发展了种新的成型工艺，即 a p g 工艺。该工艺适合于规模化生产，有利于产品的进一步推广运用。 1 3 电力机车对车顶绝缘子的要求 电力机车车顶绝缘子与电力绝缘子相比，其正常的工作电压并不是很高，但是由于 在保证电气性能和机械强度的条件下要受到车顶空间限制，高度不能超出机车限界，加 上机车在严酷的户外环境运动并且受流时具有一定的离线冲击等特点，因此具有很大的 特殊性。主要表现在“”：( 1 ) 受到连续而强烈的机械振动和断续的机械冲击；( 2 ) 工作 电压经常在较大范围内波动( 1 7 5 k v 一3 0 k v ) ；( 3 ) 安装位置和尺寸受机车空间限制，一 般不允许超过受电弓的落弓位高度；( 4 ) 空气污染严重，易受雨雪风沙侵袭；( 5 ) 温度、 湿度变化很大。 由于电力机车运行里程长，所经地区的地形、地理、气候及污染源种类多，电力机 车车顶绝缘子受污染的情况十分复杂。目前我国铁道运输并存着内燃牵引和电力牵引， 内燃机车排出的废气废烟不仅直接污染接触网的绝缘子，面且因其粘性大，使其他污秽 更容易在绝缘子表面沉积。另外，机车车顶与接触线的空间距离十分有限，车顶绝缘子 爬距较小，因此，机车车顶外绝缘污c i ；j 问题相当严重。机车是非线性的冲击性负荷，机 车的起动和停止、过分相以及受电弓与接触线的接触跳动，可能导致电磁暂态过程产生 过电压，从而对污闪放电起“点火”诱发作用。由于电力机车的污秽源分布极不均匀， 污染情况复杂，诱发污闪因素较多，目前对电力机车车顶绝缘子的污秽闪络特性研究还 很少。 影响绝缘子污闪的三个要素是污秽、湿润和电压，而污闪放电形成分为积污、吸潮、 烘干和出现局部小电弧、电弧发展和闪络等阶段。要提高污闪电压，需要对其中任何一 个因素采取有效措施，或者阻止、中断污闪放电过程中的任何个阶段。目前采取的措 施主要有：调整、增大泄漏比距；定期清扫绝缘子：表面憎水处理；采用新材料的耐污 绝缘子等。 近几年来，大雾与其引起的车顶绝缘子污闪也引起了广泛的关注“”。雾是空气中水 汽的凝结物，水汽凝结成雾滴必须有凝结核，而作为凝结核的尘埃或微粒，多是工业污 高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发 秽。大雾天气下，空气中蒸汽压大于饱和蒸汽压，加上冬季气温较低，多余的水分便冷 凝下来，与烟尘、汽车尾气、交通、建筑工地的二次扬尘及外来沙尘结合，造成空气中 总悬浮微粒较大，在低空形成粒温层，使得污染物沉在低空不易扩散。更为恶劣的是， 由于近地层空气污染较严重，雾滴在飘移的过程中，不断与污染物相碰并吸附它们，使 空气质量遭到严重破坏，因此大雾天气往往伴有较强的空气污染。据测定，雾滴中含有 各种酸、碱、盐、胺、酚、尘埃等污秽物的比例，比通常的大气水滴高出几十倍。例如 西安华山铁路沿线水泥厂和化工厂众多，该区间雾的p h 值曾达到4 。因此，雾的存 在大大促进了绝缘子的污闪发生。在冬季大雾天气下，空中气流如有小的扰动或上升运 动，还容易形成阴雪天气。雾和阴雪的联合作用，则影响更为严重。 由于绝缘子表面的污秽需要经过长时间的浸润才能达到最大饱和度，因此雾露引起 的污闪通常发生在深夜至早上，这与实际情况非常吻合。例如2 0 0 2 年1 2 月9 日起开始 的大雾在石家庄机务段引起的几个典型事故时间分别为1 2 日7 ：5 3 保定南站7 道接触网 因保机s s 。2 0 1 # 车顶闪络断线；1 2 日8 ：3 4t 3 0 次( 郑局s s 。9 0 # 车) 停保定6 道车顶闪络； 1 3 日3 ：3 2 邯郸站2 道接触网因郑局s s 。