動車組典型網側高壓接地故障分析及運維對策研究

徐驕陽

(中國鐵路上海局集團公司上海動車段 上海 201812)

0 引言

近年來，隨著國家高速鐵路網的不斷完善，在國民經濟中承擔交通大動脈的高鐵主干線運能也日益飽和甚至多線路已超負荷。以京滬高鐵為例，目前最小追蹤間隔大概是5 min，為提升運能，提高發車密度，現階段已在研究和測試最小追蹤間隔4 min和3 min的可行方案。現有運維現狀對高速列車的可用性和安全性提出了更嚴苛要求。作為高速列車裝備中最重要的系統之一的高壓系統，它的安全可靠對列車的安全穩定運行至關重要。當高壓系統發生故障，輕則導致列車某一高壓單元失效使得列車安全性降低，重則導致全列牽引失效或接觸網及車載設備損壞，甚至還會嚴重影響運輸秩序[1-2]。近兩年來，全路多車型發生了多起網側高壓接地故障，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，某型動車組列車檢修完畢后停放于存車線待發車，進行投主控鑰匙、升弓、閉合主斷路器等常規準備工作，約3 min后，列車高壓控制單元因檢測到線電流過流而導致高壓系統硬保護觸發并自動斷開主斷路器，顯示屏(HMI)報出故障代碼33E8(“高壓控制單元1觸發線電流保護”)和33F2(“高壓控制單元2觸發線電流保護”)。隨后，列車所在股道供電單元發生跳閘。

1.2 故障調查

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)和受電弓監控系統的歷史數據，復盤故障發生過程，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致的高壓接地故障。圖1所示為受電弓視頻監控設備捕捉到的03車車頂高壓設備故障時段同部件同位置處異常放電，受電弓等高壓設備短時間內發生了持續性或強或弱的異常拉弧放電。

(a)車頂強烈拉弧放電 (b)車頂輕微拉弧放電圖1 03車同位置不同時刻異常放電監控畫面

對列車中可能涉及的各類電氣設備進行詳細的狀態檢查。圖2所示為檢查發現的主要受損部件，整個高壓機箱體內充滿了粉塵，其中A區域中有大量碳化粉塵，終端連接器的絕緣傘裙表面有嚴重電蝕痕跡(見B區域)，連接器傘裙底部有一明顯破洞(見C區域)，受電弓碳滑板電灼嚴重(見D區域)。檢查相鄰高壓單元車輛上各同類設備，狀態皆良好，未見異常。

圖2 03車車頂受損高壓設備部件外觀

2 電纜連接器失效原因及機理分析

2.1 電纜連接器簡介

特高壓電纜終端連接器主體為硅橡膠整體成型的橡膠塊，承擔外部絕緣、內部絕緣、緩和電場等作用，內部為能夠起到電場屏蔽和支撐作用的黃銅襯管，電纜可貫穿其中。該部件在動車組列車上為2個相鄰高壓單元之間電力傳輸電纜的終端連接部，主體結構如圖3所示。

圖3 電纜終端連接器構造及零部件功能

2.2 連接器失效機理探究

為探究終端連接器內部絕緣缺陷的原因和機理，對此類故障的17件部件和所屬同批次產品進行了一系列測試、化驗和分析計算等工作。通過計算機仿真、電氣測試、高低溫循環試驗、X射線檢查等多種手段進行故障推演和重現。依據合理的假設并進行驗證，從產品的設計方案、材料特性、制造工藝、裝配工藝等多方面探究失效原因。

(1)電場強度仿真分析

為驗證產品設計是否滿足電氣性能要求，設計了仿真計算方案(見圖4)，得到了產品內部等電位分布和各主要關鍵位置電場強度值(見表1)。仿真環境中的額定電壓根據GB/T 28427設定為27.5 kV。電場強度最大值位于內部半導電層尖端(部位②)為2.9 kV/mm，硅橡膠介電強度為25 kV/mm，設計裕度約8.6倍，滿足要求。所有故障件絕緣擊穿處(部位①)電場強度為2.4 kV/mm，遠小于材料介電強度。

圖4 仿真分析模型

表1 各關鍵部位電場強度計算結果

(2)絕緣材料撕裂強度分析

按照GB/T 529—2008 硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定方法，隨機挑選17件故障件所屬的8個批次中的樣品進行測試。為驗證制造工藝對材料撕裂強度的影響，研究了相同硫化條件下(110 ℃×4 h)，不同注膠速度對硅橡膠撕裂強度的影響，結果如圖5、圖6所示。此外，還對比驗證了不同硫化條件對撕裂強度的影響(見圖7)。結果表面注膠速度、絕緣材料的二次硫化條件與其撕裂強度的關系顯著，故障件批次產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，導致了產品撕裂強度低、波動大。

圖5 注膠速度對比

圖6 硫化條件差異對比

(3)高低溫循環試驗分析

通過高低溫循環試驗驗證硅橡膠材料性能，選取半導電層有剝離的電纜終端，X射線檢查裂紋長35 mm。在終端內插入外徑32.8 mm 的環氧樹脂棒模擬電纜，并先在-20 ℃環境放置3 h，再在60 ℃環境放置3 h，6 h為1 個循環，反復進行測試。試驗共進行28 天，第71 個高低溫循環后，被試品絕緣層發現了裂紋，長度約71 mm，如圖7所示。

