高壓隔離開關故障分析及對策

鄒異民 陳 哲，2 恒 放 李 濤 曾凡軍

（1、中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412001 2、大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室西南交通大學牽引力動力國家重點實驗室，湖南 株洲 412001 3、中車株洲電力機車有限公司電氣設備分公司，湖南 株洲 412001）

1 概述

重載貨運電力機車是我國西煤東運的主要運輸車型，機車運用環境粉塵較多，粉塵附著在車頂高壓電器上，易引起污閃放電。為了解決該問題，我公司采用車頂高壓箱技術，將高壓隔離開關、真空主斷路器、高壓電壓互感器、避雷器等安裝于高壓箱內，避免了高壓設備直接與空氣中的煤塵接觸。由于高壓箱容積有限，必須縮小高壓設備的體積。為此，我公司研制了小體積的電力機車用新型高壓隔離開關。

電力機車高壓隔離開關是高壓電路的重要組成部分，起到連接或分斷25kV 高壓電路的作用。高壓隔離開關若發生故障，將直接影響電力機車的正常運行，嚴重時甚至損毀設備。介紹了新型高壓隔離開關的結構和工作原理，針對機車運用中高壓隔離開關發生帶載分斷故障進行分析，提出解決措施并驗證其效果。

2 新型高壓隔離開關的結構及工作原理

2.1 高壓隔離開關結構

我公司某型號重載貨運電力機車主電路采用雙高壓隔離開關（以下簡稱高隔），高隔1 位于本節車受電弓后端，控制本節車受電弓高壓電路的連接與分斷。高隔2 位于本節車與他節車之間，控制兩車之間高壓電路的連接與分斷。兩個高隔相互獨立，互不影響。電力機車雙高隔主電路圖如圖1 所示。

圖1 雙高隔主電路圖

兩個獨立高隔占用空間太大，不便于在有限空間內安裝。為了縮小高隔體積，我公司研制了新型高隔。新型高隔采用一套設備集成雙高隔的功能，如圖2 所示。

圖2 新型高壓隔離開關結構

新型高隔功能簡述：高隔1 處于簧片S1 位置時，連接本節車受電弓高壓電路，定義為高隔1 閉合；處于簧片S2 時，斷開本節車受電弓高壓電路，定義為高隔1 分斷。高隔2 處于簧片S4 位置時，連接他節車高壓電電路，定義為高隔2 閉合；處于簧片S3 時，斷開他節車高壓電電路，定義為高隔2分斷。高隔1 和高隔2 雖然集成到一套設備里，但閉合與分斷由機車控制系統獨立控制，互不干擾。

從圖2 可知，當高隔1 和高隔2 同時處于分斷，即高隔1處于簧片S2 同時高隔2 處于簧片S3 時，兩個高隔實際上連接了本節車受電弓高壓電路和他節車高壓電路。為了簡化控制邏輯，避免高隔位置交叉引起機車控制系統判斷混亂，將該工況定義為錯誤，即不允許同時分斷兩個高隔。機車控制系統不會發現同時分斷兩個高隔的命令，如人為原因導致兩個高隔同時分斷，司機室微機顯示屏將進行錯誤提示，此時，人為閉合任意一個高隔即可恢復。

2.2 高壓隔離開關工作原理

高隔為弱電控制的氣動設備，由機車控制系統發出分或合信號給高隔電磁閥。電磁閥得電后控制閥芯移動，壓縮氣體進入氣缸，驅動活塞運動，活塞運動推動氣缸桿運動，最終推動高隔動作。

高隔電磁閥工作電壓DC77～137V，響應時間不大于0.5s。需要高隔動作時，機車控制系統給高隔電磁閥DC110V 脈沖電壓，持續1s。

如圖3 所示，電磁閥A 側得電時，閥芯向右移動。壓縮氣體從進氣口進入氣缸，氣缸內右側氣體從排氣口排出。在壓縮氣體的推力下，活塞向右移動推動氣缸桿運動，氣缸桿帶動高隔閘刀轉動60°。電磁閥B 側得電時，閥芯移動方向相反，壓縮氣體推動活塞向左移動，最終使高隔閘刀反向轉動60°。從而實現高隔的閉合與分斷。