9 2 # 车闪络断线等等。经过长时间的努力，现在 已经基本解决了纯粹由于雾气引起的污闪，表现在夏季大雾引发的污闪已经显著降低。 但是，在冬季大雾，机车高速运行或在站场停车情况下，绝缘子表面由雾而形成冰膜甚 至冰层，从而转化成了另外一种类型的污闪，即覆冰闪络。覆冰闪络已逐步成为危害电 力机车春冬季节正常运行的关键问题之一。 因此，通过以上分析不难看出，电力机车整体技术的迅速发展给车顶绝缘予带来的 新的要求主要表现在以下几点“1 ：由于速度的提高，需要绝缘子材料有比瓷绝缘予更高 的机械强度；而低温运行环境则需要绝缘子材料具有更低的低温脆裂温度；机车长时间 运行在多盐雾及覆冰多发区，需要绝缘子在结构和选材上能在一定程度上耐受湿污和覆 冰而不发生闪络；机车在低温和高温区域穿行时，绝缘子材料的线膨胀系数较小。 1 4 本工作研究的目标、意义与内容 1 4 1 目标与意义 本课题研究的目标是，提高绝缘子的机械电气强度和抗湿、污能力，解决绝缘子因 污染、凝露、覆冰等因素造成的爬电及炸裂的问题。研制出机械强度高、绝缘性能好、 6 湖南大学工程硕士学位论文 抗低温、抗覆冰闪络并耐污闪的高速电力机车车顶用新型绝缘子。确保机车在各种气候 下高速安全运行。从而大幅度减少机车的机破、临修事故，提高机车的运用效率和运输 能力，降低和减少应用部门的维修费用以及减轻操作人员的劳动强度。提供试制出的达 到预期的各种技术性能指标的新型绝缘子样品，满足国家检验测试机构进行性能试验和 样品整车装车运行考核的需要。 开发电气和机械强度高、安全可靠的车顶用绝缘子是我国铁路朝高速、安全、快捷 方向发展的一项迫切任务，具有重要的社会意义和经济价值。2 0 0 2 年为沈阳北京线路 专门设计的2 7 0 公里d , 时的高速动力车的区段运行工况成为了本课题的重要研究对象。 2 7 0 公里小时高速动力车是国家课题。中国工程院刘友梅院士担当了该课题的总负责 人，本课题是其重要子课题之一。 2 7 0 公里小时高速动力组命名为“中华之星”，设计速度为2 7 0 k m h ，运行区间沈 阳一北京线路，最低温度为- 4 0 。c ，属于多盐雾、重污秽、春冬雾雪天气地区。 在幅员辽阔、地区物候差异较大的中国，铁路作为一种非常重要的交通运输工具， 在国民经济体系中发挥着不可替代的“纽带”和“大动脉”作用。因此，提速意义巨大。 自1 9 9 7 年以来，提路已经成功进行了四次大面积提速调图，均取得了较好的成效。当 前，第五次大提速已在即，对电力机车在高速下运行的可靠性提出了新的要求，要求提 速线路大部分区段按1 6 0 k m h 以上速度运行，且不停站直达终点。 通过本课题的实施，可以系统解决电力机车车顶支持绝缘子高压电气绝缘可靠性问 题，并满足赢速运行要求。 1 ，4 2 研究内容 本课题在分析研究现有车顶绝缘子各种事故原因的基础上，借鉴电力绝缘子行业中 的经验和成果，以国外引进的车顶用复合绝缘子为开发研制的物质基础，结合耐污闪和 抗覆冰闪的理论研究，通过优选合成材料、优化设计绝缘子结构，试制开发出了适用于 高速电力机车用的新型车顶支持合成绝缘子。主要措施如下：第一，充分利用现代合成 材料的研究成果，通过选取合适的基体材料并加入大量无机填料以改性基体材料固有的 缺点，提高其机械和电气强度、抗高低温能力以及抗湿、污和自清洁能力。第二，优化 绝缘子结构设计，充分利用高速机车行进中产生的空气动力，使含尘和含水气流与绝缘 子表面迅速分离，以在一定程度上达到绝缘子表面自清扫的目的并减少绝缘子在运动中 对水消和雾滴的碰撞和俘获率。