軌道交通用直流開關電器故障分析

鐘積科，陳 程，李 明，謝豐茜

(武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢430064)

0 引言

應用于軌道交通直流牽引供電系統電壓等級為1500 V 和750 V 的低壓直流開關設備一直以來被國外瑞士Secheron 公司、美國GE 公司和英國FKI 等幾個跨國公司的產品所壟斷[1]，其中以瑞士Secheron 公司生產的BMS 系列和UR 系列更為突出，國內有很多企業以此為基型進行了研仿，也有科研院所進行了相關電氣性能和可靠性的研究，均有一定成果。但國外低壓直流開關設備依然占據軌道交通行業牽引開關設備很大市場份額，且隨著軌道交通行業的不斷發展，對該產品的需求量也越來越大。不過，也正是由于軌道交通行業的不斷發展，行業制度的不斷完善，對產品的質量要求也越來越高，無論國內還是國外的直流開關電器都存在一定的質量問題，對此，本文對低壓直流斷路器和低壓直流接觸器典型故障情況的統計進行了整理，將其故障情況分為非金屬件故障和金屬件故障，根據故障的危險程度可以分為不影響開關性能的一般故障和影響開關性能的嚴重故障。本文針對以上提出的不同類型的故障進行了分析判斷，給出了理由，并提出了解決方法和處理措施，最后總結出提高產品使用壽命的見解。

1 故障統計

為保障城市軌道交通設備的運行，車輛檢修部門會根據列車的運用計劃制定車輛檢修計劃，檢修計劃出臺后，車輛部門會按檢修修程和檢修工藝將車輛修竣后交于車輛運用部門。通常車輛的檢修修程分日常檢修和定期檢修，日檢、雙周檢、月(三月)檢屬于日常修建范疇，大修、架修、定修(年修)屬定期檢修范疇[2]。

如下表1 所示，為某地鐵檢修部門在對車輛檢修時，發現的斷路器、接觸器部件典型故障情況統計。從該表中可以看出典型故障情況為零部件的裂紋、破損、斷裂、老化、磨損，非金屬件故障主要在月修時發現，而金屬件故障在架修之后發現。從危險程度上來說，非金屬件故障基本上為一般故障，一般故障短期內不會對開關性能產生影響。而金屬件故障基本均為嚴重故障，對開關的運行和使用產生了嚴重影響，導致開關不能正常工作。

表1 典型故障統計

圖1～12 為典型故障實物圖，從圖中可以看出開關零部件損壞程度。

圖1 典型故障實物圖

2 非金屬件故障問題分析及處理

非金屬件在開關中作為重要的組成部分，主要有以下幾方面的作用：1）作為對開關本體金屬部分的固定支撐作用；2）作為電氣隔離(絕緣)的作用；3）作為機械結構力傳動的作用；4）出于某種電氣性能和機械性能的考慮而設計的特殊結構，如增大電弧流體壓強、加快散熱、緩沖、潤滑等等作用。以上四方面的作用對開關的運行和使用均有著一定的影響，如1）失效開關可能會導致部件之間相互脫離；2）失效開關金屬件電氣隔離處會發生絕緣擊穿；3）失效開關機械運行失敗；4）失效開關的電氣性能和機械性能指標會降低。

以上四方面的作用也需要注意零部件的使用壽命問題，零部件的使用壽命直接關系到了開關整機的使用壽命，在給定的開關有效使用壽命內非金屬件未出故障，說明該非金屬件是滿足使用要求的。

如圖1（1）所示滅弧罩有裂紋，該滅弧罩的非金屬部分(絕緣柵片)起著支撐和絕緣的作用，同時為保證電弧能有效噴出和散熱的作用，絕緣柵片壁設計的很薄，這樣不可避免的在該零件的生產、運輸、安裝、使用過程中造成裂紋，由于滅弧罩為靜置件，其中的絕緣柵片按力矩要求被壓實，之間不存在動態力的傳動。對于機車上使用的開關電器，實際工況中會存在一定程度的振動和沖擊，在開關驗收前需按標準GB/T21563 I類B 級進行振動和沖擊型式試驗。因此，該裂紋在不會對開關性能產生影響，只需更換有裂紋的絕緣柵片即可。

