影响接触网绝缘子使用寿命因素的研究

申冀苏

（中铁电气化铁路运营管理有限公司海南维管段，北京101200）

1 概述

绝缘子是电气化铁路接触网的重要组成部分，近年来因绝缘子问题影响电气化铁路接触网正常供电的事件数不胜数，为降低绝缘子问题对电气化铁路运输的影响，延长绝缘子的使用寿命，作者研究、分析了绝缘子使用寿命的几个因素。

2 影响绝缘子使用寿命的因素

2.1 设计方面

2.1.1 伞裙形状

绝缘子的伞裙结构比较简单，伞的下表面无棱，是光滑的，可分为等径伞和大小伞两大类。伞裙结构的不同将很大程度上影响产品的性能，大小伞结构的绝缘子其两个大伞之间的距离比等径伞结构的绝缘子两伞之间的距离要大，因此耐覆冰雪和耐雨闪的性能较好，并可有效避免伞间电弧桥络。[1]这里所涉及的绝缘子均采用大小伞相结合的结构形式。

小结：伞裙形状、伞间距、伞伸出选择不当，未充分考虑耐雨闪、耐冰雪等要求，会导致发生伞间电弧桥络现象或绝缘子泄露距离不足，缩短使用寿命。

2.1.2 绝缘材质

①陶瓷是将无机非金属材料的粉末粘结塑型后，经高温烧结定型制成的一种非均匀固体材料。然而陶瓷作为非均质材料，存在大量的内部缺陷，长期使用过程中这些缺陷会逐步扩展，导致机械性能下降。此外，由于绝缘子上瓷件、铁帽、钢架膨胀系数不同产生的热应力，同样会使得缺陷扩散，导致绝缘子失效。[2]②玻璃是由石英砂、白云石、长石、石灰石和其它化工原料经过高温熔融成液体后冷凝而成的一种均质非晶体。根据化学成分的不同，玻璃绝缘子也可进一步分为石英玻璃、钠钙玻璃、铅玻璃、硼硅玻璃等。玻璃绝缘子其不足之处是，由于表面为高能面，有亲水性，玻璃绝缘子在被水浸润后会形成连续水膜，形成导电通路，抗污闪能力差，易发生污闪现象。③复合绝缘子或称有机绝缘子。常见的复合绝缘子主要由环氧树脂与硅橡胶作为其绝缘材料。当复合绝缘子在线运行一段时间后，由于放电或污物的作用，其疏水性会出现下降，在一定条件下会部分或完全得到恢复。硅橡胶绝缘子电气性能和憎水性都很好，但在使用过程中出现性能退化后，难以通过现场检测的手段发现。

小结：瓷绝缘子、钢化玻璃绝缘子、硅橡胶绝缘子具有各自的优缺点，设计时若不充分考虑线路实际情况，选择不当，一是会增加线路建设成本，二是恶劣条件下设备绝缘性能不满足实际需要，容易发生绝缘闪络等，降低使用寿命。

2.1.3 爬电距离

针对污秽等级划分，考虑到污湿特征、等值附盐密度和运行经验等方面的因素，分成了0-Ⅳ五个等级，0、Ⅰ、Ⅱ级污秽等级区域要求泄露距离不小于1400mm，Ⅲ、Ⅳ级污秽等级区域要求泄露距离不小于1600mm，在海拔超过1000m 的地区泄露距离应按规定增大。[3]

小结：未按照污秽等级区域选择合适的爬电距离，容易发生绝缘闪络，导致绝缘寿命缩短。

总结：针对绝缘寿命的设计方面研究，认为影响绝缘寿命的主要因素在于绝缘材质的选择。三种绝缘材料具有各种不同的优缺点，机械和电气性能各不相同。工作条件和使用要求不同时，考虑各种绝缘材料的成本和安全系数。

2.2 生产方面

2.2.1 绝缘子胶装问题

绝缘子在胶装时，在绝缘子的外端部和法兰的内部应分别涂上沥青缓冲层，缓冲水泥胶装剂膨胀时产生的应力，也能缓冲因温度变化所产生的热应力。[4]沥青缓冲层过薄没有将导致胶装剂的膨胀应力释放，这也是造成绝缘子断裂的主要原因之一。

