楊四海

（上海動車段，上海 201803）

2019年9月~2021年10月，CR400BF、CR300BF平臺動車組運營期間共計發(fā)生8起22CBCKE型主斷路器接地觸頭放電燒損故障，如圖1所示。

圖1 主斷路器放電故障圖

2020年05月31日，某局CR400BF動車組列車出分相合主斷瞬間，03車報代碼【33E8】（高壓控制單元1觸發(fā)線電流過流保護）、【33F2】（高壓控制單元2觸發(fā)線電流過流保護），主斷路器斷開并手動降弓停車，切除01車~08車高壓設備，升11車受電弓單弓開車，區(qū)間臨停13 min。

2021年07月12日，某局CR300BF動車組運行至平安驛—西寧區(qū)間（海拔約2 261 m，環(huán)境溫度12~27℃），CR300BF動車組06車自動降弓，報故障代碼【3013】（升弓單元接地）。13時16分停車，隨車機械師查看視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)CR300BF動車組06車受電弓有放電現(xiàn)象，換升03車受電弓開車，區(qū)間臨停6 min。

1 故障分析及試驗

1.1 現(xiàn)車調查分析情況

選取CR400BF動車組03車主斷路器接地觸頭放電燒損故障作為案例進行調查分析。

1.1.1數(shù)據(jù)分析情況

下載并查看03車HVCU數(shù)據(jù)，顯示06時13分16秒，03車接收到板卡硬保護類型指令，HVCU1和HVCU2觸發(fā)變壓器入口電流保護，線電流互感器記錄到當時的網(wǎng)流峰值為65 462 A，網(wǎng)流峰值實際值最大達1 309 A，超出報警閾值1 300 A。

1.1.2高壓部件檢查情況

CR400BF動車組回庫登頂檢查，03車高壓箱外觀及受電弓狀態(tài)無異常，受電弓碳滑板存在放電灼損痕跡；打開03車高壓箱，檢查03車高壓箱內各高壓部件，高壓箱內部無水跡及可見異物，箱體頂蓋、側壁、接地開關和主斷路器外表面等部位存在明顯放電痕跡，主斷路器接地觸頭、底座吊裝螺紋孔、箱體側壁和接地開關轉臂有明顯電蝕點；檢查03車主變壓器T型頭及輸入輸出高壓電纜、CT 2變壓器原邊電流互感器外觀狀態(tài)無異常。

1.1.3調查小結

結合各鐵路局發(fā)生的8起故障調查和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時刻均為車組閉合主斷路器瞬間，弓網(wǎng)之間發(fā)生放電現(xiàn)象；故障高壓箱內主斷路器輸入側的接地觸頭均存在明顯的放電燒損情況；長編、重聯(lián)車組也是高壓箱內放電的影響因素之一。

1.2 地面調查分析情況

1.2.1高壓箱結構說明

復興號平臺動車組高壓箱在相對密閉的空間內集成有主斷路器、接地開關、高壓隔離開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器等，如圖2所示［1］。

圖2 高壓箱組成結構

1.2.2高壓箱或部件自身絕緣能力分析

（1）絕緣材料的絕緣性能分析

高壓箱內部采用空氣和GPO-3絕緣板為主的復合絕緣方式，以滿足絕緣耐壓要求，雷電沖擊耐受電壓170 kV。高壓箱內的絕緣材料主要有硅橡膠絕緣子、GPO絕緣板及涂有RTV涂料的玻璃鋼頂蓋［2］。

對CR400BF動車組03車故障高壓箱進行雷電沖擊電壓測試，177 kV時無擊穿或閃絡現(xiàn)象發(fā)生?？梢娫陧斏w隔音棉碳化、絕緣子等絕緣材料表面狀態(tài)不佳的情況下，高壓箱仍能夠承受170 kV雷電沖擊耐受電壓。

拆解故障高壓箱內的絕緣板進行耐壓測試，施加工頻56 kV，持續(xù)時間85 s，絕緣板未發(fā)生擊穿損傷。

上述試驗結果分析，高壓箱整體絕緣性能仍滿足設計要求，絕緣材料的絕緣性能未下降。

（2）主斷路器絕緣水平及性能分析

檢查CR400BF動車組故障主斷路器外觀，極間存在明顯的燒蝕痕跡，對其極間和高壓對地均按新造標準（極間85 kV/min、高壓對地100 kV/min）進行工頻耐壓測試，無閃絡或擊穿現(xiàn)象。