第三，通过合理设计绝缘子伞裙的太小和结构，增大覆 冰时“冰凌一伞裙”空气间距和沿冰爬电路径，并使绝缘子伞裙的大小和结构符合覆冰 高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发 后电压分布严重畸变的规律，从而改善绝缘子覆冰闪络爬电问题。 1 5 实验方案和技术路线 本课题将从我国电力机车应用段，特别是沈阳一北京区段的实际环境及气候条件出 发，详细研究、分析造成车顶绝缘子闪络或炸裂的具体原因，解剖分析国外进口绝缘子 材料和结构特点，并借鉴电力绝缘子行业中各种耐污闪和抗覆冰闪络的经验与成果，开 发并研制出适用于高速电力机车用的新型复合绝缘子。 在分析研究现有车顶绝缘子各种事故原因的基础上，以目前从国外进口的车顶用绝 缘子为改进实验的基本物质基础，结合耐污闪和抗覆冰闪的理论研究，通过设计绝缘子 结构和构造、计算并测试闪络发生的条件、性能预测、实验研究、型式试验、产品试制 开发及实际装车运用考核等一系列技术措施，达到预定的科研目标。 “奥星”、“中华之星”均是高速车，引进了国外进口复合绝缘子。该绝缘子具备硅 橡胶材料优异的电气性能，同时又具备瓷绝缘子优异的机械性能，因此以进e l 绝缘子为 原型开展本课题研究是可行的。 研究的具体技术路线如下： 第一，考察车顶绝缘子故障现状并收集有关资料； 第二，对进口绝缘子样品的组成材料成分和介电特性分析并确定其主要成分： 第三，对绝缘子结构和电场分布进行优化设计： 第四，对绝缘子材料选型和工艺进行分析确定； 第五，进行绝缘子样品试制、送检和运用考核。 湖南大学工程硕士学位论文 第2 章进口绝缘子材料分析与材料配方的确定 由于国外已将有机绝缘子成功地运用到电力机车上，因此，我们以其为蓝本， 对其所用的材料进行深入解剖分析，这样可以节省时间，少走弯路，同时也会大 大降低有关费用。这部分的内容主要是对进口材料中的有机物与无机物进行定性 与定量方面的分析。 2 1 实验部分 2 1 1 原材料 选取在我国“奥星”电力机车上已成功运用的国外进口绝缘子为原型。 2 1 2 分析测试 分光光度计：2 2 0 a 型，日本产，按d i g 9 3 0 5 标准进行分析检测，检验环境： 温度为2 4 ，湿度7 2 。 原子吸收分光光度计：日立1 8 0 8 0 型，日本产，按d z g 9 3 一0 5 标准进行分析 检测，检验环境：温度为2 0 0 c ，湿度4 5 。 红外光谱仪：用p e r k i ne l m e r 1 7 1 0 型傅里叶变换红外光谱仪测定，样品均为 原始粉末，k b r 压片。 d s c ：2 9 1 0 ( t ai n s t r u m e n ti n c ，u s a ) 型差示扫描热分析仪，i n 校正温度和 热焓，氮气，升降温速率为l o * c m i n ，样品量6 m g 左右，进行扫描记录。 2 ，1 3 试样准备 将所选用的进口绝缘子试样用锶锯锯成粉末状微粒，将瓷坩埚按照规定进行 处理，确保干净、恒重后，称取一定量的粉末试样( 取样3 个) ，将试样先在通 风橱内进行灼烧、除烟进行炭化，然后放入蒙孚炉中，升温至8 0 0 0 c ，恒温4 小 时，烧透后得纯白色填料。 9 高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发 2 2 结果与讨论 2 2 1 试样填料分析 2 2 1 1 光谱半定量全分析 试样光谱半定量全分析结果，详见检验报告( 西检0 3 p 字第2 4 4 号，见附录 b 中的附件1 ) 。