基于失效分析的軌道交通斷路器服役可靠性評價

黃曉博

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111）

引文

斷路器作為電能傳輸、分配以及對用電回路中設備實現保護、控制與穩定運行的重要部件[1]，廣泛用于高速動車組的各個設備中。斷路器的可靠分閘與合閘，關系著列車平穩與安全運行的方方面面，從列車監控回路到列車控制回路，都離不開控制元件的配合與響應。因此，對斷路器進行服役可靠性研究，以失效故障為輸入，提前預判故障表征與發生時間，有利于提高列車運行安全性，減少經濟損失并避免大型事故的發生。

本文基于實車數據調研與失效分析手段，通過模擬實際環境的加速老化試驗，對軌道交通用斷路器進行劣化分析并進行服役可靠性評價。通過試驗中的數據劣化與失效分析，確定斷路器在實際使用環境下發生故障的外在表征與預估時間，進行服役可靠性評價，為提高裝備可靠性和安全性提供理論依據。

1 失效分析

斷路器失效主要有疲勞失效與電應力失效兩種[2]。疲勞失效主要由于機械構件在長期開合閘后潤滑不到位，外在表征有：合閘不到位、拒動、觸點粘連、分閘延遲等[3]。電應力失效主要由于帶載條件下開合閘產生的電弧或觸點與空氣中雜質產生的電化學腐蝕，外在表征有：觸點燒蝕、電磨損、接觸電阻增大、合閘彈跳異常等[4-6]。

對實車故障信息調研后，某款斷路器故障主要表征為觸點異常，但是斷路器故障機理為觸點粘連還是觸點燒蝕仍不明確，需進一步對觸點進行微觀形貌分析與材料成分分析等判斷主要失效原因。

微觀形貌分析失效件與新品對比結果如圖1所示，失效件觸點上有磨損痕跡，除接觸面表面光滑透底外，其余表面發黑且有顆粒附著物。新品斷路器表面無磨損發黑情況，帶有光澤。

圖1 新件與失效件觸點微觀形貌對比

采用SEM掃描電鏡對斷路器失效觸頭表面形態及化學成分進行分析，如圖2、3所示。失效件可見觸點接觸面上附著的物質聚集較密，應經歷擠壓形成堆積狀態。成分檢測觸點主要成分均為Ag金屬（含Ni）及其氧化物等。對比新品觸點表面形態與成分，其表面光滑，表面元素成分與失效品基本一致，但是O含量較低，Ag含量較高。

圖2 失效件觸點成分分析

對失效斷路器觸點閉合后進行接觸電阻測試，與全新斷路器進行對比發現，接觸電阻有顯著增大，如表1所示。產品要求斷路器閉合接觸電阻＜7.2 mΩ即為通過，實際部分失效件接觸電阻仍在合格范圍內，出于安全角度考慮，應根據不同斷路器進行調研，將此兩款斷路器合格指標降低以匹配應用。

圖3 新件觸點成分分析

表1 接觸電阻對比

根據失效分析的結果可知，此斷路器觸點失效部位有氧化物聚集，為帶載條件下開合閘產生的電弧或觸點與空氣中雜質產生的電化學腐蝕，主要失效機理為電應力失效。且接觸電阻表現出明顯的退化趨勢，可以作為退化指標進行試驗設計。

2 試驗過程

本文基于失效分析的結果，首先對失效件與新件進行材料成分對比分析，并根據接觸電阻退化趨勢，設計試驗時間與試驗應力。調研使用環境，斷路器所處空間較為封閉，工作溫濕度較為穩定，受線路南北運行，空氣濕度有一定波動，駐車時有高低溫貯存環境。因此，利用實驗室加速手段進行加速老化試驗，在指定試驗周期內觀測接觸電阻退化趨勢并對斷路器進行壽命預測。樣品信息如表2所示，試驗結果如圖4、5所示。

表2 樣品信息

圖4 10款樣品前1 728 h接觸電阻均值變化趨勢圖

取10件全新繼電器進行試驗，條件如下：

1）在試驗的標準大氣條件下，對繼電器進行外觀檢測，篩除異常件；

2）將繼電器放入高低溫濕熱試驗箱內，模擬實際使用狀態安裝、連接至額定電壓電流環境中，并按實際使用頻率設置2 s導通，13 s斷開；

3）然后調節試驗箱內的溫度至70 ℃、相對濕度為70 %；

4）試驗中檢查：每隔24 h，斷路器處于溫度70 ℃，相對濕度70 %RH的環境條件下將斷路器斷電，并進行觸點接觸電阻檢測，檢測后立即恢復供電；

5）直至2 000 h試驗結束后，將試驗箱恢復至標準大氣條件，被試品在該溫度下保持2 h使其達到溫度穩定；

6）打開箱門，在試驗的標準大氣條件下，進行外觀與接觸電阻檢測。

在第1 584 h之前，斷路器隨試驗時間遞增，接觸電阻表現出不同程度的增加，并在1 200 h前后多數斷路器接觸電阻已超過7.2 mΩ限值要求。在第1 584 h后，多數斷路器表現出接觸電阻突然增大的現象，且在第（1 776～1 896）h之間，10件樣品接觸電阻接連測出無窮大，打開試驗箱發現觸點已無法完全閉合，保守認為在1 200 h已發生退化性失效，此時斷路器仍具有正常功能，但回路負載增大，在1 776 h已經發生絕對失效。

3 服役可靠性評價

在長期電應力與濕熱應力綜合作用下，斷路器觸點結構異常，有附著物附著在接觸點位置，且磨損嚴重，機械結構卡滯導致無法閉合，最終表現出失效。

依據Hallberg-Peck模型，按照經驗激活能一般取0.7，濕度加速系數取3，則試驗環境相對于工作環境的加速系數為：

圖5 10款樣品前1 500 h接觸電阻變化趨勢圖

式中：

k—波爾茲曼常數；

Ea—激活能，取0.7 eV；

Tn—工作溫度，取25 ℃；

Ts—試驗溫度，取70 ℃；

RHn—工作濕度，取50 %RH；

RHs—試驗濕度，取70 %RH；

n—濕度加速系數，取3。

按照斷路器一天工作12 h，一年300天，工作30年，則斷路器累積工作時間為108 000 h。等效試驗時間為1 101 h。在試驗至1 101 h時斷路器已瀕臨失效邊緣。為準確預測實際失效時間，反向迭代計算如下：

在加速試驗70 ℃，70 %RH條件下，試驗1 200 h發生退化性失效，根據加速系數A=98.07推算實際使用25 ℃，50 %RH條件下預計使用13.43年，按照斷路器一天工作12 h，一年300天折算，預計使用32.7年；試驗1 776 h發生絕對失效，根據加速系數A=98.07推算實際使用25 ℃，50 %RH條件下預計使用19.9年，按照斷路器一天工作12 h，一年300天折算，預計使用48.4年。

4 結論

在加速老化試驗中，10款斷路器退化趨勢相似，根據計算結果，在32.7年附近會發生退化性失效，此時斷路器雖保有一定功能，但不利于車輛安全運行，32.7～48.4年期間斷路器以一定危險性保有工作能力，直至壽命終點。

斷路器失效，其外觀表征在初期并不明顯，但接觸電阻可作為檢測的重要指標，因此建議檢修過程中重點關注接觸電阻的檢查。尤其是使用30年以上的斷路器應增加檢修頻率。

針對斷路器服役可靠性研究結果，建議在部件采購時增加對斷路器的可靠性要求，提高斷路器觸點與機構制造工藝等。