動車組熔斷式溫度繼電器性能劣化研究

武繼將,趙 敏,廖前華,佘鵬鵬,楚天罡,楊澤鋒,魏文賦

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,青島 266000； 2.西南交通大學電氣工程學院,成都 611756)

1 概述

現代電氣化鐵路發展日新月異，要求高速列車在速度越來越高的同時也能保持更好的安全性，這就對鐵路安全報警裝置的性能提出了更高要求[1-4]。部分系列動車組轉向架及牽引電機主要采用熔斷式溫度繼電器，隨著動車組服役時間的增長，熔斷式溫度繼電器出現性能下降而導致誤動作、誤報警故障[5-6]，因此，對熔斷式溫度繼電器性能及其隨運用時間的變化規律、趨勢開展研究，對防止動車組熔斷式溫度繼電器頻繁漏報、誤報故障，以及保證鐵路列車運行安全具有重要意義。

近年來，國內外專家學者主要對轉向架、牽引電機彈片式溫度繼電器開展研究，從紅外溫度傳感器檢測裝置、處理器選型和溫度采集傳感器設計等溫度檢測系統方面進行了不斷創新，并取得了一定的研究成果[7-8]。但對熔斷式溫度繼電器各部件性能隨服役時間的變化規律缺乏相關研究，尚未形成全壽命周期可靠性評估流程和評估方法[9-10]。

國內對動車組轉向架、牽引電機溫度的研究，早期主要集中于彈片式溫度繼電器。其原理主要利用彈片式溫度繼電器中雙金屬片的熱膨脹系數不同，使得當溫度升高至動作溫度時觸點斷開，當溫度降低到回復溫度時觸點重新閉合[11]。對于彈片式溫度繼電器的研究，主要圍繞動作溫度和回復溫度這兩個關鍵參數設計，以達到既要保證電機得到有效的保護，又必須留有一定裕度，同時裕度又不能過大，使動車組在運行過程中出現不必要的過多報警，影響動車組正常運營。

隨著彈片式溫度器的廣泛應用，逐漸暴露出彈片式溫度繼電器的弊端，即存在絕緣擊穿、受到反復振動沖擊后引線桿斷裂、密封不良等問題，進而造成溫度繼電器頻繁誤報警問題[12]。因此，針對彈片式溫度繼電器絕緣擊穿、密封失效等情況發生，通過設計加強了溫度繼電器的絕緣和密封性能，進而開發了高速列車熔斷式溫度繼電器[9]。國內外專家把目光聚焦在熔斷式溫度繼電器性能隨溫度的變化規律探尋上，并取得了一定成果，同時創新性地提出了一些熔斷式溫度繼電器的設計選型方面建議[13-15]。但對熔斷式溫度繼電器性能及內部關鍵器件性能隨服役時間的變化規律仍缺乏相關研究。

2 工作原理

如圖1所示，熔斷式溫度繼電器主要由陶瓷套管、溫度保險絲、環氧樹脂套、電纜鎖緊頭等配件組成[6，8]。其中，熔斷式溫度繼電器中有2個溫度保險絲并聯后直接與電纜導線連接，然后通過陶瓷套管和環氧樹脂套封裝在繼電器中來監控設備的工作溫度，并在溫度超過警戒值時通過回路的蜂鳴器報警。

圖1 熔斷式溫度繼電器結構示意

熔斷式溫度繼電器的核心元件溫度保險絲內部結構如圖2所示[11]，其核心元件主要由熱敏藥丸、壓縮彈簧、解扣彈簧及星形觸點等結構構成，正常情況下電流從導線流向星形觸點經過導線裝配外殼最終流出電纜，由此熔斷式溫度繼電器在正常情況是一個常閉開關。當溫度異常時，保險絲內的熱敏藥丸發生氣化，導致解扣彈簧和壓縮彈簧在力的作用下發生動作，最終致使星形觸點與絕緣導線發生分離，回路斷開，從而發出溫度警戒信號。

圖2 溫度保險絲內部結構

3 實驗內容及設備

3.1 服役后熔斷式溫度繼電器性能參數測量

目前，熔斷式溫度繼電器的性能參數主要有引出線端子與外殼之間的絕緣電阻、兩引出線端子之間的接觸電阻和內部熱敏藥丸高度，絕緣電阻、接觸電阻及熱敏藥丸高度測量方法如下。

