動(dòng)車組牽引系統(tǒng)接地故障分析及優(yōu)化研究

劉克思，賈煥軍，王 安，周立輝

（1 中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 青島動(dòng)車段，山東青島 266011；2 中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山 063035）

動(dòng)車組牽引系統(tǒng)接地故障影響較大，發(fā)生接地故障后，一般會(huì)導(dǎo)致牽引丟失，甚至影響主供電系統(tǒng)，嚴(yán)重接地時(shí)可能產(chǎn)生線路的放電打火，存在火災(zāi)隱患，影響車組安全。鑒于牽引系統(tǒng)接地故障率高、影響大、故障原因查找困難等問(wèn)題，需要充分研究故障發(fā)生原因，針對(duì)故障原因制定優(yōu)化方案，解決上述問(wèn)題，提高動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的安全性、降低故障率、提高維修效率，同時(shí)為后續(xù)動(dòng)車組產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供借鑒［1］。

1 牽引系統(tǒng)接地保護(hù)設(shè)計(jì)原理

某型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)采用交—直—交變流技術(shù)，正常情況下，牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)電壓應(yīng)為2 700～3 600 V。為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，中間直流環(huán)節(jié)設(shè)置了接地檢測(cè)裝置，接地檢測(cè)保護(hù)值設(shè)置為中間電壓的1/4，接地檢測(cè)保護(hù)值理論值應(yīng)為25%（電壓與中間電壓的百分比），接地檢測(cè)保護(hù)值設(shè)定范圍為5%～32.5%，當(dāng)接地檢測(cè)保護(hù)值超出設(shè)定范圍，就會(huì)診斷為接地故障。動(dòng)車組牽引系統(tǒng)主電路如圖1 所示。

圖1 動(dòng)車組牽引系統(tǒng)主電路圖

2 牽引系統(tǒng)接地故障分析

對(duì)動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生牽引系統(tǒng)接地故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，接地故障的類型主要有：

（1）變流器輸出端接地，主要原因是牽引電機(jī)接地造成輸出端接地、牽引電機(jī)線纜連接器燒損造成放電接地等。

（2）變流器輸入端接地，主要原因是終端箱進(jìn)水造成內(nèi)部的跨接線纜端子發(fā)生放電，變壓器次邊線纜插頭絕緣不良產(chǎn)生放電。

（3）變流器內(nèi)部部件故障。

3 變流器輸出端接地

3.1 牽引電機(jī)接地原因分析

牽引電機(jī)定子線圈絕緣性能下降導(dǎo)致牽引電機(jī)接地，對(duì)故障牽引電機(jī)進(jìn)行拆解分析，定子絕緣性能下降原因包括：

（1）運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)繞組受到風(fēng)沙侵蝕造成電機(jī)端部繞組及槽口表面線圈磨損，絕緣薄弱。

（2）前期檢修定子內(nèi)腔清洗過(guò)程采用沖洗工藝，傳動(dòng)端線圈暴露外部，直接沖洗可能會(huì)造成個(gè)別槽口及端部線圈絕緣受損，污漬浸入線圈內(nèi)部，導(dǎo)致絕緣薄弱。電機(jī)定子線圈槽口絕緣磨損如圖2 所示。

圖2 電機(jī)定子線圈槽口絕緣磨損

（3）YJ105A 系列電機(jī)定子采用的絕緣漆為有機(jī)硅樹脂，具有優(yōu)良的耐熱性和電氣絕緣性能，但存在高溫粘接力低，機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低等材料固有特點(diǎn)。在電機(jī)運(yùn)行中的高溫振動(dòng)環(huán)境下，浸漬漆由于粘接強(qiáng)度低，振動(dòng)容易產(chǎn)生微小裂紋（尤其在槽口部位線圈絕緣與鐵心交界處），受潮后形成導(dǎo)電通道，造成絕緣性能降低。

（4）電機(jī)在高壓方波脈沖電壓作用下，定子繞組端部出槽口處電場(chǎng)分布極不均勻，產(chǎn)生電暈放電，使絕緣性能降低。特別是在潮濕環(huán)境下，局部放電量大大增加，在電機(jī)繞組絕緣失效過(guò)程中起到加速作用。

