（机械工程专业论文）电力机车车顶绝缘检测装置的研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在铁路实现跨越式发展的形式下，我国铁路经历了六次大提速。目前 在提速区段客车的时速达到2 0 0 k m h ，提速的范围越来越广。货物列车的载 重量及运行速度也大大提高。路网的现状是客货混跑、列车密度高居世界 第一。因此，确保铁路运输安全生产的任务十分艰巨。 电力机车车项高压设备为户外安装设备，要求2 5 k v 高压电气设备与机 车车项有足够的高压绝缘性能，以防止由于雨、雪等恶劣天气以及雷电的 侵袭。当电力机车牵引列车运行时，如果机车车顶高压设备发生故障或其 他原因造成高压设备故障。由于乘务员无法判断故障情况，一旦再次升起 受电弓将导致高压放电、接地，轻则造成受电弓滑板与接触网粘接，重则 烧断接触网，造成大的故障，将严重地干扰运输生产。 电力机车车项绝缘检测装置是提供一种电力机车车顶高压设备状态综 合自动检测装置，可用来判断机车车顶高压设备配件是否接地。如果绝缘 子污染以及受电弓等产生故障后，可以用该装置进行判断，若没有发生接 地，则可继续升弓或者换弓运行，减少因盲目升弓而烧断接触网造成的事 故，它能对电力机车车顶高压设备各状态进行综合检测并做出相应控制显 示以及报警，从而有效地防止和避免意外事故的发生。该装置集开关电源 技术、单片机技术、测控技术、高低压隔离等多项高科技为一体，功能完 善、性能卓越、安全可靠、自动化程度高。它的开发和应用对新形势下铁 路运输设备实现技术升级、试验检测手段现代化、保证行车安全都具有积 极的意义。 关键词：电力机车：高压设备：绝缘；检测 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第页 a b s 仃a c t u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so f r e a l i z i n gt h el e a p i n gd e v e l o p m e n t ，t h er a i l w a y o fo u rc o u n t r yh a se x p e r i e n c e ds i x t i m es p e e d - r a i s i n g a tp r e s e n tp a s s e n g e r t r a i n sm o v ea tt h es p e e do f2 0 0 k m hi nt h es p e e d - i n c r e a s es e c t i o n , t h er a n g eo f r a i s i n gs p e e di sw i d e ra n dw i d e r t h el o a d i n gc a p a c i t ya n ds p e e do ff r e i g h tt r a i n i sa l s or a i s i n g t h ee u l t e n ts i t u a t i o no ft h er a i l w a yn e t w o r km i x e sr u n n i n g f i e i g h tt r a i n sa n dp a s s e n g e rt r a i n s ，t h et r a i nd e n s i t yr a n k st h et o pi nw o r l d s o ， t h et a s ke n s u r i n gs a f e t yo f r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o ni sv e r ya r d u o u s t h eh i 【g h v o l t a g e d e v i c eo fe l e c t r i cl o c o m o t i v ev e h i c l er o o fi st h e e q u i p m e n tf o rt h eo u t d o o r s ，t h e r ea l es oe n o u g hh i g hv o l t a g ei n s u l a t i n ga b i l i t y b e t w e e nt h e2 5 k vh i g hv o l t a g ee l e c t r i c a ld e v i c ea n dt h el o c o m o t i v ev e h i c l e r o o ft h a ti tp r e v e n t e dr e d u c i n gt h ei n s u l a t i o nb e c a u s er a i n ，s n o w , t h u n d e ra n ds o o n w h e nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v em o v e s ，b r e a k d o w nm a yb ef o u n di nt h eh i g h v o l t a g ed e v i c eb e c a u s e t h el o c o m o