圖3 高隔閥缸機構工作原理

2.3 機車對高壓隔離開關的控制邏輯

高隔4 個簧片S1、S2、S3 和S4均設置有反饋觸點。機車控制系統持續監控這4 個反饋信號，并通過兩個反饋信號組合來判定高隔所在位置（表1）。

表1 高隔狀態判定表

為了避免高隔不動作或動作不及時，機車設置了高隔卡滯故障。具體控制邏輯如下：

機車控制系統從給出高隔動作的脈沖信號開始記時，15s后高隔未到達目標位置，則報告高隔卡滯。例如給出高隔1分斷信號，根據S1 與S2 的反饋信號組合，15s 后高隔1 未分斷，仍在閉合位置，則報告“高壓隔離開關1 卡合”。

3 新型高隔帶載分斷故障

3.1 故障現象

2021 年8 月6 日，機車位于站場內升弓合主斷路器，車速為0，主電路電流為6A，A 節車高隔1 突然分斷。機車主斷路器立即斷開，受電弓緊急降下。操作人員重啟設備后，高隔1 正常閉合，受電弓、主斷路器正常工作，機車按計劃正常運行。機車回庫后檢查，發現高隔1 閘刀和簧片有輕微放電燒損。

2021 年8 月8 日，機車正常運行中，速度55km/h，主電路電流14A。B 節高隔1 突然分斷，機車主斷路器立即斷開，受電弓緊急降下。操作人員重啟設備后，高隔1 正常閉合，受電弓、主斷路器正常工作，機車按計劃繼續運行。機車回庫后檢查，發現高隔1 閘刀和簧片放電燒損嚴重。

3.2 事件記錄數據

查閱機車事件記錄數據發現，故障發生前一段時間內，存在“高壓隔離開關1 卡合”故障。選取8 月6 日事件記錄數據，故障名稱“高壓隔離開關1 卡合”，開始時間為2021 年08 月06 日04 點54 分，故障結束時間為“系統斷電時故障故障還未結束”，見圖4。

圖4 高隔卡合事件記錄

繼續查看事件記錄數據，2021 年08 月06 日09 點26 分24 秒，高隔1 突然從閉合狀態變為分斷狀態，這之前并沒有高隔分斷命令的記錄，見圖5。

圖5 高隔分斷事件記錄

3.3 事件過程還原

2021 年08 月06 日04 點54 分，操作人員試驗機車高隔分斷功能，通過按鈕給出高隔1 分斷脈沖信號。15s 后高隔1 并未到達S2,仍處于簧片S1，報出高隔1卡合故障。操作人員經過一番處理，故障仍未消除，之后對機車進行斷電復位操作。機車斷電復位后，控制系統檢查高隔1 反饋狀態為閉合，符合機車運行條件。機車按正常流程升受電弓、合主斷路器等。

高隔1 電磁閥于04 點54 分收到分斷脈沖信號后，由于閥缸內活塞發生卡滯，不能推動高隔1 分斷。約5 個小時后，09 點26 分24 秒，閥缸內活塞卡滯條件消除，活塞推動高隔1 分斷。造成高隔帶載分斷。8月8 日故障情況與上述過程基本吻合。

3.4 帶載分斷故障分析

采用頭腦風暴法分析高隔帶載分斷故障，其所有可能原因有三大類：誤操作、系統故障、高隔設備漏氣。從事件記錄數據未發現有分斷命令，可以排除司乘人員誤操作。故障發生后，重新閉合高隔，機車能正常運行，可以排除系統故障。故障原因鎖定為高隔設備漏氣。