對該故障主斷路器進行絕緣性能、動作特性等例行試驗檢測，并與新造出廠時的數(shù)據(jù)進行對比，見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)對比表

對主斷路器進行逐步解體檢查：①拆下真空斷路器底板，檢查氣路、電路接頭及輔助觸點狀態(tài)，無松動破損等異?，F(xiàn)象。②拆下傳動氣缸組件，檢查傳動桿位置，無傾斜，位置正常。③拆解超程彈簧及復位彈簧機構，零部件安裝位置正常，無松動或卡滯等現(xiàn)象及痕跡。④拆解上絕緣子單元，取出真空包，檢查真空包的外觀狀態(tài)正常，無破損或開裂等異?，F(xiàn)象。對真空包進行真空度檢測結果為2.64×10-4Pa，滿足≤9.99×10-4Pa的標準要求。

通過地面試驗及故障件拆解，高壓箱內絕緣材料、主斷路器絕緣性能均滿足新造標準要求，可排除高壓箱或部件自身絕緣能力下降導致主斷接地觸頭對地放電。

1.2.3放電路徑分析

通過對高壓箱內部件對地電氣間隙測量及分析，同一高壓端的主斷路器輸入側對地電氣間隙為310 mm，小于主斷接地觸頭對接地臂及箱體的電氣間隙，可見放電路徑并非最短電氣間隙；高壓對絕緣頂蓋的距離中，跳線電纜對頂蓋的距離為147 mm，小于主斷路器接地觸頭與頂蓋的距離，可見放電位置距離頂蓋同樣并非最短距離，放電路徑均為主斷極間、主斷輸入端接地觸頭高壓對地（地包括接地臂、箱體側壁及基座板）［3］。

1.2.4操作過電壓影響分析

（1）接觸網(wǎng)過電壓分析

對接觸網(wǎng)電壓波形分析，接觸網(wǎng)電壓存在大量諧波疊加，動車組運行的接觸網(wǎng)諧波含量較多的情況下，實測的峰值過電壓將達到59.8 kV，在實際動車組運行過程中，很可能存在高于59.8 kV的過電壓峰值。

（2）變壓器側過電壓分析

主斷路器接地觸頭放電故障發(fā)生在動車組出分相區(qū)，主斷路器閉合瞬間。根據(jù)動車組型式試驗標準要求，變壓器原邊操作過電壓允許值不超過網(wǎng)壓值2.4倍，參考CR400BF-0503動車組的整車型式試驗報告，實際測得的合閘瞬間操作過電壓最大為1.5倍，對應峰值為27.5×1.414×1.5=58 kV［4］。

（3）極間過電壓擊穿放電分析

主斷路器在合閘后的暫態(tài)過程中，回路中將發(fā)生高頻振蕩，振蕩頻率遠大于電源頻率?？紤]最嚴重情況，即在電壓幅值最高值時合閘，操作過電壓將達到2倍過電壓，由于回路中存在損耗，實際振蕩過程中電壓要低于2倍過電壓。主斷路器合閘后可能出現(xiàn)彈跳，如果動靜觸頭分開后，觸頭之間的操作過電壓產(chǎn)生相位差，按上述變壓器側過電壓型式試驗數(shù)據(jù)和接觸網(wǎng)實測過電壓數(shù)據(jù)分析，主斷路器極間的過電壓可能會疊加到117.8 kV（59.8 kV+58 kV）。而動車組主斷合閘瞬間的操作過電壓幅值具有隨機性，其大小與當時接觸網(wǎng)網(wǎng)壓、諧波及合閘時刻網(wǎng)壓相位等因素有關，實際主斷極間的操作過電壓可能會更高［4］。

（4）主斷路器極間耐受能力分析

對主斷路器極間進行工頻電壓極限耐受能力測試，在極間施加100 kV工頻電壓并保持1 min時，無閃絡或擊穿現(xiàn)象，當繼續(xù)升高工頻電壓至105 kV時，出現(xiàn)擊穿放電現(xiàn)象，說明主斷路器極間耐受工頻電壓的極限值約100 kV，對應峰值約為140 kV。

