材料保证加强绝缘部分的电气和机械性能，适应高速动车组在高速运行时的环境要求而又不影响绝缘子的强度和安全，同时经过高压闪络试验对改进后的高压绝缘子进行了试验验证。
关键词：绝缘子 最小电气间隙 爬电距离 最大耐受电压
中图分类号：U225.8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0222-02
受电弓绝缘子是列车特高压系统最重要的部件之一，绝缘子的状态好坏直接影响到列车的安全运行，近期京沪线上300 km等级高速动车组频频发生受电弓对车体放电事故，尤其雨雾天气情况更是严重。300 km及以上速度等级的高速动车组在雨雾天气或表面覆盖污物的情况下，导致动车组车顶受电弓支撑绝缘子下降，从而引起绝缘子污闪。
受电弓绝缘子是带电的将干线受电弓与车体进行电气隔离的设备，它将弓网系统与车体进行电气隔离，同时实现受电弓与车体的机械连接。污闪故障是由于绝缘子的电气隔离功能被减弱引起的。
1 原因分析
1.1 结构组成
300 km及以上速度动车组受电弓绝缘子外形如图1所示，绝缘子制造材料为环氧树脂，电气性能参数如下。
最小电气间隙：353 mm，最小爬电距离1097 mm，额定耐受电压90 kV（有效值），污秽耐受电压30 kV。
1.2 原因分析
1.2.1 电气间隙
GB/T21413.1-2008铁路应用 机车车辆电气设备第1部分：一般使用条件和通用规则规定了海拔1400 m以下的电气间隙310 mm，更高一级别为370 mm，即使最为苛刻的BSEN 50124-1-2001铁路应用 绝缘配合第1部分：基本要求。电工电子设备的电气间隙和爬电距离（英文）标准也是310 mm。该受电弓支撑绝缘子最小电气间隙353 mm，满足相关标准的要求。
1.2.2 爬电距离
TB/T 3077.2-2006电力机车车顶绝缘子第2部分：复合绝缘子规定25 kV等级爬电距离大于750 mm，GB/T21413.1-2008中规定PD4爬比为25 mm（对应爬电距离750 mm），BSEN 50124-1-2001中规定PD4爬比为30 mm（对应爬电距离900 mm）。
1.2.3 引起污闪的原因
受电弓绝缘子有两个功能即电隔离和机械连接，污闪主要是由于电隔离功能被减弱引起的，当受电弓支撑绝缘子表面覆盖污物时，绝缘子的绝缘性能下降，当表面污物达到一定程度时或使用环境恶化时（像雨雾天气），引起绝缘子绝缘性能下降，从而导致污闪现象。
2 绝缘子性能的改进方案
将绝缘子高度100 mm的金属凸台部分改造为与绝缘子伞裙同类的绝缘性能高的材料，提高绝缘子的绝缘性能，增大电气间隙，可以有效提高绝缘子的闪络电压和污秽起雾闪络电压。
改造方案如下：将金属凸台用35 kV等级伞裙冷缩套管进行密封，对套管与绝缘子第一个伞裙接镶位置用室温固化橡胶膏进行加强处理。
3 可行性分析
3.1 伞裙冷缩套管材料性能分析
伞裙冷缩套管材料为广泛应用于高压绝缘和电力防污闪的硅橡胶，该材料采用硅和天然橡胶通过重新进行分子排布，保证分子成四点网状交联排列，从而保证材料即具很高的机械性能，又有很好的弹性。同时甲基基团均匀排布在主链结构的正上方的分子结构，保证了该硅橡胶具有很好的憎水性能。
耐热性：硅橡胶为无色至乳白色的弹性体，二甲基硅橡胶、甲基乙烯硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶比重为0.96～0.99，甲基三氟丙基乙烯基硅橡胶比重为1.3左右，硅橡胶主链结构为Si-O键组成，Si-O键能较高达451 kJ/mol，总而言之，硅橡胶具有较高的热稳定性，在150℃～180 ℃下可以极长期的使用，在200℃～250 ℃下性能变化仅发生在高温作用的初期（如250 ℃为前5d），此后性能几乎无变化。硅橡胶的耐寒性很好，可以在-60 ℃或更低的温度下使用，硅橡胶一般在-30 ℃时性能发生变化，即随温度降低硬度、抗张强度及压缩永久变形值有所增加，伸长率则降低，但这些变化是可逆的，温度升高后便能回复。
机械强度：硅橡胶的分子量即使达到50～70万时，其柔性仍远较其他有机橡胶好，这是由于它的甲基是绕Si—轴旋转运动，氢原子占有相当广阔的，因而与相邻分子的距离较大，分子间相互吸引力较小，故而无配合填充剂的硫化胶抗张强度很低，小于1 MPa，伸长率约60%。虽然硅橡胶的补强效率远较其他橡胶为高，但是由于硅橡胶的机械强度、耐磨性等性能仍较一般有机橡胶差，在配料的各组份事宜的情况下，硅橡胶硫化胶机械性能可以获得较高的水平，如甲基乙烯基硅橡胶的硫化胶，最高可达10 MPa以上，抗撕强度可达350～690 kn/m。