t i v ev e h i c l er o o fh i g hv o l t a g ed e v i c e b r e a k s d o w no ro t h e rr e a s o n s o n c et h et r a i na t t e n d a n tr a i s e st h ep a n t o g r a p hw h e nh ei s u n a b l et oj u d g es i t u a t i o n ，i tw i l lc a u s et h eh i g h - v o l t a g ee l e c t r i cd i s c h a r g ea n d g r o u n d i n g s oi t w i l ld i s t u r bt h et r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i o nb e c a u s et h eg r e a t f a u l t yw h i c hh a p p e n e dc e m e n t a t i o nb e t w e e nt h ep a n t o g r a p hs l i d ep l a t e sa n dt h e c a t e n a r y , o r i tw i l lb u mo u tc a t e n a r ys e r i o u s l y t h ei n s u l a t i o nd e t e c t i n gd e v i c eo fe l e c t r i cl o c o m o t i v ev e h i c l er o o fi so n e k i n do fe l e c t r i cl o c o m o t i v ev c h i c l er o o fh i g hv o l t a g eu n i tc o n d i t i o ns y n t h e s i s a u t o m a t i cd e t e c t i o ni n s t a l l m e n t ，w h i c hm a yb eu s e dt oj u d g et h el o c o m o t i v e v e h i c l er o o f h i g hv o l t a g eu n i ti sg r o u n d i n go rn o t i f i ti sn o tg r o u n d i n g ，t h e nt h e t r a i na t t e n d a n tm a yc o n t i n u et or i s et h ep a n t o g r a p ho rc h a n g ea n o t h e r p a n t o g r a p ha v o i d i n gt ob u m o u tc a t e n a r y m o r e o v e r , t h ed e v i c ec a l lc a l t yo nt h e s y n t h e s i st o t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ev e h i c l er o o fh i i g h v o l t a g eu n i tv a r i o u s c o n d i t i o n st oe x a m i n ea n dt om a k et h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lt od e m o n s t r a t ea s w e l la st og i v ea na l a r m 。t h u se f f e c t i v e l ya v o i d st h ea c c i d e n t ，砥sd e v i c e c o l l e c t ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y , t h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t t e c h n o l o g y , t h eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h eh i g ha n dl o wv o l t a g e i s o l a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo f f t h ed e v i c eh a so n s u m m a t ef u n c t i o n ，t h e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第m 页 “孤a r k a b lp e r f o r m a n c e s a f er e l i a b i l i t ya n dh i g ha u t o m a t i c i t y i th a sa c t i v e s i