3.2 牽引電機(jī)優(yōu)化方案

為了提高牽引電機(jī)定子線圈槽口絕緣強(qiáng)度，對(duì)牽引電機(jī)定子繞組進(jìn)行兩次真空浸漆，消除繞組絕緣龜裂，提升牽引定子絕緣性能。

針對(duì)已裝車牽引電機(jī)可結(jié)合車組四級(jí)修、次輪三級(jí)修、五級(jí)修執(zhí)行兩次浸漆。跟蹤兩次浸漆后牽引電機(jī)運(yùn)行情況，定子線圈內(nèi)部故障導(dǎo)致的牽引電機(jī)接地故障率明顯下降，兩次浸漆效果良好。

3.3 牽引電機(jī)線纜連接器燒損原因分析

牽引電機(jī)連接器燒損導(dǎo)致接地故障報(bào)出，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)連接器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用，插針接觸壓力減小，同時(shí)受列車復(fù)雜的運(yùn)行工況影響，引起連接器插針電接觸不良，接觸電阻增大，溫度升高，連接器長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱運(yùn)行，引起連接器電氣性能不斷衰減，溫度持續(xù)升高，進(jìn)而造成牽引電機(jī)連接器燒損，導(dǎo)致牽引電機(jī)接地故障報(bào)出。

牽引電機(jī)連接器的接觸是依靠公端子與母端子插合時(shí)，母端子內(nèi)冠簧結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生穩(wěn)定的接觸壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)公端子插入母端子時(shí)，冠簧（或稱觸指）受到插針徑向壓力而發(fā)生彈性形變產(chǎn)生正壓力P。插針和冠簧之間摩擦接觸，摩擦系數(shù)為μ，插拔力為F=μ·P，如圖3 所示。

圖3 連接器結(jié)構(gòu)

當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，電路兩端產(chǎn)生電壓降ΔU，這是整個(gè)連接器的接觸電阻R。接觸電阻的估算公式為式（1）：

式中：ρ為電阻率；n為接觸點(diǎn)數(shù)；E為彈性模量；P為正壓力；r為接觸點(diǎn)半徑。

由上式可知，正壓力增大，可以減小接觸電阻，但同時(shí)增大了插拔力F和冠簧的應(yīng)力，而且正壓力增大一定程度后，接觸電阻減小幅度變小。因此，連接器較好的正壓力P能夠獲得較小的接觸電阻R。選取兩套五級(jí)修連接器和兩套新連接器，進(jìn)行單孔拉拔力試驗(yàn)、接觸電阻測(cè)量試驗(yàn)和靜態(tài)溫升試驗(yàn)：

（1）單孔拔力測(cè)試結(jié)果表明，新品連接器的單孔拔力為32.7～38.7 N，五級(jí)修連接器的單孔拔力18.1～29.8 N，說(shuō)明經(jīng)過(guò)480 萬(wàn)km 運(yùn)行的連接器，單孔拔力產(chǎn)生約23%～45% 的衰減。連接器拉拔力測(cè)試如圖4 所示。

圖4 連接器拉拔力測(cè)試

（2）接觸電阻參照TB/T 3412—2015《動(dòng)車組用電連接器》要求，接觸體的接觸電阻應(yīng)≤0.2 mΩ，測(cè)試結(jié)果表明，五級(jí)修連接器的接觸電阻符合技術(shù)要求，但是從數(shù)據(jù)來(lái)看，五級(jí)修的接觸電阻阻值比新品的接觸電阻阻值大。

（3）靜態(tài)溫升試驗(yàn)如圖5 所示，結(jié)果表明：

圖5 靜態(tài)溫升測(cè)試

①通相同電流時(shí)，單孔拉拔力越小的接觸體溫升越大。

②當(dāng)通以250 A 電流時(shí)，12 N 以下插針接觸體溫升已經(jīng)超過(guò)55 K，不符合TB/T 3412—2015 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。可以判斷出單孔拔力在12 N 以下的接觸體均不滿足本產(chǎn)品使用需求。