主要成分为：s i 、a l ，其中f e 、m g 、c a 可能是填料为s i o 。本身中 所带来的杂质。 2 2 1 2 分光光度计定量检测s i 、a i 检验结果：( s i o 。) 1 0 。 9 9 3 0 ( ) ( a 1 ：0 ，) 1 0 0 1 3 其具体结果详见检验报告( 西检0 3 p 字第2 4 4 号，见附录b 中的附件2 ) 2 2 1 3 原子吸收分光光度计定量检测c a 、m g 检验结果：( i ) ( c a ) 1 0 ，0 0 6 6 ( ) ( m g ) 1 0 一，0 0 1 7 其具体结果详见检验报告( 西检0 2 p 字第1 8 号，见附录b 中的附件3 ) 2 2 1 4 红外光谱分析 图2 1 是将所选用的进口绝缘子试样用钢锯锯成粉末状微粒，将瓷坩埚按照 规定进行处理，确保干净、恒重后，称取一定量的粉末试样，将试样先在通风橱 内进行灼烧、除烟进行炭化，然后放入蒙孚炉中，升温至8 0 0 0 e ，恒温4 小时， 烧透后得纯白色填料的红外光谱图谱，图2 2 是s i o 。已知结晶型s i o ：红外图谱。 比较图2 1 与图2 2 可以发现，两者特征吸收峰( s i - 0 - s i 键的伸缩振动峰1 在 1 0 8 4 2 c m l 基本上吻合，基本说明进口绝缘子试样中的纯白色填料是s i o 。 为了进一步证实上述分析结果纯白色填料是s i o ：的可靠性，我们又比较了标 准s i o 。红外图谱( 见图2 3 ) 。对照图2 2 与图2 4 可知，两者几乎完全一致， 1 0 湖南大学工程硕士学位论文 b 一 谚 、r 多a、a 太 ； i t ， j ；。j 、 卜 黪j 一卜 l | ! l 7 ； ，j炒 j tt 一。r i t i - r - fr 一，f - r 门r 图2 1 原试样中的白色填料的红外光谱图 f i g 2 1 i n f r a r e ds p e c t r ad i a g r a mo f t h ew h i t es t u f f i n gi nt h es a m p l e 图2 2 已知结晶型s i q 的红外光谱 f i g ，2 ，2 i n f r a r e ds p e c t r ad i a g r a mo f t h ek n o w ns i 0 2 高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发 图2 3s i o ：标准红外图谱 f i g 2 3 s t a n d a r di n f r a r e ds p e c t r ad i a g r a mo f s i 0 2 由此进一步说明进口绝缘子试样中的纯白色填料是s i 0 ：无疑。 通过以上对进口绝缘子试样填料的光谱分析，可知： ( 1 ) 主体填料为s i o ：； ( 2 ) 填料中还含有f e 、m g 、c a 等，但它们的含量非常少，可以认为是填料为 $ i 0 。本身中带来的杂质。 2 2 1 5 填料在样品中所占b e 例的确定 为了进一步了解进口绝缘子试样中各种材料质量组成，因此，填料在整个样 品中所占比例的确定是非常必要的。 由于上一节已经确定填料为s i o ：，因此，我们利用有机树脂与s i o 。两者分解 温度的不同，在适当的温度下，有机物灼烧掉，留下的仅是s i o 。的办法进行重量 分析，从而可得到填料的具体比例。 