由于動車組熔斷式溫度繼電器工作回路電壓為110 V左右，根據絕緣電阻測試標準，應采用500 V/1 000 MΩ絕緣電阻測試儀對熔斷式溫度繼電器接線端子與外殼之間的絕緣電阻，其測量設備如圖3所示。

圖3 絕緣電阻測試儀

針對輸出特性，使用LRC測試儀測量動車組熔斷式溫度繼電器兩引線端子間的接觸電阻，觀察不同安裝位置、不同運營里程熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化，LRC測試儀如圖4所示。

利用X射線檢測系統獲得不同運營里程、不同安裝位置的熔斷式溫度繼電器中熱敏藥丸高度，每個熔斷式溫度繼電器中均包含2個熱敏藥丸，研究不同安裝位置處的熔斷式溫度繼電器熱敏藥丸高度隨運營里程的變化。X射線檢測系統如圖5所示。

圖5 X射線檢測系統

3.2 鹽霧老化試驗

對于不同安裝位置的熔斷式溫度繼電器新品，利用精密型鹽霧試驗箱進行鹽霧試驗，試驗中鹽霧溶液NaCl濃度為(5±1)%(質量比)，溶液pH值應在6.5～7.2，溫度為(35±2) ℃，時間為96 h，并測量試驗前后熔斷式溫度繼電器的絕緣電阻、接觸電阻、熱敏藥丸高度。圖6為精密型鹽霧試驗箱，設備試驗溫度范圍為35～55 ℃，鹽霧沉降量為1～2 mL/80 cm2·h，可進行中性鹽霧試驗、乙酸鹽霧試驗、銅加速乙酸鹽霧試驗。

圖6 精密型鹽霧試驗箱

4 實驗結果

4.1 服役前后熔斷式溫度繼電器性能劣化分析

熔斷式溫度繼電器主要安裝在列車的牽引電機、軸箱、齒輪箱3個部位。對于牽引電機，熔斷式溫度繼電器具體安裝在牽引電機的定子端、傳動端和非傳動端，通過這3個位置的溫度狀況來反映整個牽引電機的溫度狀況，通常只對牽引電機進行編號。而在軸箱和齒輪箱處安裝熔斷式溫度繼電器則是對列車轉向架工作狀況進行監控。表1～表3是不同安裝位置的熔斷式溫度繼電器工作溫度、振動情況檢測結果。

表1 牽引電機不同位置工作溫度

表2 牽引電機不同位置振動情況

表3 軸箱和齒輪箱處工作溫度和振動情況

從表1和表2可以看出，在牽引電機處，定子端、傳動端、非傳動端工作溫度分別為100～113 ℃、57～63 ℃、44～51 ℃，其中，定子端溫度最高、非傳動端溫度最低。對于軸箱和齒輪箱，齒輪箱工作溫度為63～75 ℃、軸箱工作溫度為40～49 ℃，齒輪箱溫度明顯高于軸箱。對于不同安裝位置的振動情況，一般用振動加速度來表征。振動加速度越大，該位置的振動狀況越惡劣。根據表2、表3可以發現，對于牽引電機，傳動端振動最大、定子端振動最小。對于軸箱和齒輪箱，軸箱處的振動遠大于齒輪箱處。利用絕緣電阻測試儀測量不同安裝位置、不同運營里程的熔斷式溫度繼電器絕緣電阻，測量裝置如圖3所示，測量結果顯示120，240，360，600萬km運營里程下，熔斷式溫度繼電器接線端子與外殼之間的絕緣電阻值均大于500 MΩ，絕緣性能仍滿足工況要求，可見運營里程對絕緣電阻的影響不大。