③當(dāng)通以275 A 電流時(shí)，15 N 插針溫升為55 K，達(dá)到TB/T 3412—2015 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限值。結(jié)合實(shí)際使用工作電流，此時(shí)，15 N 插針可以匹配電機(jī)使用。但模擬過(guò)載的334 A 電流，溫升已接近絕緣材料的上限使用溫度，存在燒蝕、熔化風(fēng)險(xiǎn)。

④18 N 以上的插孔，工作電流匹配性、電流過(guò)載能力均能滿足產(chǎn)品使用要求。

3.4 牽引電機(jī)線纜連接器優(yōu)化方案[2]

（1）對(duì)牽引電機(jī)插頭進(jìn)行拉拔力測(cè)試，在動(dòng)車組高級(jí)修時(shí)進(jìn)行連接器插孔拉拔力測(cè)試，對(duì)小于18 N 的端子進(jìn)行更換。

（2）在動(dòng)車組牽引電機(jī)插頭出線處粘貼溫度貼片，監(jiān)測(cè)運(yùn)行時(shí)牽引電機(jī)連接器溫度。每2 萬(wàn)km檢查溫度貼片，記錄溫度值，發(fā)現(xiàn)同電機(jī)的三相溫差大于10 ℃時(shí)，拆開檢查連接器狀態(tài)。

4 變流器輸入端接地

4.1 終端箱進(jìn)水原因分析

該型動(dòng)車組車廂端部設(shè)置終端箱，為車輛間電源線跨接提供空間，其內(nèi)部進(jìn)水的主要原因是本身防護(hù)性能不強(qiáng)，當(dāng)車上用水設(shè)備出現(xiàn)漏水后通過(guò)車體設(shè)備安裝通道、過(guò)線孔等部位滲漏到終端箱內(nèi)部，浸濕接線端子，導(dǎo)致線纜檢測(cè)出接地［3］。

4.2 防止終端箱進(jìn)水優(yōu)化方案

（1）提升終端箱接線處的防護(hù)措施

①在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)條件下，在終端箱大線靠近接線端子200 mm 處纏7～8 mm 厚防水膩?zhàn)樱纬蓚闳梗瑐闳故顾髟诖颂幨艿阶韪糁苯勇湎拢会槍?duì)雙層大線端子排，在靠近終端箱底部的下層大線在接線端子100 mm 處纏7～8 mm 厚防水膩?zhàn)樱嚯x此傘裙100 mm 處的上層大線（靠近底架、遠(yuǎn)離端子排側(cè)）纏繞7～8 mm 厚防水膩?zhàn)樱纬蓚闳梗舷聝蓪觽闳剐纬慑e(cuò)臺(tái)，以避免水流至金屬端子排。線纜阻水錯(cuò)臺(tái)如圖6 所示。

圖6 線纜阻水錯(cuò)臺(tái)

②對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域型腔進(jìn)行封堵，為防止異物、水通過(guò)型腔進(jìn)入終端箱，在與終端箱聯(lián)通側(cè)型腔出口內(nèi)部增加聚乙烯泡沫堵板，并用SIKA265 進(jìn)行密封。

（2）給水衛(wèi)生系統(tǒng)防水倒流措施［4］

①優(yōu)化開水爐接水，開水爐下方設(shè)置接水盤，出現(xiàn)漏水后及時(shí)導(dǎo)出，在接水盤內(nèi)增加溢流管，將漏水導(dǎo)至客室地板，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏水并處置。開水爐增加溢流管如圖7 所示。

圖7 開水爐增加溢流管

②優(yōu)化改進(jìn)衛(wèi)生間、洗面間等供水管路，洗面間底部設(shè)有整體接水盤裝置，坐便衛(wèi)生間、蹲便衛(wèi)生間在進(jìn)水電磁閥和儲(chǔ)水增壓罐位置設(shè)置有漏水接水盤。接水盤水可通過(guò)溢流孔排到車廂地板，通過(guò)地板水跡發(fā)現(xiàn)漏水隱患。

③優(yōu)化改進(jìn)蹲式衛(wèi)生間集便器排水管，為了避免水增壓罐的排水進(jìn)入車內(nèi)，將排水管與水箱溢流管和衛(wèi)生間排廢氣管連接，故障情況下可將排水導(dǎo)出車外［5］。