如圖1（2）所示外殼有裂紋，該外殼起著支撐和絕緣的作用，出現裂紋處有外部金屬件對其施加壓力，使其出現裂紋，此處需考慮結構的強度設計，需考慮多大應力才能導致此處出現裂紋，從圖中結果來看，此處強度不足。

如圖1（3）所示安裝緊固孔附近裂紋，該裂紋對開關性能有很大的影響，支撐框架與金屬支架間，通過螺栓緊固，由于二者接觸面并非真正的平面且支撐應力全集中在安裝孔附近，導致安裝孔附近的非金屬間應變量很明顯，嚴重時會出現裂紋，更嚴重時會出現開裂，甚至是框架斷裂，后果很嚴重。

如圖1（4）所示滅弧罩有破損，如同圖1 所示絕緣柵片壁設計的很薄，該零件不可避免的在生產、運輸、安裝、使用過程中造成裂紋。從圖中可以看出，明顯人為造成的。其破損處對開關性能無影響。

如圖1（5）所示為杠桿斷裂，杠杠在開關中起著機械結構力的傳動的作用，其斷裂產生的后果很嚴重，導致開關不能正常工作，造成其斷裂的原因主要有以下原因：杠杠材料強度不夠，可能選用了物性參數較差的材料；材料生產工藝存在問題，此處產生熔接痕，導致杠桿受力后，熔接痕處存在較大的應力，導致杠桿斷裂；此處結構設計的太薄弱導致局部應力過大超過了材料能夠承受的應力范圍，導致斷裂。

如圖1（6）所示的滅弧罩老化現象，跟使用工況和滅弧柵片自身的承受能力有關，當操作次數達到了一定數值后，滅弧罩內引弧角燒蝕、滅弧柵片燒蝕程度會很明顯，絕緣柵片表面也會有明顯的碳化現象。因此，只要規定的電壽命參數合理且滿足，滅弧罩老化現象的存在是合理的。

通過以上分析，非金屬件故障問題還是至關重要的，除了滅弧罩有裂紋、滅弧罩有破損、滅弧罩老化外，其余情況對開關性能都有嚴重影響。解決方法主要有以下三種：1）首先確定材料的物性參數是否能達到要求，否則選用性能更為優良的材料；2）確定零部件的生產加工工藝，特別是通過模具成型的非金屬零件，其成型工藝的把控對材料的強度有著很重要的影響，而且控制不好也易造成零件變形或尺寸變化；3）零部件的結構設計要合理，對于強度不足或結構復雜處可以對零件增厚或增加加強筋來處理，即使還解決不了問題時，可以在非金屬件中嵌入金屬嵌件或金屬鋼板以此來提高局部位置的機械強度。用以上方法解決此故障還需要進行相應的長壽命驗證工作，以此來確保非金屬零部件改進后的合理性，同時也確定是否能提高開關的可靠性。

3 金屬件故障問題分析及處理

金屬件是開關中最核心的部分，主要作用如下：1）帶電金屬件，如母排、觸頭、引弧角、軟連接等構成系統一次回路；2）為開關合分閘提供驅動力的機構，如電磁機構、永磁機構、脫扣器、彈簧儲能機構等；3）為開關合分閘提供力的傳動的機構，如連桿、銷子、凸輪等；4）為保證開關各組成部件之間配合而設計的各種安裝接口，包括用來連接該配合的標準件；5）出于某種電氣性能和機械性能的考慮而設計的特殊結構，如磁吹線圈機構、散熱模塊等。以上五方面的作用關系到開關能否正常使用，如作用1）失效開關不能正常帶電工作，嚴重時燒毀開關；作用2）失效開關不能完成分合閘操作，使開關不能正常運行；作用3）失效同樣開關不能完成分合閘操作，使開關不能正常運行；作用4）失效開關的各組成部件之間發生松動，嚴重時脫落，直接影響開關動作可靠性；作用5）失效開關電氣性能和機械性能指標會降低。