在重量分析法中，我们随机取三个试样进行试验，所得结果如表2 1 所示。 表2 1 填料在样品中所占比例 样品序号原样品重量( g )灼烧后重量( g )填料含量( )平均值( ) 由上述重量法分析可知，填料的平均含量约为6 2 。 湖南大学工程硕士学位论文 2 2 2 样品中有机组分的分析 2 2 2 1 燃烧试验 根据有机高分子材料受热时行为的鉴别是初步定性分析最主要的一种，因为 每一种高分子材料几乎都能释放它独特的气味，这有利于我们加速对样品中所用 材料的初步了解与分析。为此，我们进行了燃烧试验，其试验步骤与现象如下： 用镊子夹起- - + 块试样，用煤气灯小火焰直接加热，先让试样一角靠近火焰 边沿。试验中可观察到，该样品容易点燃，离开火源后仍能继续燃烧，只不过燃 烧速度比较缓慢，冒白烟，火焰呈黄色，火焰边沿带有蓝色，火星溅射，有轻微 的香味夹带有辛辣味。p h 值实验检测，试样呈微酸性并接近中性。经查有关资 料和多种参照物，进行燃烧对比实验，可初步认为样品中含有环氧树脂和聚酯类 物质“。 2 2 2 2 溶解性试验 利用溶解性鉴别高分子材料是经典的方法之一，由于高分子材料的溶解性除 了与化学组成有关外，还受诸多因素的影响，尽管有种种局限性，但由于溶解性 试验易于操作，仍是一种很实用的鉴别方法。 本溶解性试验中，采用两种样品进行试验，一种是绝缘子的原始样品，另一 种是固化前的原始样品( 带填料胶料样品) 。 试验步骤与现象如下： 取大约l o o m g 粉碎了的试样于试管中，加入2 0 m l 溶剂，不断摇动，观察1 2 小时。过滤溶液后，在表面皿上滴几滴溶液，观察其干燥后是否有残留物，如有 则说明能溶解。 本溶解性试验中，使用了以下几种溶剂： 乙醚、甲苯、丙酮、乙醇、环己酮、环己烷、盐酸。其溶解情况见表2 2 。 由表2 2 可知，原始样品在所选定的溶剂中几乎是不溶解，但在用盐酸浸泡 一段时间后，发现一些较大颗粒表面被腐蚀。这些现象可能预示着样品中的有机 粘结成分为环氧树脂。对原始未固化的样品的溶解性试验结果大致表明，原始未 固化的样品中含有环氧树脂与酸酐或聚酯类物质“。 高速电力机车车顶用有机复合绝缘子的研究与开发 表2 2 样品在不同溶剂中的溶解情况 2 2 2 3 原始样品的红外表征 为了进一步了解样品中有机物的组成，为此我们采用抽提的方法将样品中的 有机物提取，然后将萃取物进行红外测试，从而了解有机物的特征基团情况。 试验步骤与现象如下： 取大约l o g 粉碎了的试样于索氏提取器中，加入1 0 0 - - 1 5 0 m l 溶剂，抽提4 8 小时。将抽提液经( 减压) 蒸馏后，得到提取物，再在真空干燥箱中干燥，然后 将其进行红外测试。 采用的溶剂如下：乙醚、丙酮、乙醇、甲苯、环己烷。 抽提实验中发现，以乙醚、丙酮、甲苯为溶剂时被萃取物的萃取量较多。 以乙醇为溶剂得到的萃取物，经脱除溶剂后的红外图谱见图2 4 ，其它溶剂 萃取所得到萃取物的红外图谱与乙醇为溶剂得到萃取物的红外光谱图基本相似。 1 f 、 、 “ 1 一。n ：。 47 e 。 t f ? 、 、多一 i l 2 l l 图2 。4 乙醇萃取物的红外光谱 f i g 2 4i n f r a r e ds p e c t r ad i a g r a mo f t h ea l c o h o l i ce x t r a c t i o n 1 4 湖南大学工程硕士学位论文 从图谱上可以看出，在波数为1 7 2 8 c m l 附近有一个明显的羰基伸缩振动吸收峰， 在1 1 7 2 c m l 附