機(jī)車牽引變流器用電磁接觸器的失效分析

尚鋒亮，常 瑞，張創(chuàng)業(yè)，王成新，田鵬剛

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710018）

0 引 言

軌道交通機(jī)車車輛牽引系統(tǒng)由牽引變流器提供動(dòng)力，接觸器用于其主電路、輔助電路和控制電路中[1-2]，接觸器分為電空接觸器和電磁接觸器[3]。在對(duì)機(jī)車進(jìn)行日常檢查和維修時(shí)，發(fā)現(xiàn)牽引變流器常常會(huì)出現(xiàn)電磁接觸器故障問(wèn)題。當(dāng)電磁接觸器工作失效時(shí)，機(jī)車則不能正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)接觸器結(jié)構(gòu)、工作原理、典型故障案例、故障率對(duì)比及故障原因進(jìn)行分析，可以為技術(shù)人員快速處理問(wèn)題提供參考，也為電磁接觸器的失效預(yù)防提供依據(jù)。

1 電磁接觸器的應(yīng)用范圍

電磁接觸器主要應(yīng)用于牽引變流器的主電路中（如圖1所示），包括工作接觸器和預(yù)充電接觸器。在牽引變流器單相輸入端與牽引變壓器二次側(cè)繞組之間連接一個(gè)工作接觸器，通過(guò)接觸器的分/合為牽引變流器供電；預(yù)充電單元以并聯(lián)方式連接到主接觸器上，預(yù)充電單元由一個(gè)預(yù)充電接觸器和一個(gè)預(yù)充電電阻組成。當(dāng)牽引變流器運(yùn)行時(shí)，先閉合預(yù)充電接觸器，通過(guò)預(yù)充電電阻為中間電路的支撐電容器充電；當(dāng)中間電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，再閉合工作接觸器，為四象限整流器正常工作提供電源，這樣就避免了合閘瞬間中間電路由于電容器電流不能突變所造成的大電流沖擊。當(dāng)控制單元給牽引變流器發(fā)出停止指令時(shí)，則斷開(kāi)工作接觸器。

圖1 牽引變流器原理圖

2 電磁接觸器的介紹

2.1 結(jié)構(gòu)組成

電磁接觸器主要由電磁裝置、觸頭裝置和滅弧裝置組成。

電磁裝置是電磁式接觸器的重要組成部分[4]。它由動(dòng)鐵心（銜鐵）、靜鐵心和電磁線圈三部分組成，其中線圈和靜鐵心在工作狀態(tài)下是不動(dòng)的，銜鐵則是可動(dòng)的。通過(guò)銜鐵與相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)的動(dòng)作狀態(tài)和動(dòng)作過(guò)程，將電磁線圈產(chǎn)生的電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來(lái)帶動(dòng)觸點(diǎn)，使之閉合或者斷開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。

觸頭裝置：觸頭按控制電路可分主觸頭和輔助觸頭；主觸頭分為動(dòng)觸頭和靜觸頭，輔助觸頭分為常開(kāi)觸頭和常閉觸頭。電磁線圈通以電流，產(chǎn)生電磁吸力帶動(dòng)觸頭動(dòng)作。

滅弧裝置位于電器上部，用于吹滅主觸頭斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的電弧。常用的滅弧裝置有滅弧罩、滅弧柵、磁吹滅弧裝置（如圖2所示）。滅弧罩是采用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成的絕緣、耐高溫的滅弧裝置，在滅弧罩內(nèi)一般采用縱縫滅弧的方法來(lái)滅弧。滅弧柵一般采用耐弧柵片即鍍銅薄鋼片。磁吹滅弧裝置在觸頭電路中串接一滅弧線圈。

圖2 磁吹滅弧裝置

2.2 工作原理

電磁接觸器工作原理[5-6]：當(dāng)接觸器的電磁線圈通電后，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力吸引銜鐵，并帶動(dòng)觸頭動(dòng)作，常閉觸頭斷開(kāi)，常開(kāi)觸頭閉合（兩者是聯(lián)動(dòng)的）；當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸頭恢復(fù)初始狀態(tài)，常閉觸頭閉合，常開(kāi)觸頭斷開(kāi)。