（5）過電壓導致直接對地放電分析

考慮到主斷路器后端的電纜長度較短，主要為變壓器的感性負載，在主斷路器合閘及彈跳過程中，主觸頭易發(fā)生重燃和振蕩，導致操作過電壓較高，并在主觸頭彈跳過程中將過電壓傳遞至輸入端接地觸頭，由于接地觸頭位置場強較集中，過電壓導致電暈放電更劇烈，空氣電離范圍擴大，在高壓箱密閉的小空間內造成高壓對地放電故障。

根據(jù)操作過電壓靜態(tài)測試結果可知，長編、重聯(lián)車組閉合主斷時會在短時間內出現(xiàn)2次操作過電壓，二次沖擊更容易引發(fā)空氣擊穿，因此長編、重聯(lián)車組二次操作過電壓是誘發(fā)主斷接地觸頭對地放電的原因之一。

1.2.5箱內空氣絕緣水平分析

（1）箱內溫度分析

高壓箱為相對密閉空間，為驗證箱內溫度變化對絕緣性能的影響，分別在箱內溫度29℃和56℃情況下對高壓箱施加雷電沖擊電壓［5］。

①箱內溫度29℃情況下，雷電沖擊擊穿電壓為186 kV。

②箱內溫度56℃情況下，雷電沖擊擊穿電壓為176 kV。

因此，在箱內溫度56℃的情況下，高壓箱仍滿足雷電沖擊電壓170 kV的設計要求，但溫度升高會導致絕緣性能下降。

（2）海拔升高對絕緣水平的影響分析

針對CR300BF型動車組發(fā)生的3起高壓箱主斷輸入端接地觸頭放電故障，經(jīng)調查故障區(qū)間為不同供電臂。CR300BF動車組故障發(fā)生地點為西寧站前方，海拔約2 261 m，CR300BF-3001、3018動車組故障發(fā)生地點為河口南站附近，海拔約1 560 m。污閃電壓Uf（p）隨著氣壓p而變化為式（1），空氣間隙存在類似的規(guī)律［6］：

式中：Uf（p）為氣壓p條件下所對應的污閃電壓；Uf（p0）為氣壓p0所對應的污閃電壓；海拔高度0 m時p0=101.3 kPa，海拔高度2 200 m時p=76.2 kPa，海拔高度1 500 m時p=84 kPa；交流電壓下的特征指數(shù)n=0.5。

CR300BF型動車組發(fā)生接地觸頭放電故障均發(fā)生在海拔相對較高的線路區(qū)間，動車組運行高海拔區(qū)間時，海拔升高，氣壓降低，空氣稀薄，導致空氣絕緣水平降低。依據(jù)式（1），海拔2 261 m時絕緣水平下降至91%左右，海拔1 560 m時絕緣水平下降至86%左右。

（3）電暈對絕緣水平的影響分析

①超聲波成像技術檢測

將箱蓋打開、主斷路器斷開的情況下，在距離接地觸頭約3 m的位置，采用超聲波測試儀，對高壓箱進行電暈放電檢測。施加工頻37.5 kV，并逐步升壓至75 kV，并分別記錄37.5、55、60、75 kV下的檢測結果，如圖3所示。

圖3 超聲波成像檢測結果

在相同環(huán)境下，電壓逐步升高過程中，斷路器輸入側接地觸頭處出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象，相對于電纜進線端更為明顯。

②紫外成像技術檢測

將高壓箱蓋合上，拆除避雷器附近的爆破口，采用紫外成像儀在高壓箱附近約1 m位置對高壓箱進行電暈放電檢測，記錄不同工頻電壓等級下測試結果，如圖4所示。

圖4 紫外成像技術檢測結果

可見，施加工頻電壓越高，主斷路器輸入側接地觸頭的電暈放電越劇烈。操作主斷路器動作時，電暈放電現(xiàn)象有向外擴散趨勢。

試驗驗證，高溫、高海拔、電暈3種因素都對空氣絕緣性能產(chǎn)生一定影響，也是誘發(fā)主斷接地觸頭對地放電的原因之一。

1.3 初始技術要求及驗證說明

CR400BF、CR300BF平臺動車組高壓箱設計依據(jù)《復興號動車組采購技術條件》［2-3］，主回路對地額定沖擊耐受電壓不低于170 kV，工頻耐受電壓不低于75 kV，高壓箱主回路對地電氣間隙均不小于310 mm，能夠滿足電壓耐受要求［2］。