圖7 高低溫循環試驗前后對比結果

(4)加工工藝分析

在調查分析連接器加工各工藝環節時，發現在半導電層精加工打磨工序中缺少必要的保護措施，打磨過程中使用鋼絲刷易造成銅管端部與半導電層連接處損傷。此外，端部半導電橡膠與銅管間的粘接工藝有缺陷，在涂抹過程中混入適量水汽來模擬測試，檢測完工產品發現半導電層有剝離現象。

(5)裝配應力仿真計算

考慮到電纜和終端連接器裝配不當可能引起連接器內部半導電層與銅管連接處應力集中。為驗證該設想，采用計算機仿真方法建模分析電纜和連接器裝配時的應力分布。終端連接器端部半導電層內徑為26.5 mm，電纜外徑為(32.8±1)mm，電纜插入后半導電層孔徑需擴張5.3～7.3 mm。僅以硅膠孔徑擴張6 mm的情況為例，計算電纜插入會導致內部應力最大值約為4.2 MPa，位于半導電層與銅管連接處(圖8的方框內)。此外，高壓電纜裝配過程中，若電纜插入時有變形，也將產生較大應力。經仿真計算，若電纜裝配時變形量達10 mm，銅管端部與半導電層連接處最大應力可達11.2 MPa。

圖8 裝配應力分析結果

(6)失效原因和機理總結

研究分析了導致連接器潛在失效的因素，雖未能完全窮舉，但從測試、仿真分析等結果看，基本判定失效主要原因和機理為以下5點：(1)故障件所在批次產品的注膠工藝更改導致絕緣材料撕裂強度偏低；(2)組件打磨加工工藝質量管控和評測標準有顯著缺陷，易導致半導電層損傷；(3)產品的抗老化性能不好，高低溫循環測試中重現了故障件剝離現象；(4)組件粘接工藝存在潛在操作風險，易導致粘接強度不夠使得半導電層剝離；(5)電纜與連接器裝配不當易導致半導電層與銅管端部連接處應力集中，導致損傷發展和累積[2]。

3 列車運維風控對策及技術優化研究

3.1 優化完善列車故障處置措施

為合理控制安全風險，作為列車運維單位還須提升針對此類故障的研判能力、處理質量及處置效率。以運維管理的視角提出針對該故障處置對策的優化主要包括：(1)改進列車故障診斷系統中與終端異常放電有關的信息展示方式和提示內容，包括將高度傾向該故障的代碼信息展示優先級提升至最高，修改可能引發司乘人員不當操作進而導致故障二次破壞或故障影響擴大化的處置措施提示；(2)修改該車型此類故障的應急處置規章中的有關內容，加強人員培訓，按照更完善的處置流程進行作業，避免引發人為次生災害；(3)日常維修工作中，改進電纜終端的狀態檢查手段和方法，例如按修程結合作業項點，運用工業CT排查隱患終端。

3.2 高壓接地故障在線檢測方法

研究電纜終端類接地故障的在線檢測方法是關于事中控制的重要一環。由于列車設計原理所致，現有的電路過流過壓檢測的軟硬件無法完成精準的故障隔離。以該車型8編組為例，當03車升弓側或06車非升弓側高壓設備發生接地故障時，只有電流互感器CT1能夠檢測到過流信號，但是無法判定接地故障點位于升弓側還是非升弓側，這也是造成途中進行此類故障處置時風險隱患大的根本原因。因此，為改進高壓設備接地故障隔離精度，在與主機廠、設備供應商進行了一系列技術探討后，確定了一種已實施并已取得好成效的技術方案，即新增設電流互感器。

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，用于檢測本單元輸入或相鄰高壓單元輸出電流，優化后主電路拓撲如圖9所示。

圖9 優化后主電路拓撲

新增的CT4 電流信號由本單元高壓控制單元讀取，同時具備瞬時峰值保護功能。增加兩個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，根據電流互感器的過流情況，判斷具體區段，接地檢測邏輯如下。

(1)非升弓側高壓設備接地檢測邏輯若升弓側CT4檢測的電流峰值大于閾值(650 A)或非升弓側峰值大于閾值(650 A)，則由CCU匯總信息，判斷為非升弓單元側發生接地故障，報出相應故障代碼，給出相應處置措施提示。

(2)升弓側高壓設備接地檢測邏輯

若小于限值(1 300 A)且升弓側峰值小于閾值(650 A)且非升弓側峰值小于閾值(650 A)，則由CCU匯總信息，判斷為升弓單元側發生接地故障，報出相應故障代碼，給出相應處置措施提示。

4 結束語

近年來，各車型高壓系統故障頻發，此類故障很容易演化為嚴重事故，極易造成惡劣影響。通過對頻發的典型高壓接地故障進行分析，探討了其故障原因，并利用多種方法研究了其故障機理和失效因素。以動車組運維管理視角，給出了有針對性的系列改進措施，提出了一種高壓接地故障在線檢測技術方案，并經過實踐驗證后取得了很好的效果，有一定的推廣參考價值。