徐驕陽(yáng)

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)公司上海動(dòng)車段 上海 201812)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家高速鐵路網(wǎng)的不斷完善，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中承擔(dān)交通大動(dòng)脈的高鐵主干線運(yùn)能也日益飽和甚至多線路已超負(fù)荷。以京滬高鐵為例，目前最小追蹤間隔大概是5 min，為提升運(yùn)能，提高發(fā)車密度，現(xiàn)階段已在研究和測(cè)試最小追蹤間隔4 min和3 min的可行方案。現(xiàn)有運(yùn)維現(xiàn)狀對(duì)高速列車的可用性和安全性提出了更嚴(yán)苛要求。作為高速列車裝備中最重要的系統(tǒng)之一的高壓系統(tǒng)，它的安全可靠對(duì)列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。當(dāng)高壓系統(tǒng)發(fā)生故障，輕則導(dǎo)致列車某一高壓?jiǎn)卧沟昧熊嚢踩越档停貏t導(dǎo)致全列牽引失效或接觸網(wǎng)及車載設(shè)備損壞，甚至還會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)輸秩序[1-2]。近兩年來(lái)，全路多車型發(fā)生了多起網(wǎng)側(cè)高壓接地故障，其中最為典型的便是由車頂高壓電纜終端異常放電引發(fā)的接地故障。

1 典型故障案例分析

1.1 故障概況

2018年某日，某型動(dòng)車組列車檢修完畢后停放于存車線待發(fā)車，進(jìn)行投主控鑰匙、升弓、閉合主斷路器等常規(guī)準(zhǔn)備工作，約3 min后，列車高壓控制單元因檢測(cè)到線電流過(guò)流而導(dǎo)致高壓系統(tǒng)硬保護(hù)觸發(fā)并自動(dòng)斷開(kāi)主斷路器，顯示屏(HMI)報(bào)出故障代碼33E8(“高壓控制單元1觸發(fā)線電流保護(hù)”)和33F2(“高壓控制單元2觸發(fā)線電流保護(hù)”)。隨后，列車所在股道供電單元發(fā)生跳閘。

1.2 故障調(diào)查

為詳查故障情況，下載了列車中央控制單元(CCU)、多功能車輛總線(MVB)和受電弓監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，復(fù)盤(pán)故障發(fā)生過(guò)程，綜合分析后初步判定是由車頂高壓電纜終端連接器異常放電導(dǎo)致的高壓接地故障。圖1所示為受電弓視頻監(jiān)控設(shè)備捕捉到的03車車頂高壓設(shè)備故障時(shí)段同部件同位置處異常放電，受電弓等高壓設(shè)備短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了持續(xù)性或強(qiáng)或弱的異常拉弧放電。

(a)車頂強(qiáng)烈拉弧放電 (b)車頂輕微拉弧放電圖1 03車同位置不同時(shí)刻異常放電監(jiān)控畫(huà)面

對(duì)列車中可能涉及的各類電氣設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的狀態(tài)檢查。圖2所示為檢查發(fā)現(xiàn)的主要受損部件，整個(gè)高壓機(jī)箱體內(nèi)充滿了粉塵，其中A區(qū)域中有大量碳化粉塵，終端連接器的絕緣傘裙表面有嚴(yán)重電蝕痕跡(見(jiàn)B區(qū)域)，連接器傘裙底部有一明顯破洞(見(jiàn)C區(qū)域)，受電弓碳滑板電灼嚴(yán)重(見(jiàn)D區(qū)域)。檢查相鄰高壓?jiǎn)卧囕v上各同類設(shè)備，狀態(tài)皆良好，未見(jiàn)異常。

圖2 03車車頂受損高壓設(shè)備部件外觀

2 電纜連接器失效原因及機(jī)理分析

2.1 電纜連接器簡(jiǎn)介

特高壓電纜終端連接器主體為硅橡膠整體成型的橡膠塊，承擔(dān)外部絕緣、內(nèi)部絕緣、緩和電場(chǎng)等作用，內(nèi)部為能夠起到電場(chǎng)屏蔽和支撐作用的黃銅襯管，電纜可貫穿其中。該部件在動(dòng)車組列車上為2個(gè)相鄰高壓?jiǎn)卧g電力傳輸電纜的終端連接部，主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電纜終端連接器構(gòu)造及零部件功能

2.2 連接器失效機(jī)理探究

為探究終端連接器內(nèi)部絕緣缺陷的原因和機(jī)理，對(duì)此類故障的17件部件和所屬同批次產(chǎn)品進(jìn)行了一系列測(cè)試、化驗(yàn)和分析計(jì)算等工作。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真、電氣測(cè)試、高低溫循環(huán)試驗(yàn)、X射線檢查等多種手段進(jìn)行故障推演和重現(xiàn)。依據(jù)合理的假設(shè)并進(jìn)行驗(yàn)證，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案、材料特性、制造工藝、裝配工藝等多方面探究失效原因。