g n i f i c a n c et ot e c h n i c a lp r o m o t i o no fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t ，a r t i f i c e m o d e r n i z a t i o no f t e s t s a f e t yo ft r a i nt r a n s p o r t a t i o nu n d e r t h en e ws i t u a t i o n 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 ；h i g hv o l t a g ed e v i c e ，；i n s u l a t i o n ，d e t e c t i o n 西南交通大学曲阐父逋大罕 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。本人授权西南交通大学可以将本论文 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 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 日期： 指导老师签名：彬风弘春 e t 期- 硼( 口谬 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 装置对电力机车车顶高压设备的绝缘性能进行定性检测， 并能进行报警； 2 装置具有数据自动存储功能，以备事故分析之用； 3 装置具有一定的扩展能力，抗干扰能力强，易于维护。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1铁路运输安全保障体系的重要性 “十一五”期间铁路运输安全保障体系建设的目标是：以确保铁路旅客运 输安全为重点，推动“规范管理，强基达标”的落实和深化，建设安全保障体 系的示范线，建立繁忙干线和客运专线集监控、控制和管理于一体的铁路 运输安全保障体系，降低铁路事故率，铁路运输安全步入“有序可控、基本 稳定”的状态。 “十一五”期间铁路运输安全保障体系建设的重点任务是：突出安全监控 网络建设，完善行车安全技术保障体系；强化基础设施安全建设，消灭运 输安全隐患；加大安全科研攻关力度，提高安全技术的可靠性和先进性； 进一步深化安全管理，从软件上保证铁路运输安全。 以繁忙干线、主要干线安全监控网络建设为重点，建立行车安全技术 保障体系。积极采用先进、可靠、成熟的技术，初步建立移动设备与固定 设备互监和自监的安全监控网络，并以此为主体建立铁路行车安全技术保 障体系。 固定设备对移动设备的监测，是通过在线路等固定设备上安装的监测 装置，监测机车车辆等移动设备的安全状况，保证列车的运行安全。通过 建设提速干线配备车辆的检测系统，对车辆进行有效的动态安全监测；在 主要货运站、编组站配备轨道衡和超偏载仪；在货车主要列检所安装微机 控制列车制动试验系统；施工地段配置测速仪，监测列车速度，防止列车 运行超速。 固定设备的自我安全监测，是应用各种地面设置的安全监测装备实现 对重点固定设施的动态安全检查。移动设备对固定设备的安全监测，是通 过安装在移动装备上的安全监测系统，对线路及其它固定设备进行连续动 态安全监测。移动设备的自我安全监测，是通过车载安全监测系统，实现 对列车关键设备连续动态的安全监测。 对于二十四小时运营的担负轨道交通运输任务的机车车辆来说，及时 发现设备故障和隐患，确保行车安全更是各项工作的重中之重。新颁布的 我国铁路技术政策指出：完善并推广机车和车辆故障检测诊断系统、对固 定设施进行多层次多方位检测的技术和装备、机车车辆安全运行的地面检 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 测系统，研究采用固定设备在线自动检测、远程诊断及故障预报预警技术， 实现列车安全运行动态检测和行车主要设备的实时监测与控制。 铁道部1 9 9 3 年发布的铁路技术政策牵引动力与供电一节中做了如 下阐述：积极进行牵引动力改革。大力发展电力牵引，合理发展内燃牵引， 提高电力牵引承担换算周转量的比重。管好用好蒸汽机车。合理安排牵引 动力的布局。在主要繁忙干线，高速铁路煤运专线及长大坡道，长隧道地 区等线路上，应采用电力牵引，其它线路逐步采用内燃牵引。大力提高电 气化铁道的运行可靠性，提高接触网的结构稳定性和抗实能力，采用高强 度，耐腐蚀，少维修，无维修的导线及接触网零部件。加强接触网的等电 压保护，优化机构与接触网的绝缘匹配，改善弓网关系。逐步实现牵引供 电系统控制自动化、远动化及运行管理智能化。发展牵引供电系统的实时 检测技术，实现故障检测现代化，并逐步建立检测及维修的专家系统。 1 2电力机车车顶高压电器设备的安全隐患 随着我国铁路跨越式发展，以及我国铁路六次大提速，铁路机车装备 有了飞速的发展。新型的电子、电器产品在机车上得以应用。特别是机车 车顶高压电器设备有了质的变化。高速受电弓、新型绝缘材料、车顶高压 瓷瓶、真空主断路器、高压隔离开关等，这些产品的应用无不是为减少车 顶高压电器故障面设计安装的。 电力机车车项高压设备为户外安装设备，要求2 5 k v 高压电气设备与机 车车顶有足够的高压绝缘性能，以防止由于雨、雪等恶劣天气以及雷电的 侵袭。