④優(yōu)化衛(wèi)生間蹲便器密封，取消密封膠條，在U 型槽內(nèi)部填充Sika221 膠，同時(shí)在踏板和地板間填充樂泰膠，以起到支撐作用。蹲便器密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖8 所示。

圖8 蹲便器密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.3 變壓器次邊線纜插頭放電原因分析

變壓器輸出端線纜通過(guò)扎帶綁扎在橫桿上，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，由于線纜彎曲，導(dǎo)致線纜與插頭之間存在間隙，降低了插頭的密封性；同時(shí)該結(jié)構(gòu)固定方式對(duì)插頭存在振動(dòng)沖擊，造成插頭放電，引發(fā)牽引系統(tǒng)接地故障。

4.4 變壓器次邊線纜插頭優(yōu)化方案

為解決該問(wèn)題，在變壓器油箱箱壁上重新焊接C 型槽支架，在C 型槽支架上安裝電纜線夾的方式對(duì)電纜進(jìn)行固定，消除振動(dòng)對(duì)變壓器輸出端連接器的沖擊及對(duì)密封性的影響。線纜固定方式優(yōu)化如圖9 所示。

圖9 線纜固定方式優(yōu)化

5 牽引系統(tǒng)接地診斷防護(hù)邏輯

牽引系統(tǒng)接地故障原有設(shè)定的診斷邏輯較為簡(jiǎn)單，無(wú)論是變流器的輸入、輸出、外圍設(shè)備和內(nèi)部器件出現(xiàn)接地，僅設(shè)置單一故障代碼，發(fā)生此類故障后均報(bào)出代碼25EF，不便于故障診斷和維修。且出現(xiàn)故障后僅封鎖故障車的牽引，對(duì)變流器輸入側(cè)，即變壓器次邊至變流器輸入端接地故障不能有效防護(hù)，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

為了進(jìn)一步區(qū)分接地位置，有效防范故障發(fā)生后的安全風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)優(yōu)化軟件檢測(cè)邏輯和防護(hù)策略，將現(xiàn)有牽引系統(tǒng)接地診斷代碼明確區(qū)分為：既有診斷代碼25EF 表示變壓器二次側(cè)接地故障，增加診斷代碼25EE 表示四象限斬波器（4QC）/中間直流環(huán)節(jié)接地故障、25EC 表示外圍設(shè)備接地、25ED 表示牽引電機(jī)接地。優(yōu)化區(qū)分故障診斷代碼如圖10 所示。

圖10 優(yōu)化區(qū)分故障診斷代碼

具體判斷邏輯順序?yàn)椋和ㄟ^(guò)斷開輔助變流器輸出接觸器先進(jìn)行外部接地（25EC）診斷；然后通過(guò)封鎖PWMI 進(jìn)行電機(jī)接地（25ED）診斷。

如果以上兩項(xiàng)排除后，則鎖定為變壓器二次側(cè)/四象限斬波器（4QC）/中間直流環(huán)節(jié)接地故障，此時(shí)若接地檢測(cè)保護(hù)值小于5%或大于70%則判斷為四象限斬波器（4QC）/中間直流環(huán)節(jié)接地故障（25EE）；若接地檢測(cè)保護(hù)值在32.5%～70% 區(qū)間判斷為變壓器二次側(cè)接地故障（25EF）。當(dāng)報(bào)出變壓器二次側(cè)接地故障（25EF）后，鎖閉故障車所在單元的主變壓器，斷開高壓隔離開關(guān)，確保故障點(diǎn)有效隔離，避免電氣火災(zāi)隱患。

6 結(jié)論

文中通過(guò)分析某型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)接地故障發(fā)生原因及設(shè)計(jì)邏輯，針對(duì)故障原因制定邏輯優(yōu)化、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝規(guī)程優(yōu)化等相關(guān)優(yōu)化方案。通過(guò)對(duì)動(dòng)車組改造前后運(yùn)行情況跟蹤分析，牽引系統(tǒng)接地故障明顯減少，由改造前的128 件/年降低到了19 件/年，故障降低了85%；故障診斷、應(yīng)急處置時(shí)間由優(yōu)化前的50 min 降低到了20 min，效率提升了60%，有效確保了動(dòng)車組運(yùn)行安全。