小结：在绝缘子胶装时，沥青缓冲层厚度不够或胶合剂水份蒸发，引起胶装剂的膨胀应力无法释放或体积收缩，将导致支柱绝缘子断裂。

2.2.2 先天性裂纹

检测瓷件裂纹的有效方法是超生波探伤，但是绝缘子在运输和制造过程中遗留下的细小裂纹，会在安装过程或后期的运行过程中，振动会使细小裂纹形成更大的延伸开裂，最终造成断裂。定期对绝缘子进行超声波探伤。

小结：细小裂缝靠外观观察不容易被发现，运行中开裂更为严重，最终断裂。

生产方面总结：绝缘子在生产过程中的不按标准生产容易造成绝缘子的隐形缺陷，给安装后的运行埋下隐患，缩短绝缘子的使用寿命，直接影响绝缘寿命。因此，在绝缘子的生产过程中按生产工艺制造，出厂检验要严把质量关，确保上线使用产品的质量。

2.3 施工方面

2.3.1 运输保存

瓷质、复合等材质绝缘子部件在材料采购、施工中需对其进行包装运输，以确保其不受到外力的磕碰。表面磕碰损伤后，其绝缘性能和机械性能均会不同程度受损，影响绝缘寿命。

小结：绝缘子在运输过程中，未对其进行包装运输，磕碰损伤后，会影响绝缘寿命。

2.3.2 安装工序

在安装施工过程中，施工人员为便于安装其他零部件，违规踩踏绝缘子作为支撑点，绝缘子在技术参数中抗弯破坏负荷远远低于抗拉负荷（如图1），在施工过程中踩踏绝缘子容易造成绝缘子抗弯性能降低，而复合绝缘子因伞裙较软，并且复合绝缘子表面覆有憎水性涂层，违章踩踏，会破坏复合绝缘子撕裂强度及整体憎水性能，从而影响绝缘寿命。

图1 绝缘子技术参数

小结：绝缘子在其技术参数中抗弯破坏负荷远远低于抗拉负荷，在施工过程中踩踏绝缘子容易造成绝缘子抗弯性能降低，影响绝缘寿命。

施工方面总结：运输时、未采取有效的包装措施，使其表面磕碰损伤，及施工过程中违章踩踏绝缘子，损坏绝缘子性能，影响绝缘寿命。

2.4 运行维护方面

2.4.1 负荷受力

机电破坏负荷试验是检测绝缘子的一项重要指标。瓷绝缘子随运行年限不合格率也随之增加。通过高频振动疲劳试验，振动后瓷绝缘子的机电强度明显下降。据绝缘子的失效调查集中于伞裙破坏，主要原因是：运行中的绝缘子在大部分时间里所受的机械负荷，只是其平均耐受负荷的一部分，远远低于芯棒的耐受负荷，可以说复合绝缘子在机械强度方面的可靠性远优于瓷绝缘子。

小结：随着运行时间增加，在不断的弓网震动及环境和电场的作用下，瓷质绝缘子的负荷绝缘子的电气强度和机械强度会逐步降低，影响绝缘寿命。

2.4.2 清扫方式

目前维护中采用的绝缘清扫方式主要有抹布擦拭、水冲洗、中性绝缘子清洁溶剂擦拭等三种方式。一是水冲洗主要利用冲洗机进行，冲洗时需将水压控制在一定的范围内，若水压过大会冲坏绝缘子，减少寿命。二是抹布擦拭硅橡胶绝缘子时需轻轻擦拭，掸去表面灰尘，若用力擦拭，会破坏硅橡胶绝缘子表面氧化膜，降低憎水性，缩短寿命。三是清扫溶剂只能用于瓷质绝缘子，若错误用于硅橡胶绝缘子，由于清洗剂带酸性，会腐蚀绝缘子，破坏机械性能、降低电气性能，缩短寿命。

2.4.3 清扫周期

依据现行的高速铁路、普速铁路接触网运行维修规则中规定（如图2），Ⅰ、Ⅱ级污秽等级区段清扫周期为3 年，Ⅲ级及以上污秽等级区段清扫周期为1 年，分段、分相绝缘器为6 个月。周期的过长，在小雨、雾等气象条件下，绝缘子表面形成污层，污层中的电解质成分会充分溶解在水中，在绝缘子表面形成导电通路，大大降低了绝缘子的电气强度，导致绝缘子闪络。