当电力机车牵引列车运行时，如果机车车顶高压设备发生故障或其 他原因造成高压设备故障，比如受电弓刮弓、主断路器灭弧室瓷瓶爆炸、 非线性电阻爆炸、支持绝缘子闪络等造成高压设备接地或与车顶间绝缘降 低，由于乘务员无法判断故障情况，一旦再次升起受龟弓将导致高压放电、 接地，轻则造成受电弓滑板与接触网粘接，重则烧断接触网，造成大的故 障，将严重地干扰运输生产。再有，遇到大雾及雨雪天气，一个供电区间 中有多台机车，如有一台机车绝缘闪络，将造成多台机车不敢再升弓( 这 种情况在京广线、陇海线多次发生) ，严重影响行车安全和铁路运输的正常 秩序。特别是春运或暑运，如果发生这类事故，不但对铁路运输造成了干 扰，而且带来不良的社会问题。为此铁路有关部门于2 0 0 0 年开始，针对如 何检测车项高压设备绝缘降低或接地故障进行了大量的调查研究。 在我国铁路高速化、重载化和铁路信息化管理的发展过程中，机车运 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 行的安全问题日益突出，保证机车安全可靠的运行成了铁路安全运输的重 中之重。然而，受风、砂、雨、雪等恶劣气候的侵害及雷电大气过电压的 袭击等因素的影响，机车车顶高压设备绝缘故障一直影响着铁路的安全运 行。例如，1 9 9 7 年元月1 2 日天内，在陇海线华山一西安间因车顶绝缘故 障跳闸7 9 件，累计停电1 8 3 7 小时。2 0 0 4 年以来，尤其是天气寒冷季节， 京广、陇海等线因雨雪天气，发生多起电力机车车顶绝缘接地，炸裂事故， 造成接触网停电、甚至烧断接触网，严重影响了正常的行车秩序。据不完 全统计，郑州局自2 0 0 4 年以来，仅在京广线郑州一安阳段、陇海线潼关一 宝鸡闻牵弓l 供电累计跳闸3 9 0 件，中断供电3 2 4 8 小时，机车受电弓支持绝 缘子炸裂5 0 余个，接触网烧断5 次；洛阳机务段2 0 0 5 年就发生受电弓支 持瓷瓶绝缘子炸裂1 2 个。电力机车车顶绝缘接地问题已经严重干扰了铁路 部门的运输生产，直接影响了国民经济的发展。针对这一问题，部、局为 此已多次下发减少车顶瓷瓶放电闪络的通知。 1 3 本文研究的主要内容 郑州铁路局采取对车顶瓷瓶涂抹防车顶瓷瓶憎闪络水涂料以及更换新 型材料绝缘瓷瓶等方法，或者在瓷瓶上端加装伞帽，增加爬电距离，来减 少车顶瓷瓶的放电闪络。本文所研制的机车车顶绝缘检测装置，可以使司 机能够及时采取措施，从而避免因车顶高压设备绝缘故障造成的接触网停 电、甚至烧断接触网等事故的发生，有效保障铁路的正常行车秩序。 本文研究的机车车顶绝缘检测装置是一套现代化的智能检测装置，该 装置由记录显示语音提示电路、保护电路、逆变电路、电压互感器电路四 大部分组成。可以实时、动态的诊断出处于运行状态中的机车车项绝缘故 障，并及时提示与报警，消除机车安全隐患，减少故障率。对新形势下铁 路运输设备实现技术升级、试验检测手段现代化、保证行车安全都具有积 极的意义。 该装置的研制思路是：利用机车上安装的高压电压互感器的一、二次 绕组的电压变化来实现车顶高压设备绝缘的检测。高压电压互感器在机车 上的作用是检测接触网电压。当网压为2 5k v 时，网压表侧是l o ov 的交 流电，显示2 5k v 。根据电压互感器的工作原理，一次绕组电压为2 5k v 时， 二次绕组电压为1 0 0v 。反过来，在二次绕组上加1 0 0v 的电压时，一次绕 组的空载电压为2 5k v 。当一次绕组有负载或短路( 即车顶高压设备与车顶 间绝缘降低，其间有一定电阻值或接地) 时，一次绕组电流随之增大，二 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 次绕组电流也将随着增大，那么二次绕组回路中的降压电阻上的电压将增 大，二次绕组电压将降低( 因二次绕组回路的电源电压不变) ，反映到网压 表上的电压将降低或为0v 。乘务员通过观察a 、b 节司机室的网压表显示 的电压变化，来确定车顶高压设备是否接地或绝缘降低。 1 4 研究的理论依据 1 4 1 绝缘概述 绝缘材料又称电介质。通俗讲绝缘材料就是能够阻止电流在其中通过 的材料，即不导电材料。常用的绝缘材料有：气体：如空气、六氟化硫等。 液体：如变压器油、电缆油、电容器油等；固体材料：包括两类，一是无 机绝缘材料，如云母、石棉、电瓷、玻璃等，另一类是有机物质，如纸、 棉纱、木材、塑料等。 绝缘材料的作用是在电气设备中把电势不同的带电部分隔离开来。因 此绝缘材料首先应具有较高的绝缘电阻和耐压强度，并能避免发生漏电、 击穿等事故。其次耐热性能要好，避免因长期过热而老化变质；此外，还 应有良好的导热性、耐潮防雷性和较高的机械强度以及工艺加工方便等特 点。根据上述要求，常用绝缘材料的性能指标有绝缘强度、抗张强度、比 重、膨胀系数等。 绝缘耐压强度：绝缘体两端所加的电压越高，材料内电荷受到的电场 力就越大，越容易发生电离碰撞，造成绝缘体击穿。使绝缘体击穿的最低 电压叫做这个绝缘体的击穿电压。使1 毫米厚的绝缘材料击穿时，需要加 上的电压千伏数叫做绝缘材料的绝缘耐压强度，简称绝缘强度。由于绝缘 材料都有一定的绝缘强度，各种电气设备，各种安全用具( 电工钳、验电 笔、绝缘手套、绝缘棒等) ，各种电工材料，制造厂都规定一定的允许使 用电压，称为额定电压。使用时承受的电压不得超过它的额定电压值，以 免发生事故。 