需值得指出的是，產品在試制過程中會進行可靠性試驗，可靠性試驗關注的是：開關在分合閘過程中零部件是否發生了磨損、裂紋甚至斷裂；開關各組成部件之間是否已存在松動甚至脫落；開關的動作性能是否有明顯的衰減且衰減后能否滿足接通分斷性能。只有當可靠性滿足要求時，開關才能生產推廣。

如圖1（7）所示為銷子斷裂，銷子作為力的傳動部件，極易受到剪切力的作用，當運行次數達到一定數值后出現斷裂，說明銷子在運行過程中所受到的剪切應力已超過了其疲勞強度。

如圖1（8）所示為卡扣斷裂，此卡扣用在零部件之間的起著緊固配合的作用，當卡扣斷裂后，其緊固的零部件將會出現松動甚至脫落，后果嚴重。造成卡扣脫落的原因，可能是卡扣韌性不足發生的脆斷。由于卡扣為標準件，因此在標準件選型上應注意材料的力學性能應滿足要求。

如圖1（9）所示為彈簧斷裂，彈簧在開關中起著儲能和提供反力的作用，一旦損壞，開關是無法完成相應操作的。彈簧斷裂的原因一般與熱處理工藝有關，正常情況下彈簧即使運行壽命達不到要求只會力值發生衰減、結構發生變形，而熱處理工藝不正確，特別是電鍍后不做去氫處理，彈簧是極易發生脆斷的。

如圖1（10）所示為軟連接斷裂，軟連接為開關作為系統一次回路中唯一可動的部件，其結構采用銅箔片或銅編制線兩端高溫熔焊壓接而成。由于銅箔片很薄，當運行達到一定次數后，最外層的銅箔片易發生斷裂，當斷裂片數不多時，對開關的電氣性能是無影響的，因此在規定的壽命次數內斷裂一定量的銅箔片是允許的，但如果斷裂片數過多，需要進行防護或結構優化。

如圖1（11）所示為觸頭焊接處開裂，觸頭一般是焊接在觸頭座上，在長期的分合閘運行過程中，動靜觸頭間會發生撞擊，當觸頭焊接處有裂縫時，觸頭在撞擊過程中可能會從觸頭座上脫離，其結果是導致開關接通或分斷失敗，嚴重時可能發生燒蝕。對此問題可能為焊接工藝不牢靠導致的。

如圖1（12）所示為凸輪磨損，凸輪作為轉動部件，一般在開關中作為力的傳動和指示信號轉換的作用，如發生磨損將導致開關運行的可靠性不高，導致開關電氣性能和機械性能指標會降低。發生磨損的原因有很多，跟硬度、材料韌性、強度等都有關系。

通過以上分析，金屬件故障將會嚴重導致開關故障，不能使用。針對上述問題有以下解決方法：1）確定金屬材料的材料屬性，選用強度更高，韌性更好，硬度適中的高性能材料；2）在進行熱處理工藝時，要掌握好火候，合理控制材料熱處理參數，確保材料性能滿足要求；3）把控好焊接工藝；4）優化金屬件結構，保證其有足夠的強度，如在軟連接壓接處增加L 型擋片使壓接處的應力發生轉移和發散。當方案改進后需要通過可靠性試驗來進行驗證，當結果滿足要求后，方能說明改進方案合理可行。

4 總結

本文通過對金屬件和非金屬件的故障分析確定了故障模式，并提出了解決措施，能進一步提高產品的使用壽命。