小结：绝缘子处于外部环境中，不及时进行绝缘清扫，随着运行时间增加，自然环境中的污染物会在绝缘子表面形成导电通路，降低了其电气强度，缩短使用寿命。

2.4.4 放电未及时发现。绝缘子因自身材料的原因，部分放电后绝缘子表面现象不明显，一旦发生绝缘子闪络或内部损坏，故障巡查时不易观察，无法及时更换，使得绝缘子带病运行，缩短了其使用寿命。

小结：闪络后绝缘子表面现象不明显，无法及时发现，导致绝缘子带病运行，缩短了其使用寿命。

图2 绝缘子污秽等级

2.4.5 检测试验

①检测项目。主要包括振动试验、疲劳试验、力学试验三种。振动试验：模拟零部件在现场的工作状态，检查零部件相关机械性能、变形、破损及松动的试验，选取零部件最大工作荷重，采用正弦振动波形，振动幅度为正负35mm，一个试验周期200 万次。疲劳试验：模拟零部件在现场的荷载条件，检查零部件在交变载荷作用下机械性能、变形、破损的试验，试验载荷在现场载荷的70%～130%之间周期变化，一个试验周期50 万次力学试验：包括破坏荷重试验、耐拉伸荷重试验、滑动荷重试验。②检测结果。检测试验悬式复合绝缘子2 支，承力索、接触线悬式落锚绝缘子各1 支，位置选择环境污染较严重区段，分别进行湿闪试验和耐拉伸荷重试验（如图3）。

图3 悬式绝缘子试验参数

经检测，悬式绝缘子所检项目均符合铁标标准及要求。

小结：绝缘部件经检测试验，全部合格。

运行维护方面总结：复合绝缘子在机械强度方面的可靠性远优于瓷绝缘子，一般情况下机械失效很少发生，大部分事故是由于伞裙破坏。

2.5 外部环境方面

2.5.1 可溶性污染物

绝缘子污闪过程大致是：分散在大气中的尘埃，在重力、风力以及绝缘子周围电场力等的作用下，便沉积到绝缘子表面，使绝缘子受到污染。绝缘子表面沉积的电解质愈多，在充分潮湿的条件下电离的离子数愈多，表面电导增加愈大，闪络电压就愈低。受重力、风力的作用，尘埃沉积到各片绝缘子表面及每片绝缘子的上、下表面的机率是不同的。[6]

小结：绝缘子附着可溶性污染物，在潮湿条件下，可溶性污染物电解质发生电离，最后导致闪络，影响绝缘寿命。

2.5.2 不溶性物质

通过研究不同的灰及灰密对绝缘子污闪特性的影响表明，绝缘子表面沉积的盐及盐密相同，且沉积了同种成分的灰室，灰密愈大，吸附水份愈多，电解质电离得愈充分，导电离子数愈多，得到的污闪电压就愈低。因此，当灰密增大到一定程度时，绝缘子的污闪电压不再随灰密的增大而降低，基本趋于稳定。[6]

小结：绝缘子在日常运行中表面附着不溶性物质，在潮湿的环境下不溶性物质吸附水份，使绝缘子的污闪电压降低，影响绝缘子寿命。

2.5.3 环境温度

研究表面，高湿度天气使得本来绝缘性能良好的绝缘子表面相当于加了一层导电体，使其憎水性降低，会导致复合绝缘子湿工频耐受电压值降低10%～30%，工频污秽耐受电压值降低幅值达30%～40%，[8]从而导致绝缘性能下降，引起绝缘子闪络。相同的污秽程度绝缘子污闪电压与环境温度成反比。由于温度升高，物质的溶解度增大，电解液粘度降低，离子运动速度增加，污层电阻降低。

小结：潮湿天气应加强对绝缘子的清扫，否则引起绝缘子污秽耐受电压降低。

2.5.4 大风沙尘天气

①瓷质绝缘子。飞扬的砂、石冲击或者打磨设备瓷套及绝缘子外表面，损坏绝缘子釉质，影响电气绝缘性能。同时，大量的沙尘会造成设备瓷套及绝缘子表面积灰严重，也会降低绝缘子表面绝缘性能。[9]②复合绝缘子。绝缘子的表面湿润时更易积污，在气候干燥地区，天气多为飞沙气候，绝缘子环境处在扬沙状态，沙尘不易沉积在绝缘子上，强风沙天气中瓷质绝缘子和复合绝缘子的积污特性并无本质区别。