抗张强度：绝缘材料单位截面积能承受的拉力，例如玻璃每平方厘米 截面积能承受1 4 0 0 牛顿的拉力。 绝缘材料的绝缘性能与温度有密切的关系。温度越高，绝缘材料的绝 缘性能越差。为保证绝缘强度，每种绝缘材料都有一个适当的最高允许工 作温度，在此温度以下，可以长期安全地使用，超过这个温度就会迅速老 化。按照耐热程度，把绝缘材料分为y 、a 、e 、b 、f 、h 、c 等级别。例如a 西南交通大擘工程硕士研究生学位论文第5 页 级绝缘材料的最高允许工作温度为1 0 5 ，一般使用的配电变压器、电动机 中的绝缘材料大多属于a 级。 电气设备的绝缘在运行中会受到以下几种电压的作用：工作电压、暂 时过电压、操作过电压、雷电过电压和陡波过电压。电气装置的绝缘强度 一般以在上述各种电压的作用下的放电电压来表征。 通常，绝缘材料所承受的电压超过一定程度，其某些部位就会发生放 电而遭到破坏，这就是绝缘击穿现象。固体绝缘一旦击穿，一般不能恢复 绝缘性能。而液体和气体绝缘如果击穿，在电压撤除后，其绝缘性能通常 还能恢复。固体绝缘击穿分热击穿和电击穿两种。热击穿是绝缘材料在外 加电压作用下，产生泄漏电流而发热。如果产生的热量来不及排散，绝缘 材料的温度就会升高。 1 4 2 绝缘子 电能的出现和广泛应用彻底改变了人类的生产和生活状态，电力系统 由电能的产生、电能的输送和电能的使用等三部分组成。电能的产生主要 是利用煤、油、天然气、水力、核能等一次能源，通过发电机实现向电能 的转换。为了减少输电过程中电能的损失，必须采用高电压技术输送电力， 电力输送的距离越远，输送的容量越大，所需的输电电压等级就越高。 电气设备诸如变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器、 隔离闻刀等设备都有瓷套、捧形支柱等部件，这些部件也同时起着电气绝 缘和机械支撑的作用，大型瓷套同时起着容器的作用，内部装着电器组件 和绝缘油。这些瓷套和棒形支柱等器件也统称为绝缘子。 在电气性能方面，绝缘子除了承受长期工作电压的作用外，还要承受 暂态的操作过电压和雷电过电压的作用，要求绝缘子应能承受这些电压的 作用，不发生绝缘击穿，不发生沿面闪络，更不能造成损坏。在机械性能 方面，要求绝缘子在长期的机械载荷作用下能稳定可靠地工作。对绝缘子 除了电气性能和机械性能方面的要求外，还要求绝缘子有较好的耐候性能 和抗老化能力。要求绝缘子能抵御雨雪冰霜、风吹日晒、酷暑严寒，在各 种恶劣气象条件下都能稳定可靠地工作，并且应有几十年的使用寿命。 1 , 4 2 1 有关术语 绝缘子一般由固体绝缘材料制成，安装在不周电位的导体之闻或导 体与接地构件之问，是同时起到电气绝缘和机械支撑作用的器件。不同类 型绝缘子的结构、外形虽有较大差异，但都是由绝缘本体和连接金具两大 部分组成的。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 零值绝缘子绝缘已经被击穿的绝缘子。 外绝缘指空气间隙绝缘和暴露在大气中的绝缘子表面的绝缘。外绝 缘的耐受电压值与大气条件密切相关。气隙击穿和沿面闪络是外绝缘丧失 绝缘性能的表现形式，一般说来，击穿或闪络发生后，空气的绝缘性能可 自动恢复，属自恢复性绝缘。 内绝缘指不与大气直接接触的绝缘，其耐受电压值与大气条件无 关。内绝缘可由固体、液体、气体或多种介质的组合构成，内绝缘一旦击 穿往往是不能自动恢复的，属非向恢复性绝缘。 自恢复性绝缘在外加电压的作用下绝缘破坏后，绝缘性能可自动恢 复到以前的水平，此类绝缘称自恢复性绝缘。一般说来外绝缘属于自恢复 性绝缘，但也有例外。 非自恢复性绝缘在外加电压的作用下绝缘击穿后，绝缘性能丧失或 者不能完全恢复到以前的绝缘水平，此类绝缘称非自恢复性绝缘。一般说 来内绝缘属于非自恢复性绝缘。但也有例外。 击穿固体介质内部发生的破坏性放电，通常会造成介质绝缘性能的 永久性损伤。 闪络在外加电压的作用下，发生在不同电位的两电极之间，沿着固 体介质和大气交界面所发生的放电现象。在闪络通道上可发生足够强的电 离以产生电弧。 基本雷电冲击绝缘水平在特定条件下对自恢复绝缘施加标准雷电 冲击波，所得到具有9 0 耐受概率( 1 0 放电概率) 的标准雷电波的幅值。 基本操作冲击绝缘水平在特定条件下对自恢复绝缘施加标准操作 冲击波，所得到具有9 0 n 耐受概率( 1 0 放电概率) 的标准操作波的幅值。 干弧距离在两个端部电极之间通过中间介质的最短放电距离，或 者是最短的通过若干中间电极的放电距离( 见图1 1 ) 。 连接长度导电体和支撑结构之间的直线距离，包括绝缘距离和两端 连接金具的长度( 见图1 1 ) 。 泄漏距离在导电部件之间沿着绝缘表面测出的最短距离之和( 见图 1 1 ) 。 被保护泄漏距离不直接承受阳光、风、雨等自然因素作用的绝缘表 面的泄漏距离。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 图l - 1 绝缘子各种距离( 长度) 示意图 1 4 2 2 绝缘子的电气特性和机械特性 绝缘子的电气性能主要取决于采用的绝缘材料本身的性能，固体绝缘 材料内部的绝缘特性和绝缘材料表面的绝缘特性都很重要，二者的作用不 同，在讨论绝缘子的电气特性时，介质内部和表面的绝缘特性都必须考虑。 介质内部的绝缘性能决定于介质内部所含的杂质和气孔，在杂质和气孔处 电场强度较高，可能会造成永久性的绝缘损伤，这些绝缘损伤会逐步发展， 如果这些损伤连成了通路，就意味着绝缘介质被击穿，不能起绝缘作用了。 