(1)電場(chǎng)強(qiáng)度仿真分析

為驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否滿足電氣性能要求，設(shè)計(jì)了仿真計(jì)算方案(見(jiàn)圖4)，得到了產(chǎn)品內(nèi)部等電位分布和各主要關(guān)鍵位置電場(chǎng)強(qiáng)度值(見(jiàn)表1)。仿真環(huán)境中的額定電壓根據(jù)GB/T 28427設(shè)定為27.5 kV。電場(chǎng)強(qiáng)度最大值位于內(nèi)部半導(dǎo)電層尖端(部位②)為2.9 kV/mm，硅橡膠介電強(qiáng)度為25 kV/mm，設(shè)計(jì)裕度約8.6倍，滿足要求。所有故障件絕緣擊穿處(部位①)電場(chǎng)強(qiáng)度為2.4 kV/mm，遠(yuǎn)小于材料介電強(qiáng)度。

圖4 仿真分析模型

表1 各關(guān)鍵部位電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

(2)絕緣材料撕裂強(qiáng)度分析

按照GB/T 529—2008 硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測(cè)定方法，隨機(jī)挑選17件故障件所屬的8個(gè)批次中的樣品進(jìn)行測(cè)試。為驗(yàn)證制造工藝對(duì)材料撕裂強(qiáng)度的影響，研究了相同硫化條件下(110 ℃×4 h)，不同注膠速度對(duì)硅橡膠撕裂強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5、圖6所示。此外，還對(duì)比驗(yàn)證了不同硫化條件對(duì)撕裂強(qiáng)度的影響(見(jiàn)圖7)。結(jié)果表面注膠速度、絕緣材料的二次硫化條件與其撕裂強(qiáng)度的關(guān)系顯著，故障件批次產(chǎn)品采用的注膠速度為12 g/s、二次硫化條件為110 ℃×4 h的制造工藝，導(dǎo)致了產(chǎn)品撕裂強(qiáng)度低、波動(dòng)大。

圖5 注膠速度對(duì)比

圖6 硫化條件差異對(duì)比

(3)高低溫循環(huán)試驗(yàn)分析

通過(guò)高低溫循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證硅橡膠材料性能，選取半導(dǎo)電層有剝離的電纜終端，X射線檢查裂紋長(zhǎng)35 mm。在終端內(nèi)插入外徑32.8 mm 的環(huán)氧樹(shù)脂棒模擬電纜，并先在-20 ℃環(huán)境放置3 h，再在60 ℃環(huán)境放置3 h，6 h為1 個(gè)循環(huán)，反復(fù)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)共進(jìn)行28 天，第71 個(gè)高低溫循環(huán)后，被試品絕緣層發(fā)現(xiàn)了裂紋，長(zhǎng)度約71 mm，如圖7所示。

圖7 高低溫循環(huán)試驗(yàn)前后對(duì)比結(jié)果

(4)加工工藝分析

在調(diào)查分析連接器加工各工藝環(huán)節(jié)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)電層精加工打磨工序中缺少必要的保護(hù)措施，打磨過(guò)程中使用鋼絲刷易造成銅管端部與半導(dǎo)電層連接處損傷。此外，端部半導(dǎo)電橡膠與銅管間的粘接工藝有缺陷，在涂抹過(guò)程中混入適量水汽來(lái)模擬測(cè)試，檢測(cè)完工產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)電層有剝離現(xiàn)象。

(5)裝配應(yīng)力仿真計(jì)算

考慮到電纜和終端連接器裝配不當(dāng)可能引起連接器內(nèi)部半導(dǎo)電層與銅管連接處應(yīng)力集中。為驗(yàn)證該設(shè)想，采用計(jì)算機(jī)仿真方法建模分析電纜和連接器裝配時(shí)的應(yīng)力分布。終端連接器端部半導(dǎo)電層內(nèi)徑為26.5 mm，電纜外徑為(32.8±1)mm，電纜插入后半導(dǎo)電層孔徑需擴(kuò)張5.3～7.3 mm。僅以硅膠孔徑擴(kuò)張6 mm的情況為例，計(jì)算電纜插入會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力最大值約為4.2 MPa，位于半導(dǎo)電層與銅管連接處(圖8的方框內(nèi))。此外，高壓電纜裝配過(guò)程中，若電纜插入時(shí)有變形，也將產(chǎn)生較大應(yīng)力。經(jīng)仿真計(jì)算，若電纜裝配時(shí)變形量達(dá)10 mm，銅管端部與半導(dǎo)電層連接處最大應(yīng)力可達(dá)11.2 MPa。

圖8 裝配應(yīng)力分析結(jié)果

(6)失效原因和機(jī)理總結(jié)