1.4 小結

動車組主斷路器合閘瞬間，主斷路器接地觸頭極間疊加的操作過電壓過高，導致極間的外絕緣電氣間隙被擊穿，周圍空氣被電離，進而造成主斷路器輸入端接地觸頭對箱體及接地轉臂放電，同時，由于外部環(huán)境因素影響（高溫、高海拔、電暈），高壓箱內空氣絕緣性能下降，也是引發(fā)主斷路器接地觸頭極間放電的故障原因之一。

2 解決對策

2.1 增強主斷路器極間的絕緣性能

優(yōu)化主斷路器接地觸頭結構，減小尖端效應，同時使電氣間隙由285 mm增加至312 mm，對應接地夾中的固定塊需要適應性改進，如圖5所示［5］。

2.2 優(yōu)化電極形狀

（1）優(yōu)化主斷路器接地觸頭結構，改善電場均勻性，提升起暈電壓。接地觸頭端部高度降低6 mm，外形邊緣平滑處理，棱邊倒角由2 mm增加至4 mm，如圖6所示。

圖6 接地觸頭優(yōu)化前后形狀對比

（2）優(yōu)化接地開關轉臂外形，對電場集中的外邊緣棱角進行倒圓角處理，如圖7所示。

圖7 接地開關轉臂優(yōu)化前后形狀對比

2.3 增強絕緣能力

（1）極間的絕緣擋蓋由金屬折彎板和聚氨樹脂玻璃氈2部分糊制而成，預埋在聚氨樹脂玻璃氈中的金屬折彎板棱邊處場強較高，電場分布不均勻。優(yōu)化絕緣擋蓋結構，去除擋蓋中預埋的金屬折彎件，改為GPO-3、樹脂或SMC等材料的全絕緣擋蓋，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后的擋蓋結構形式

（2）將靠近主斷路器接地觸頭的2個固定絕緣板的M 8×40螺釘改為尼龍材質，增強絕緣性能，施加緊固膠用于螺釘防松，絕緣帽四周使用D04硅橡膠密封膠進行密封，如圖9所示。

圖9 絕緣板固定方式

（3）采用硅橡膠絕緣帽對主斷路器安裝螺栓外露金屬部分進行電氣防護，同時使用尼龍螺釘對主斷路器吊裝螺栓孔進行封堵，尼龍螺釘四周使用D04硅橡膠密封膠進行密封，如圖10、圖11所示。

圖10 主斷路器吊裝螺栓孔優(yōu)化方案

圖11 主斷路器安裝螺栓孔防護方案

3 方案驗證

（1）對改進接地觸頭的主斷路器極間進行工頻電壓極限耐受能力測試，在極間施加110 kV工頻電壓并保持1 min時，無閃絡或擊穿現(xiàn)象，當繼續(xù)升高工頻電壓至117 kV時，出現(xiàn)擊穿放電現(xiàn)象。說明主斷路器極間耐受工頻電壓的極限值為110 kV，對應峰值約為156 kV。

（2）對改進接地觸頭的主斷路器極間進行雷電沖擊耐受試驗，整改后的主斷路器極間耐受雷電沖擊電壓能夠達到200 kV以上水平。

（3）分別對主斷路器極間安裝金屬和樹脂糊制擋蓋、安裝全絕緣GPO-3擋蓋2種工況進行工頻耐壓極限能力試驗，結果顯示110 kV持續(xù)1 min無擊穿，升壓至117 kV時持續(xù)40 s擊穿。試驗得出，采用全絕緣擋蓋能夠提高主斷路器極間的絕緣水平。

4 安全評估

整改方案中，相對于改進前，上下接地觸頭形狀更規(guī)則、外形尺寸更小，距離周圍地電位的電氣間隙均略有增加或維持不變；整改方案在未降低其他部位絕緣性能的情況下，加強了主斷路器極間的絕緣能力。

然而，整改方案會導致接地開關在接地位時，接地夾與接地觸頭的接觸面積會減小，接地開關的額定電流為400 A，滿足載流要求，對實際使用不會產(chǎn)生影響。