電磁接觸器磁吹滅弧過(guò)程：當(dāng)電磁接觸器閉合時(shí)，動(dòng)觸頭觸片1先與分弧靜觸頭觸片接觸，磁吹線圈得電，開(kāi)始吹弧；動(dòng)觸頭觸片2與靜觸頭接觸后，電磁接觸器完成通電。當(dāng)電磁接觸器分?jǐn)鄷r(shí)，動(dòng)觸頭觸片1與分弧靜觸頭觸片接觸，所以磁吹線圈一直通電并始終吹弧；當(dāng)動(dòng)觸頭觸片2與靜觸頭分?jǐn)嗪?，?dòng)觸頭觸片1與分弧靜觸頭觸片斷開(kāi)，電磁接觸器完成斷電，動(dòng)觸頭觸片1和2采用先后順序分段進(jìn)行分合。

2.3 外形

電磁接觸器的外形如圖3所示。

圖3 接觸器外形圖

2.4 安裝方式

接觸器可分為立式和臥式安裝，如圖4所示。安裝要求：X≥330 mm，Y≥50 mm，Z≥50 mm。

圖4 接觸器安裝方式

3 典型故障案例

3.1 牽引變流器電磁接觸器磁吹弧線圈燒損

磁吹弧線圈燒損（如圖5所示）是由于流過(guò)磁吹弧線圈的電流過(guò)高[7-8]導(dǎo)致溫度升高而引起的，而流經(jīng)磁吹弧線圈的電流過(guò)高有如下可能：（1）系統(tǒng)電流過(guò)高時(shí)，分析列車數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電流異常；（2）在系統(tǒng)電流正常的情況下，吹弧線圈所處線路分流（Ia）過(guò)高。根據(jù)分流原理（如圖6所示），支路分流與支路電阻值成反比，即Rm增大或Ra減小會(huì)使磁吹弧線圈支路電流增大。通過(guò)外觀檢查發(fā)現(xiàn)，3個(gè)主（動(dòng)）觸頭中兩個(gè)有松動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致主觸頭部分接觸不良。此現(xiàn)象會(huì)引起Rm增大，即引起Ia過(guò)高。所以主（動(dòng)）觸點(diǎn)松動(dòng)導(dǎo)致接觸器閉合后主觸頭部分接觸不良、阻值偏大，從而使流經(jīng)引弧觸頭的電流偏大、熱量堆積，最終導(dǎo)致磁吹弧線圈燒損。

圖5 磁吹弧線圈燒損狀態(tài)

圖6 接觸器分流原理

3.2 接觸器輔助觸頭聯(lián)動(dòng)導(dǎo)桿折斷

拆解接觸器后發(fā)現(xiàn)輔助觸頭缺少動(dòng)觸頭止動(dòng)擋塊。接觸器進(jìn)行閉合和斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)，動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)線圈磁力作用下上下移動(dòng)，閉合動(dòng)作下移，斷開(kāi)動(dòng)作上移。當(dāng)接觸器斷開(kāi)時(shí)，止動(dòng)擋塊能夠限制此結(jié)構(gòu)位移。若缺少擋塊則動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)會(huì)繼續(xù)上移，直到碰到白色外殼，多次撞擊后導(dǎo)致輔助觸點(diǎn)聯(lián)動(dòng)導(dǎo)桿折斷（如圖7所示）。因此，當(dāng)接觸器中缺少動(dòng)觸頭止動(dòng)擋塊，接觸器斷開(kāi)時(shí)動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)上移，輔助觸點(diǎn)聯(lián)動(dòng)導(dǎo)桿直接撞擊在白色外殼上，多次動(dòng)作后折斷聯(lián)動(dòng)導(dǎo)桿。

圖7 輔助觸頭聯(lián)動(dòng)導(dǎo)桿折斷狀態(tài)

3.3 接觸器主觸頭燒損

機(jī)車顯示屏報(bào)接觸器卡分故障并鎖定接觸器問(wèn)題。拆解接觸器發(fā)現(xiàn)觸頭燒損嚴(yán)重（如圖8所示）。由于觸頭燒損嚴(yán)重，無(wú)法有效閉合，導(dǎo)致卡分故障。

圖8 主觸頭燒損狀態(tài)