电气性能：有机硅橡胶的多数品种虽然含有少量的乙烯基，但它们仍属于饱和橡胶，主链由硅-氧键构成，从而具有良好的耐候性和耐臭氧性。有机硅橡胶的疏水性很高，在潮湿的环境下工作，介电性能改变很小；高压蒸汽的环境下时，将发生水解和解聚作用。硅橡胶的电绝缘性能优良，在所有的使用环境温度下，介电性能都比较稳定，即使在突发事件的高温下，介电性能降低也较少且仍能保持良好的绝缘性能指标。
3.2 阻燃性能
选用热稳定性较高的无卤阻燃剂，通过阻燃剂之间的协效，使甲基乙烯基硅橡胶的阻燃性能达到所需要求，且满足在高温条件下使用。采用阻燃剂PAN和ETT复配，在60份时可以达到FV-0阻燃级、氧指数38.9%。在此基础上添加少量氧化锌和硼酸锌作为阻燃协效剂，能有效提高对硅橡胶的阻燃效率，当阻燃剂减少到55份时，垂直燃烧通过FV-0级，氧指数38.7%，同时所制阻燃材料拉伸强度达到4.6 MPa，拉断伸长率520%、撕裂强度达到20 kN/m，而且具有优良的耐热性。经200 ℃×24 h热空气老化后，拉伸强度和拉伸长率保持率为83.5%、70.3%。
3.3 绝缘子风压分析
首先计算出绝缘伞裙有效迎风面积，按照动车最大行驶速度为300 km/h计算相对风速V，就可计算绝缘伞裙所承受的风力。风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出风-压关系，风的动压为：
wp=0.5·ro·v2 （1）
其中wp为风压（kN/m2）；ro为空气密度（kg/m3），v为风速（m/s）。
计算时采用环境条件为标准状态下（1013 hPa，温度为15 ℃），空气重度r=0.01225（kN/m3）。纬度为45°处的重力加速度g=9.8 m/s2时，可以计算出整个绝缘伞裙所受压力。
标准状态下，由于空气密度和ro与重度r的关系为r=ro·g，因此，有ro=r/g。将这一关系带入公式（1）中得到：
wp=0.5·r·v2 （2）
将标准状态下的参数代入公（2）可得出标准状态下的风压公式：
wp=v2/1600（kN/m2） （3）
此式为用风速估计风压的通用公式。应当指出的是，空气重度和重力加速度随纬度和海拔高度而变。一般来说，r/g在高原上要比在平原地区小，也就是说同样的风速在相同的温度下，其产生的风压在高原上比在平原地区小。
列车在设计时速350 km时的速度97.22 m/s，自然风速33 m/s代入（3）式中：
wp=v2/1600=10.60（kN/m2）
3.4 绝缘伞裙的有效受风面积计算
绝缘伞裙如图2所示，受风面积以正面风压、断面受风为准进行计算，硅橡胶绝缘伞裙收缩到Φ60直径的金属支撑棒上后，伞裙的成型直径为160 mm，伞裙根部厚度设计为16 mm，边缘设计厚度为8 mm，伞裙高度120 mm，计算受风面积为0.01232 m2。
伞裙绝缘部分在列车以300 kM/h速度行驶时正面断面所受风压力为：wp=10.60（kN/m2）×0.01232= 0.13058 kN=13.058（Kg）
3.5 校验伞裙绝缘件的抗张强度
抗张强度=抗拉强度=0.13058 kN/ 0.01232=10.60（kPa）
该伞裙绝缘件采用甲基乙烯基硅橡胶的硫化胶，在配料的各组份选择合适的情况下，柜橡胶硫化胶的机械强度可以获得较高的水平，其抗张强度可达11～ 13 MPa，抗撕强度为20 kN/cm。
3.6 结论
根据以上计算及分析可知，该绝缘伞裙安装在动车组以300 km/h速度行驶时所承受的正面风压远小于额定值，不会对动车组的运行产生不利影响。
4 试验验证
对处理后的绝缘子进行闪络试验，第一次试验，闪络电压为144 kV，放电路径为绝缘子的最短电气间隙。
对处理后的绝缘子进行，第二次闪络试验，闪络电压为145 kV，闪络放电位置与第一次相同（见图3）。
对改进前后的受电弓支撑绝缘子进行污秽起雾闪络试验，在绝缘子表面涂灰密1.0 mg/cm2，盐密0.15 mg/cm2，进行试验，试验结果为，加强绝缘处理前的污秽起雾闪络电压为37.5 kV，加强绝缘处理后的绝缘子的污秽起雾闪络电压升高至为42 kV。
5 结论
对受电弓支撑绝缘子进行绝缘处理后，绝缘子的闪络电压由119 kV提高到144 kV，绝缘处理后的绝缘子闪络电压提升20%。污秽起雾闪络电压由37.5提高到42 kV，绝缘加强后的支撑绝缘子的污秽起雾闪络电压提高4.5 kV。最小电气间隙由353提高到405 mm。绝缘能力提升了一个等级（最小电气间隙370 mm，耐受闪络电压104 kV）。
参考文献
[1]GB/T21413.1-2008铁路应用 机车车辆电气设备第1部分：一般使用条件和通用规则[S].
[2]BSEN 50124-1-2001铁路应用 绝缘配合第1部分：基本要求 电工电子设备的电气间隙和爬电距离（英文）[S].