介质表面的绝缘强度主要取决于表面的脏污和受潮情况。电阻率可以表征 介质的绝缘性能，绝缘材料的体积电阻率可达到1 0 m q m ，在干燥的状态 下绝缘材料表面的电阻率也能达到这个数量级。在潮湿的状态下绝缘材料 表面的电阻率可以降低几个数量级，在表面脏污和潮湿同时存在的条件下， 表面电阻率可降到很低。如果介质内部没有严重的缺陷，沿绝缘介质表面 的闪络电压比介质的击穿电压会低得多，放在外加电压的作用下只能发生 沿面闪络，不会发生介质击穿。一般说来，闪络后产生的电弧会很快飘离 绝缘表面，闪络完成后各类绝缘子的沿面绝缘都会自动恢复，属于自恢复 性绝缘。 盘形悬式绝缘子铁脚和钢帽之间的绝缘介质厚度比绝缘子的泄漏距离 要小得多，如果介质内部存在严重缺陷有可能发生介质击穿，绝缘子就 不能起到绝缘作用，成为零值绝缘子。盘形悬式绝缘子是发生闪络还是发 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 生击穿，取决于作用电压的波形和幅值。图1 2 给出了盘形悬式绝缘子闪络 和击穿的伏一秒特性曲线，在两条曲线交叉点的右侧，闪络电压曲线低于 击穿电压曲线，也就是说当冲击电压的上升沿不是很陡时，绝缘子只可能 发生闪络而不会击穿；在交叉点的左侧，击穿电压曲线低于闪络电压曲线， 也就是说当冲击电压的上升沿很陡时，绝缘子的击穿电压比闪络电压低， 因此绝缘子会发生击穿而不会发生闪络。上述曲线表明，盘形悬式绝缘子 在幅值很高、波形的上升沿又很陡的冲击电压作用下，是有可能发生击穿 的。在绝缘子的试验项目中有项是陡波冲击试验，陡波的上升沿很陡， 幅值又很高，该项试验的耳的就是考核绝缘子的内绝缘。在实际运行条件 下，绝缘子只可能承受雷电冲击和操作冲击电压的作用，如果盘形悬式绝 缘子的介质内部没有缺陷，尽管雷电波的上升沿也比较陡，但波前时间是 微秒级，属于图1 2 两条曲线交叉点的右侧，是不会造成绝缘子击穿的。操 作波的波前时间在数十微秒以上，更不会造成绝缘子的击穿。尽管雷电波 或操作波有足够高的幅值，但即使在干燥状态下，也只能造成绝缘子的沿 面闪络而不会发生击穿。在工频运行电压的长期作用下绝缘子更不会发生 击穿，但在潮湿脏污的条件下，在运行电压下就有可能发生沿绝缘子表面 的闪络，称为污闪。 芒 楚 孽 蹬 苷 持续时同舢 图1 - 2 盘形悬式绝缘子闪络和击穿的伏一秒特性 实际运行中的绝缘子同时承受电气和机械负荷的作用，容易造成绝缘 内部的损伤。如果绝缘内部已有损伤，在机电负荷的同时作用下损伤会扩 大，这就是运行中绝缘子会出现零值的原因。 绝缘子是电力系统中使用量最大的电气组件，大量的绝缘子( 或绝缘 子串) 在系统中并联工作，任何一个绝缘子发生问题，都会造成系统事故， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 因此对绝缘子的质量和可靠性要求是非常高的。在电力系统的实际运行中 由绝缘子问题造成的事故占较大比例，特别是污闪事故危害更大，一次污 闪事故往往造成长时间、大面积停电。一条线路上的一串绝缘子发生了污 闪，会造成整条线路断电，变电站内的一个绝缘子发生了污闪，会造成个 地区的停电，会造成极大的经济损失，并给人们的日常生活带来很大危害。 1 4 2 3 绝缘子的故障原因 1 、雷击闪络 雷击对复合绝缘子造成的损坏，主要为灼伤伞裙、金具，造成质量不 良产品的乔面击穿。 2 、雨闪 随着我国大气环境污染日益严重，污区的范围不断扩大，绝缘子表面 含有不同程度的导电杂质：同时，自然雨水的电阻率大大降低，甚至出现 电阻率很低的酸雨。这种低电阻率的雨水淋在绝缘子上，使其电气绝缘强 度大大降低，因此那些按清洁地区选择外绝缘的设备将有可能发生雨闪。 外绝缘表面沉积污物时，在干燥情况下，一般不影响其电气强度、但 是在污层潮解、外绝缘表面形成一层潮解的导电膜时，绝缘的抗电强度将 大大降低。 当雨淋到瓷表面后，瓷表面的污秽会逐步冲刷下来。这样从瓷套伞沿 淌下来的雨水已是携有污秽成分的污雨水，其起初是水柱，由于重力及表 面张力的作用， 水柱的长度有限，般不及下一伞裙。这样，沿伞沿会形成一串污雨 水一空气间隙。显然，绝缘任务主要由其中的空气间隙承担。雨越大，瓷 套表面受雨量也越大，相应地伞沿下的污水柱将越长。当雨大到一定程度 时，剩余的空气间隙会成为外绝缘的薄弱点。电弧沿伞沿的水柱将剩余的 空气间隙一个又一个地击穿( 并不一定是连续的) ，而最终导致整个瓷套的 闪络。 3 、污闪 这种闪络，不是由于作用电压的升高，而是由于绝缘子表面绝缘能力 降低引起的结果，它有独特的放电机理，与绝缘子表面积污、表面污层湿 润以及绝缘子本身的耐污闪特性诸因素有关。 绝缘子的污闪由两个因素决定，一是大气污染造成的绝缘子表面积污； 二是能使积聚的污秽物质充分受潮的气象条件。在干燥气象条件下，表面 脏污的绝缘子仍有很高的绝缘强度。但在大雾、凝露、毛毛雨等气象条件 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l o 页 下，污层中的电解质成分会充分溶于水中，在绝缘子表面形成导电通路， 使绝缘强度大大降低，在正常运行电压下就能导致绝缘子沿面闪络，即污 闪。我国几次大范围的污闪事故都发生在连续数天大雾等极其恶劣的气候 条件下。凌晨时绝缘子表面凝露也容易使污层饱和受潮，造成污闪事故。 