引起觸頭燒蝕的原因?yàn)椋航佑|器分?jǐn)?，電流超出額定值，導(dǎo)致不能有效滅弧，觸頭間拉弧時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。另外，本接觸器采用雙斷口橋式觸頭結(jié)構(gòu)，共兩套靜觸頭。當(dāng)2個(gè)觸點(diǎn)高度略有差異，兩側(cè)觸頭的行程會(huì)不同，在滅弧過(guò)程中先脫離的一對(duì)觸點(diǎn)處先起弧，就造成兩對(duì)觸點(diǎn)燒損不一致。

3.4 主觸頭安裝螺栓松動(dòng)

機(jī)車顯示屏報(bào)接觸器卡合故障并鎖定接觸器問(wèn)題。拆解接觸器滅弧罩后，發(fā)現(xiàn)觸頭燒損嚴(yán)重，動(dòng)觸頭安裝螺栓松動(dòng)（如圖9所示）。觸頭螺栓松動(dòng)引起接觸器動(dòng)作時(shí)，觸頭動(dòng)作變形，觸頭壓力發(fā)生變化。不帶電流工作時(shí)，觸頭的變形可能不影響接觸器動(dòng)作；但是在大電流工作情況下，接觸器斷開(kāi)時(shí)，觸頭松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致觸頭分?jǐn)嗨俣冉档?，引起觸頭燒損故障，進(jìn)而引發(fā)接觸器卡合故障。

圖9 主觸頭安裝螺栓松動(dòng)狀態(tài)

3.5 主觸頭聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)螺絲掉落

機(jī)車顯示屏報(bào)接觸器短路故障并鎖定接觸器問(wèn)題。對(duì)接觸器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)主觸頭聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的螺絲掉落，并卡在主觸頭處（如圖10所示）。由于固定螺絲的塑料卡自身存在質(zhì)量問(wèn)題，接觸器頻繁工作產(chǎn)生振動(dòng)，造成固定螺絲的塑料卡斷裂使得螺絲脫落，卡在主觸頭處，導(dǎo)致接觸器無(wú)法正常閉合。

圖10 主觸頭聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)螺絲掉落狀態(tài)

4 接觸器故障率對(duì)比

近兩年內(nèi)，某型號(hào)機(jī)車的電磁接觸器共發(fā)生故障79起。下面分別從故障類別、運(yùn)行里程、新舊類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比。

4.1 故障類別統(tǒng)計(jì)

從發(fā)生故障類型分析（見(jiàn)表1所列），接觸器卡滯故障率最高，為50.6%。

表1 故障類別統(tǒng)計(jì)表

4.2 運(yùn)行里程故障統(tǒng)計(jì)

從機(jī)車運(yùn)行里程分析（見(jiàn)表2所列），6×105～9×105km范圍內(nèi)接觸器故障率最高，為46.8%。

表2 運(yùn)行里程故障統(tǒng)計(jì)表

4.3 新造和檢修故障統(tǒng)計(jì)

對(duì)比分析新造和檢修情況（見(jiàn)表3所列），發(fā)現(xiàn)檢修過(guò)的接觸器故障率明顯較高，為76%。

表3 新造和檢修故障統(tǒng)計(jì)表

5 電磁接觸器故障類別和失效原因分析

本文對(duì)電磁接觸器的主要結(jié)構(gòu)的故障類別及對(duì)應(yīng)的失效原因[9-10]進(jìn)行了詳細(xì)分析，見(jiàn)表4所列。

表4 電磁接觸器失效原因分析

6 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)車檢修人員要做好電磁接觸器日常點(diǎn)檢和維護(hù)工作，定期進(jìn)行電磁接觸器技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。若接觸器故障得不到及時(shí)修理，牽引變流器則無(wú)法正常工作，造成機(jī)車機(jī)破。不僅耽誤機(jī)車工作效率，還影響機(jī)車安全運(yùn)行。本文針對(duì)機(jī)車牽引變流器在地面聯(lián)調(diào)和機(jī)車車輛整車運(yùn)行中電磁接觸器出現(xiàn)的典型故障進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)了某種型號(hào)機(jī)車因電磁接觸器引起故障的情況。通過(guò)對(duì)故障類別和失效原因進(jìn)行分析，為電磁接觸器失效預(yù)防提供依據(jù)。