圖7為120萬km牽引電機用的熔斷式溫度繼電器接觸電阻測量結果，牽引電機用熔斷式溫度繼電器用在3個位置，主要是定子端、傳動端以及非傳動端，對不同樣品進行隨機抽查檢測后的接觸電阻結果可以看出，牽引電機傳動端用溫度繼電器的接觸電阻在58～62 mΩ內變化，而定子端接觸電阻則在51～54 mΩ內波動，非傳動端接觸電阻在45～48 mΩ內變化。對比新品的牽引電機用定子端(53.021 mΩ)、傳動端(62.634 mΩ)、非傳動端(46.059 mΩ)接觸電阻分別變化6～8 mΩ、7～10 mΩ、5～6 mΩ，傳動端接觸電阻變化高于定子端和非傳動端的原因在于，牽引電機傳動端處于頻繁振動情況下，會導致熔斷式溫度繼電器核心元件溫度保險絲中觸點發生松動進而導致接觸點面積減小，接觸電阻增大[16-17]；產生定子端的接觸電阻高于非傳動端的原因在于，二者位置的運行溫度有所差異，定子端運行溫度較高。由于長時運行溫度的差異，熔斷式溫度繼電器關鍵核心部件熱敏藥丸長時運行在高溫情況下，導致熱敏藥丸高度和表面狀態有細微的變化，致使星形觸點與觸頭接觸發生細微松動從而導致接觸面積縮小，接觸電阻因此增大[18]；進而通過對比定子端接觸電阻與傳動端接觸電阻可以看出，振動環境相較于高溫環境對接觸電阻的影響更大。

圖7 牽引電機用定子端、傳動端、非傳動端熔斷式溫度繼電器的接觸電阻

圖8為120，240，360萬km軸箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化圖，由圖8可以看出，對于120萬km軸箱用熔斷式溫度繼電器為22～24 mΩ，240萬km接觸電阻為24～27 mΩ，360萬km接觸電阻為30～33 mΩ。考慮到接觸電阻隨里程數的增加其增長率變大，對測得的接觸電阻值隨運營里程變化數據進行擬合。由于指數函數的增長速率最快，采用指數擬合來預測接觸電阻到達警戒值的運營里程數(工程上警戒值取100 mΩ)，可以起到提前預警的作用，擬合曲線如圖9所示。由圖9可以看出，接觸電阻隨運營里程的增加而呈現一種非線性增長。可以預測在運營里程1 040萬km時接觸電阻達到100 mΩ警戒線。

圖8 不同運營里程下軸箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻

圖9 軸箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻隨運營里程的變化趨勢

圖10為120，240，360萬km齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化圖，由圖10可以看出，對于120萬km齒輪箱用熔斷式溫度繼電器接觸電阻為24～26 mΩ，240萬km接觸電阻為29～31 mΩ，360萬km接觸電阻為29～31 mΩ。同樣考慮到接觸電阻隨運營里程的增加其變化率在變大，故對測得的接觸電阻隨運營里程的變化數據采取指數擬合，擬合曲線如圖11所示。從圖11可以看出，齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻隨運營里程增加呈現非線性增長趨勢，根據擬合曲線可以推斷出，當運營里程大于1 000萬km時，齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻將大于100 mΩ，繼電器可靠性降低。綜上可知，軸箱和齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻隨運營里程變化趨勢相似。

圖10 不同運營里程下齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻

圖11 齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻隨運營里程的變化趨勢擬合曲線

無論是軸箱還是齒輪箱，單一來看，造成接觸電阻隨運營里程變化的原因主要是由于長時間的運行致使長時振動，導致觸點松動產生接觸面正壓力變化。通常來說，接觸面正壓力是指兩個接觸物由于相互接觸而產生的垂直與接觸界面的力，由于接觸物體之間不可能完全接觸，真正接觸的部位是接觸表面上的接觸微點，所有接觸壓力均作用在接觸微點上。由于接觸正壓力的增加導致接觸微點發生彈性形變，使得接觸表面接觸微點的增加，當回路中有電流流過時，在接觸界面微觀下有更多條支路進行電流傳輸，因此，接觸電阻會減小；而造成軸箱用和齒輪箱用熔斷式溫度繼電器同運營里程接觸電阻差異的原因主要是由于安裝位置的不同，致使運行溫度的差異，軸箱運行溫度稍微低于齒輪箱的溫度。由于齒輪箱的運行溫度高，導致熱敏藥丸高度或表面狀態變化，導致接觸狀態變化致使同里程下齒輪箱的接觸電阻略微高于軸箱接觸電阻[19]。