目前比较有效的防污秽技术措施有以下几项。 ( 1 ) 做好绝缘子的定期清扫 ( 2 ) 定期测试和及时更换不良绝缘子 ( 3 ) 提高线路绝缘水平 ( 4 ) 采用防污绝缘子 如硅橡胶复合绝缘子，半导体釉绝缘子等。这些特种绝缘子般都具 有良好的憎水性，其结构强度也比相同条件瓷绝缘子高2 3 倍，能有效地 提高污闪电压。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章绝缘检测方法综述 安装在输电线路上的绝缘子在运行过程中因长期经受机电负荷、日晒 雨淋、冷热变化等作用，可能出现绝缘电阻降低、开裂甚至击穿等故障， 对供电可靠性带来潜在威胁，因此，绝缘子在线检测意义重大。从绝缘子 的劣化特征、劣化原因的分析中可知，劣化绝缘子在电气性能、局部放电、 温度分布等多个方面与良好绝缘子相比，存在着差异。依据这些特征和差 异，可用相应的仪器或装置，采用不同的测量方法进行检测。至今已有以 超声波检测法、激光多普勒振动法及红外热像仪法等为代表的非电量测量 法和以电压分布检测法、绝缘电阻法及脉冲电流法等为典型的电量测量法 被尝试用于解决绝缘子在线检测问题。 高压线路用的电瓷悬式绝缘子在运行中常常劣化，主要表现为绝缘电 阻下降和瓷件头部的绝缘击穿，也表现为瓷盘脱落或裂纹以及表面烧伤等。 按照绝缘子本身的绝缘配合，绝缘子工频击穿电压约为其额定工频干闪电 压的1 5 倍。当其工频击穿电压低于干闪电压时，该绝缘子就属于低值或劣 质绝缘子。绝缘已经被击穿的绝缘子，称为零值绝缘子。但应注意，零值 绝缘子可能是瓷件头部有较大的裂缝、气隙或气隙通道，当气隙通道内未 通过大电流时，在干燥状态下还具有较高的绝缘电阻，也还能承受一定的 电压，其承受电压值并不一定为零。 目前常用的电瓷悬式绝缘子的零值检测方法有以下几种。 2 1 绝缘电阻测定法 1 用绝缘电阻表进行检测 干净良好的绝缘予，即使湿度较大，绝缘电阻仍可达1 0 0 0m q 以上。 受一般尘埃( 非可溶性盐) 污染的良好绝缘子，在湿度不太大时，绝缘电 阻也达3 0 0 m o 。而零值或低值绝缘子，其绝缘电阻则低于3 0 0 m q ，有时 只有几兆欧到十几兆欧；瓷件头部有裂缝的绝缘子，一旦受潮或污染，其 绝缘电阻大大下降，比良好绝缘子低很多，而且不易恢复。但应注意，良 好绝缘子表面如果被可溶性尘埃污染，当空气的相对湿度大于8 0 时，其 绝缘电阻也可能降到3 0 0mq 以下。根据这一特点，可采用测绝缘电阻的 方法对零值绝缘子进行检测。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 对与多元件组合的绝缘子，可停电、也可带电测量其绝缘电阻。其方 法是用高电阻接至带电的绝缘子上，使测量绝缘电阻的兆欧表处于地电位， 从测得的绝缘电阻中减去高电阻杆的电阻值，即为被测绝缘子的绝缘电阻 值。带电测量绝缘子的绝缘电阻的原理接线如图2 1 所示。图中r 为高电 阻杆中的电阻值，电阻值按1 0 2 0k q v 、长度按o 5 1 5k v c m 选择， 每单位电阻功率为1 2w ；c 为接地电容，可使绝缘电阻表处于地电位， c 的绝缘电阻应达到绝缘电阻表的最大量限，以保证测量的准确度。c 的电 容量为0 0 1 0 0 5 | if ，电压应能承受直流3 0 0 0v 以上。 图2 一l 带电测绝缘子绝缘电阻的原理图 利用绝缘电阻表检测零值或低值绝缘子有相当的准确性。有资料介绍， 用电压分布法，检出运行线路上的劣质悬式绝缘子，并再对其进行绝缘电 阻测定和击穿电压试验，证明了劣质绝缘子在表面清洁、干燥的状态下， 其绝缘电阻多低于3 0 0 m q ，当绝缘电阻大于3 0 0m q 时，其交流击穿电压 一般在5 6k v 以上。 然而，利用绝缘电阻表检测零值或低值绝缘予也有一些限制和弊病， 它对个别或少数绝缘子进行检测尚较方便，但对大量绝缘子进行检测则工 作量太大，很难进行。另外，绝缘电阻的测量必须在空气相对湿度低于8 0 的良好天气且绝缘子表面无凝露的条件下进行。否则，空气相对湿度较 高( 例如8 0 以上) ，且绝缘子表面有污物和凝露时，良好绝缘子的绝缘 电阻值也很低，容易把良好绝缘子误判为劣质绝缘子。 2 测量泄漏电流 y，uvy，vv 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 绝缘子在线检测中，绝缘电阻的测量也可通过泄漏电流的测量得以实 现。正常时，泄漏电流为毫安级，当绝缘子串中有零值或低值绝缘子时， 其对地泄漏电流的值将产生较大的变化。该变化值依绝缘子劣化的程度及 个数而异，但通过检测灵敏度及准确度较高的电流传感器是完全可以准确 判断的。 目前已研制出多种适用于泄漏电流测量的实用的电流传感器，它们在 泄漏电流的测量准确度方面毫无问题，但通过测量泄漏电流确定绝缘电阻 的方法存在的问题并非完全在于电流的准确测量，它还取决于以下几个因 素：( 1 ) 输电线路电压的变化直接影响到泄漏电流的大小，且电压的变化 引起的电流改变值在理论上足与一至两个绝缘子劣化时的电流改变值相 当。( 2 ) 绝缘子的泄漏电流与其表面的污秽程度密切相关。杆塔结构、绝 缘子老化程度、绝缘子形状及天气状况如温度、湿度甚至风速风向对绝缘 子泄漏电流的大小都有影响，因而泄漏电流值在正常情况下亦是一个随时 间变化的量，存在一个如何正确判定绝缘子串是否存在劣质绝缘子，即如 何确立判断标准( 判据) 的问题。 