研究分析了導(dǎo)致連接器潛在失效的因素，雖未能完全窮舉，但從測(cè)試、仿真分析等結(jié)果看，基本判定失效主要原因和機(jī)理為以下5點(diǎn)：(1)故障件所在批次產(chǎn)品的注膠工藝更改導(dǎo)致絕緣材料撕裂強(qiáng)度偏低；(2)組件打磨加工工藝質(zhì)量管控和評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有顯著缺陷，易導(dǎo)致半導(dǎo)電層損傷；(3)產(chǎn)品的抗老化性能不好，高低溫循環(huán)測(cè)試中重現(xiàn)了故障件剝離現(xiàn)象；(4)組件粘接工藝存在潛在操作風(fēng)險(xiǎn)，易導(dǎo)致粘接強(qiáng)度不夠使得半導(dǎo)電層剝離；(5)電纜與連接器裝配不當(dāng)易導(dǎo)致半導(dǎo)電層與銅管端部連接處應(yīng)力集中，導(dǎo)致?lián)p傷發(fā)展和累積[2]。

3 列車運(yùn)維風(fēng)控對(duì)策及技術(shù)優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化完善列車故障處置措施

為合理控制安全風(fēng)險(xiǎn)，作為列車運(yùn)維單位還須提升針對(duì)此類故障的研判能力、處理質(zhì)量及處置效率。以運(yùn)維管理的視角提出針對(duì)該故障處置對(duì)策的優(yōu)化主要包括：(1)改進(jìn)列車故障診斷系統(tǒng)中與終端異常放電有關(guān)的信息展示方式和提示內(nèi)容，包括將高度傾向該故障的代碼信息展示優(yōu)先級(jí)提升至最高，修改可能引發(fā)司乘人員不當(dāng)操作進(jìn)而導(dǎo)致故障二次破壞或故障影響擴(kuò)大化的處置措施提示；(2)修改該車型此類故障的應(yīng)急處置規(guī)章中的有關(guān)內(nèi)容，加強(qiáng)人員培訓(xùn)，按照更完善的處置流程進(jìn)行作業(yè)，避免引發(fā)人為次生災(zāi)害；(3)日常維修工作中，改進(jìn)電纜終端的狀態(tài)檢查手段和方法，例如按修程結(jié)合作業(yè)項(xiàng)點(diǎn)，運(yùn)用工業(yè)CT排查隱患終端。

3.2 高壓接地故障在線檢測(cè)方法

研究電纜終端類接地故障的在線檢測(cè)方法是關(guān)于事中控制的重要一環(huán)。由于列車設(shè)計(jì)原理所致，現(xiàn)有的電路過(guò)流過(guò)壓檢測(cè)的軟硬件無(wú)法完成精準(zhǔn)的故障隔離。以該車型8編組為例，當(dāng)03車升弓側(cè)或06車非升弓側(cè)高壓設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，只有電流互感器CT1能夠檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)，但是無(wú)法判定接地故障點(diǎn)位于升弓側(cè)還是非升弓側(cè)，這也是造成途中進(jìn)行此類故障處置時(shí)風(fēng)險(xiǎn)隱患大的根本原因。因此，為改進(jìn)高壓設(shè)備接地故障隔離精度，在與主機(jī)廠、設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行了一系列技術(shù)探討后，確定了一種已實(shí)施并已取得好成效的技術(shù)方案，即新增設(shè)電流互感器。

保留既有電流互感器CT1、CT2、CT3，在高壓箱外增加電流互感器CT4，套在車頂高壓線纜上，用于檢測(cè)本單元輸入或相鄰高壓?jiǎn)卧敵鲭娏?，?yōu)化后主電路拓?fù)淙鐖D9所示。

圖9 優(yōu)化后主電路拓?fù)?/p>

新增的CT4 電流信號(hào)由本單元高壓控制單元讀取，同時(shí)具備瞬時(shí)峰值保護(hù)功能。增加兩個(gè)CT4 電流互感器后，可將本單元CT1 至臨單元CT2 間主電路劃分為2 段，根據(jù)電流互感器的過(guò)流情況，判斷具體區(qū)段，接地檢測(cè)邏輯如下。

(1)非升弓側(cè)高壓設(shè)備接地檢測(cè)邏輯若升弓側(cè)CT4檢測(cè)的電流峰值大于閾值(650 A)或非升弓側(cè)峰值大于閾值(650 A)，則由CCU匯總信息，判斷為非升弓單元側(cè)發(fā)生接地故障，報(bào)出相應(yīng)故障代碼，給出相應(yīng)處置措施提示。

(2)升弓側(cè)高壓設(shè)備接地檢測(cè)邏輯

若小于限值(1 300 A)且升弓側(cè)峰值小于閾值(650 A)且非升弓側(cè)峰值小于閾值(650 A)，則由CCU匯總信息，判斷為升弓單元側(cè)發(fā)生接地故障，報(bào)出相應(yīng)故障代碼，給出相應(yīng)處置措施提示。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，各車型高壓系統(tǒng)故障頻發(fā)，此類故障很容易演化為嚴(yán)重事故，極易造成惡劣影響。通過(guò)對(duì)頻發(fā)的典型高壓接地故障進(jìn)行分析，探討了其故障原因，并利用多種方法研究了其故障機(jī)理和失效因素。以動(dòng)車組運(yùn)維管理視角，給出了有針對(duì)性的系列改進(jìn)措施，提出了一種高壓接地故障在線檢測(cè)技術(shù)方案，并經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證后取得了很好的效果，有一定的推廣參考價(jià)值。