進一步分析，導致高隔漏氣后延遲動作有三種可能原因。

3.4.1 管路密封不良：檢查兩次故障的高隔氣路，未發現氣路漏氣，可排除該可能；

3.4.2 雜質異物卡滯：高隔氣路中的雜質異物可能堵塞管路，引起通風量不足，電磁閥閥芯不能及時動作到位；

3.4.3 兩端同時得電：指電磁閥A 與電磁閥B 兩端同時得電。兩端活塞通道均打開。活塞帶動閥芯向受阻力較小的一端動作，動作到某一位置后，活塞兩端驅動力平衡，閥芯停止運動。此時并未運動到位，閥缸機構漏氣，高隔無法正常動作，可能出現卡合。

3.5 故障復現

3.5.1 人為在高隔氣路中添加鐵屑和小顆粒砂石，高隔氣路調壓閥設定正常工作的400kPa。連續試驗高隔閉合分斷22 次，第23 次閥缸機構出現卡滯并伴有漏氣。振動閥缸機構，卡滯消除，高隔正常閉合。

3.5.2 用開關、110V 電源及電纜搭建高隔臨時控制電路，將高隔電磁閥線圈接入電路中，分別測試電磁閥兩個線圈同時得電、先后得電的動作情況。在先后得電的試驗中，高隔動作正常。在電磁閥同時得電的試驗中，給分閘脈沖信號，第一次未分閘，第二次輕微漏氣且未分閘，第三次明顯漏氣且緩慢分閘。該過程類似于機車正常運行中高隔突然分斷。

4 解決措施

4.1 高隔控制信號更改

高隔帶載分斷前，機車控制系統通過反饋觸點的信號判斷出高隔的位置，該位置是高隔執行分斷命令前的位置，與目標位置剛好相反。機車控制系統判斷出高隔當前位置符合操作需求后，允許機車進行后續作業，如升受電弓、合主斷路器等。實際上高隔可能仍在執行上一次命令，一旦條件滿足后，高隔即進行分斷，于是發生了帶載分斷拉弧的故障。

將高隔控制信號由1s 脈沖更換為常得電高電平，持續的高電平信號可以避免高隔的目標狀態與當前不狀態一不致的問題。即使發生前述高隔卡合故障，機車斷電重啟后，高隔控制信號若為閉合，則可消除機車斷電前分高隔的命令。

高隔控制信號的具體設置為：由圖3 為例，當需要A 側電磁閥得電時，A 側電磁閥收到持續高電平，B 側電磁閥持續低電平。當需要B 側電磁閥得電時，B 側電磁閥收到持續高電平，A 側電磁閥持續低電平。

4.2 增加信號互鎖

為了避免環境干擾等偶然情況造成兩端電磁閥同時得電，在高隔A、B 側電磁閥前端增加一個互鎖繼電器。確保A、B 側電磁閥只有一個得電或都不得電，杜絕兩端同時得電情況發生。

4.3 氣路優化

高隔供氣來自于機車總風缸，提升機車總風潔凈度，可降低高隔卡滯發生率。在不能完全避免氣路中存在雜質的前提下，對原氣路進行優化，增大氣壓冗余，優化措施如下：

4.3.1 增加高隔調壓閥輸入氣壓整定值由400kPa 增至600kPa，增大輸入氣壓。

4.3.2 高隔氣缸優化，由缸徑63mm 更為缸徑70mm，增大氣缸推力。

5 結論

對我公司新型高隔的結構和工作原理進行闡述，對高隔帶載分斷故障的過程進行還原，深入分析故障的可能原因，且通過模擬試驗使高隔卡滯后帶載分斷故障復現。針對每條可能原因提出解決對策。新型高隔經過優化后，已穩定運行半年以上，未再出現帶載分斷故障。

實踐證明，高隔帶載分斷故障原因分析正確，制定的解決措施得當，徹底解決了高隔離帶載分斷故障。