3 自爬式不良绝缘子检测器 图2 2 所示为国外研制的用于5 0 0k v 超高压线路的自爬式不良绝缘子 检测器的检测系统框图，它主要由自爬驱动机构和绝缘电阻测量装置组成。 检测时用电容器将被测绝缘子的交流电压分量旁路，并在带电状态下测量 绝缘子的绝缘电阻。当绝缘子的绝缘电阻值低于规定的电阻值对，即可通 过监听扩音器确定出不良绝缘子，同时还可以从盒式自动记录装置再现的 波形图中明显地看出不良绝缘子的部位。 图2 - 2自爬式不良绝缘子检测器的检测系统框图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 分布电压测定法 分布电压测定法是目前在悬式绝缘子的零值检测中较为常用的一种方 法。在工频电压作用下，正常绝缘子串上的电压分布受绝缘子对地电容及 对导线电容的影响，每片绝缘子分担的电压u 是不相等的。如图2 3 所示， 当仅考虑对地电容c ：的影响时，愈靠近导线的绝缘子中通过的电流愈大， 因而分担的电压u 愈高( 图2 - 4 曲线1 ) 。当仅考虑对导线电容c d 的影响 时，愈靠近接地端的绝缘子，分担的电压u 愈高( 图2 - 4 曲线2 ) 。同时 考虑两种电容的影响，则愈靠近绝缘子串两端的绝缘子，所分担的电压u 愈高( 图2 4 曲线3 ) 。导线的型式、分裂导线的组合形式以及是否采用均 压环等因素都会对导线电容c l 有影响，因而也影响绝缘子串的电压分布。 当上述各因素确定之后，正常的绝缘子串的电压分布，即各片分担的电压 u 大致是个确定的值。 当绝缘子串中有不良绝缘子，且不良绝缘子的绝缘电阻小于3 0 0m q 时，将明显影响绝缘予串的电压分布。其表现是不良绝缘予的分担电压明 显下降，低于正常分担电压值，也低于相邻良好绝缘子的分担电压。 杼塔 图2 3 绝缘子串的等值电路图 ( a ) 仅考虑对地电容c z 的影响；( b ) 仅考虑对导线电容c d 的影响 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 毫 警 霹 套 小 篓 艇 澍 绝孽子螭号 图2 4 绝缘子串电压分布曲线 1 一仅考虑c ：的影响：2 一仅考虑c d 的影响；3 一同时考虑c 。、c d 的影响 ( 1 ) 当不良绝缘子的电阻为某一定值时，不管它处于绝缘子串的什么位 置，其分担电压与相应位置正常分担电压是不相同的。当该比值为5 0 及 以下时，即为劣质绝缘了。 ( 2 ) 根据对5 0 0k v 耐张绝缘子串的实测，有资料认为不良绝缘子与相 邻良好绝缘子分担电压的比值会大大下降，低于正常时的值。而且，不良 绝缘子的绝缘电阻愈低，上述比值也愈低。当相邻绝缘子分担电压比值小 于5 0 时，分担电压低的即为不良绝缘子。此外，也可以根据相邻绝缘子 分担电压的实际差值大小来判断不良绝缘子。 由上所述，利用测定电压分布的方法检出劣质绝缘子，必须与相应电 压等级下良好绝缘子串的标准分布电压值作比较。此外还应注意，测量电 压分布与测量绝缘电阻一样，应在干燥良好的大气环境下进行，也即应在 空气的相对湿度低于 8 0 时，且绝缘子表面无凝露的条件下测量。否则，潮湿的绝缘子串 其电压分布要改变，特别是绝缘子表面具有污秽且又潮湿的情况下，绝缘 子串上的电压分布将不按电容分布，而按电阻分布。在产生干带以前，污 染与潮湿度愈均匀，绝缘子串上的电压分布也愈均匀。 劣质绝缘子的特征是绝缘降低，分担电压低，甚至为零。利用这一特 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 征和良好绝缘子串的标准电压分布相比较，可以检测出劣质绝缘子。该方 法需带电测量， 3 5 2 2 0k v 输电线路上常用的工具有短路叉、电阻分压杆、电容分压 杆和火花间隙操作杆等，均属接触式测量。该方法同测量绝缘电阻一样， 需在良好的天气下进行。 2 3 脉冲电流法 所谓脉冲电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘 子的绝缘状况，其原理是：存在劣质绝缘子的绝缘子串中，由于劣化绝缘 子的绝缘电阻很低，它在绝缘子串中承担的电压也较小，于是其他良好绝 缘子在绝缘子串上的承受电压必然明显大于正常情况时的承受电压，因而 绝缘子电晕现象加剧，电晕脉冲电流必将变大；根据线路上存在劣质绝缘 子时电晕脉冲个数的增多、幅值增大的现象，利用宽频带电晕脉冲电流传 感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号，通过一定的信号处理手段， 从而达到在低压端检出不良绝缘子的目的。如图2 5 所示，这类仪器主要由 四部分组成：电晕脉冲信号检测回路、周期信号发生回路、各相电晕脉冲 计数回路及显示控制回路。 该法存在的主要问题在于传感器的选择、信号的提取及辨识、现场干 扰的捧除等。由于电晕脉冲电流在绝缘子正常时亦可能产生，且随着输电 线路电压值的波动也在变化，故如何消除这些因素的影响、建立绝缘子劣 化判断标准也是该法能否成功的关键。 图2 s 电晕脉冲式检测仪原理图 目前脉冲电流法中数据处理最常用的方法是“不平衡指数”法。从杆 塔接地线中测得的脉冲电流是三相高压作用于各相绝缘子上共同产生的， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 因而有人