小结：大风沙地区，复合绝缘子比瓷绝缘子更加合适，类型选择错误，极易缩短绝缘子的使用寿命。

2.5.5 鸟类

①鸟粪闪络。一种情况是鸟粪污液短路了空气绝缘引起闪络，二是鸟粪沾附在绝缘子伞裙表面，在环境湿度增加，如在雾雨天气下，绝缘子表面绝缘电阻下降，绝缘电流急剧上升而引发的沿面闪络。②鸟啄绝缘子。一些鸟类如黑卷尾、喜鹊、乌鸦和灰椋鸟等习性会啄损复合绝缘子的伞裙，伞裙的破坏会影响绝缘子的绝缘性能下降，影响设备的运行安全。③鸟类本身短路。体型较大的鸟类或鸟类张开翅膀时，短接绝缘子，缩短了空气间隙距即绝缘爬距，造成空气击穿，引起接触网线路跳闸。④鸟窝短接。当铁路线路周边树木较少时，鸟类会在棘轮补偿装置、格构式钢柱、硬横梁等位置筑巢，鸟类在筑窝过程中或在鸟窝搭建后，鸟类衔的树枝或铁线等，会缩短空气间隙，引起接触网线路跳闸。

小结：鸟害能对绝缘子的寿命造成影响，若不充分考虑各方面的因素并采取对应的措施，会造成绝缘闪络，缩短其寿命。

2.5.6 雷电

接触网遭受雷击的频度与线路所处地区的年平均雷电日数有关，我国根据雷电日的数量分为4 个等级：年平均雷电日在20d 及以下地区为少雷区，年平均雷电日在20～40d 及以下地区为多雷区，年平均雷电日在40～60d 及以下地区为高雷区，年平均雷电日在60d 以上地区为强雷区。雷击接触网线材时接触网产生过电压的值达到绝缘子的冲击放电电压时形成绝缘子闪络。[10]

小结：雷电引发绝缘子闪络，影响绝缘寿命。

2.5.7 覆冰

因接触网绝缘子一直暴露在自然环境中，绝缘子表面本身又起到类似凝结核的作用，气温降低至0℃以下，水滴在液态过冷后会发生形变，凝结成雾凇、雨凇状态，依附在绝缘子上，当达到一定的积累量后，形成了覆冰现象，绝缘子的绝缘能力下降，会引起绝缘子闪络。

小结：绝缘子在运行过程中，在一定的环境条件下，绝缘子表面会形成覆冰现象，减低绝缘子的绝缘能力，影响绝缘寿命。

外部环境方面总结：在外部环境方面，由于在绝缘子的污层分布不均匀或者处在恶劣气象环境下，是影响绝缘寿命的的主要因素。

3 结论

通过以上统计可以看出，设计中部分选材的不合理、未考虑现场安装环境，施工过程中的运输期间的磕碰，踩踏，及混合牵引区段、外部环境污层分布不均匀，及绝缘子运行过程中的环境、恶劣气象，是影响绝缘寿命的的重要因素；运行维护中，绝缘部件负荷受力、日常清扫的周期、方式的不合理，及放电未及时发现，是影响绝缘寿命的的主要因素；而生产加工过程的工艺质量，是影响绝缘寿命的轻微因素。

4 延长绝缘寿命的措施

4.1 绝缘部件采购时，选用取得相关资质，产品达标的厂家。

4.2 施工过程中，发现设计不合理或影响绝缘部件正常运行处所时，及时与设计预案院反馈沟通，进行设计变更，延长绝缘寿命。并严格按施工规范和工艺施工，严禁踩踏绝缘部件，发现绝缘缺陷及时进行处理，避免进一步恶化。

4.3 加强维护管理，规范绝缘子寿命维护管理，抽检、周期清扫、发现问题及时更换，为有效防止覆冰、雷击等对绝缘性能的影响，一是更换为复合材料绝缘子，复合材料绝缘子有良好的憎水性；二是将大爬电绝缘子应用在重污区、重雷区等恶劣运行环境地段；三是加强绝缘管理，通过科技攻关，不断总结摸索绝缘子附盐密度与清扫周期、清扫时间之间的关系，科学掌握绝缘清扫的规律，切实提高供电可靠性。

4.4 匹配绝缘子运行地段，优化绝缘子本体的设计，一是提高憎水性能，在绝缘子表面涂覆RTV 防污材料，二是调整伞裙布局和结构。