利用X射線檢測系統測量不同運營里程下熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸高度，檢測結果如圖12、圖13所示。可以看出，定子端處的熔斷式溫度繼電器熱敏藥丸高度變化最大，服役120萬km后藥丸高度低于臨界高度(1.93 mm)，而牽引電機傳動端和非傳動端、軸箱、齒輪箱處熔斷溫度繼電器熱敏藥丸高度變化較小，在列車運營360萬km后仍滿足要求。

圖12 不同運營里程下牽引電機用熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸高度

圖13 不同運營里程下軸箱和齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸高度

4.2 鹽霧環境下熔斷式溫度繼電器性能劣化分析

從圖14可以看出，對新品牽引電機(定子端、傳動端、非傳動端)、軸箱、齒輪箱用熔斷式溫度繼電器進行老化96 h鹽霧老化實驗，隨著老化時間進行，5種熔斷式溫度繼電器的接觸電阻呈現近似線性變化，且傳動端接觸電阻在老化96 h后超過70 mΩ。鹽霧試驗中導致熔斷式溫度繼電器，接觸電阻增大的原因主要是，由于在潮濕環境下NaCl中的氯離子跟溫度保險絲中接觸界面中的氧化物發生反應，使得接觸界面發生劣化，同時接觸界面接觸微點數目減少，當回路中有電流流過時，在接觸界面微觀下電流支路減少，從而接觸電阻增大[20]。同時在圖14中也可以看出，牽引電機傳動端處熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化最大，往后依次為定子端、非傳動端、齒輪箱、軸箱，產生這種差異原因主要是繼電器形狀差異導致接觸鹽霧的表面差異[21]。

圖14 熔斷式溫度繼電器接觸電阻隨鹽霧老化時間的變化關系

表4是鹽霧試驗前后不同型號熔斷式溫度繼電器保險絲的熱敏藥丸高度，圖15是新品熔斷式溫度繼電器在鹽霧試驗前后溫度保險絲的X光檢查照片。由表4和圖15可以看出，對于新品熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸進行X光檢查后發現，熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸高度變化范圍在0.07～0.08 mm，其中，定子端0.075 9 mm、傳動端0.080 6 mm、非傳動端0.070 1 mm、軸箱0.073 5 mm、齒輪箱0.081 2 mm，鹽霧老化試驗96 h以后，其熱敏藥丸高度依然大于臨界高度(Hmin≈1.93 mm)，且變化范圍不大。同時，通過圖15中對于鹽霧老化試驗后的電纜連接處進行檢查后發現，并未出現斷股現象。

表4 鹽霧試驗前后不同型號熔斷式溫度繼電器保險絲的熱敏藥丸高度 mm

圖15 熔斷式溫度繼電器新品在鹽霧試驗前后溫度保險絲的X光檢查照片

5 結論

通過對不同安裝位置、不同運營里程下的熔斷式溫度繼電器進行絕緣電阻測試、輸出特性測試，并對熔斷式溫度繼電器新品進行了鹽霧試驗，研究其性能參數的變化規律，得出以下結論。

(1)隨著動車組運營里程增加，熔斷式溫度繼電器的絕緣電阻無明顯變化，而接觸電阻逐漸增大、熱敏藥丸高度減小。造成這一變化的主要原因是，高溫、振動環境下熔斷式溫度繼電器內部觸點表面劣化、結構發生松動，使得接觸電阻增大、熱敏藥丸高速下降。

(2)對于牽引電機處，傳動端處熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化量大于定子端和非傳動端。這是由于定子端、傳動端和非傳動端3處的工作溫度、振動情況存在差異，其中，傳動端的振動狀況最為惡劣，其核心元件溫度保險絲中觸點更容易發生松動，使得觸點面積減小，導致接觸電阻較大。

(3)基于不同運營里程下的測試數據對接觸電阻進行預測，發現在運營里程數分別達到1 040萬km，1 000萬km時，軸箱和齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻分別達到警戒值。

(4)對于新品熔斷式溫度繼電器，在鹽霧環境下，隨著鹽霧老化時間增加，其內部觸點受腐蝕、并逐漸劣化，導致其接觸電阻增大、熱敏藥丸高度下降。由于不同安裝位置的熔斷式溫度繼電器外形存在差異，導致鹽霧環境下牽引電機處熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化最大。