高壓隔離開關(guān)故障分析及對(duì)策

鄒異民 陳 哲，2 恒 放 李 濤 曾凡軍

（1、中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001 2、大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南交通大學(xué)牽引力動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001 3、中車株洲電力機(jī)車有限公司電氣設(shè)備分公司，湖南 株洲 412001）

1 概述

重載貨運(yùn)電力機(jī)車是我國西煤東運(yùn)的主要運(yùn)輸車型，機(jī)車運(yùn)用環(huán)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(shù)，將高壓隔離開關(guān)、真空主斷路器、高壓電壓互感器、避雷器等安裝于高壓箱內(nèi)，避免了高壓設(shè)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(shè)備的體積。為此，我公司研制了小體積的電力機(jī)車用新型高壓隔離開關(guān)。

電力機(jī)車高壓隔離開關(guān)是高壓電路的重要組成部分，起到連接或分?jǐn)?5kV 高壓電路的作用。高壓隔離開關(guān)若發(fā)生故障，將直接影響電力機(jī)車的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至損毀設(shè)備。介紹了新型高壓隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，針對(duì)機(jī)車運(yùn)用中高壓隔離開關(guān)發(fā)生帶載分?jǐn)喙收线M(jìn)行分析，提出解決措施并驗(yàn)證其效果。

2 新型高壓隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 高壓隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)

我公司某型號(hào)重載貨運(yùn)電力機(jī)車主電路采用雙高壓隔離開關(guān)（以下簡(jiǎn)稱高隔），高隔1 位于本節(jié)車受電弓后端，控制本節(jié)車受電弓高壓電路的連接與分?jǐn)唷８吒? 位于本節(jié)車與他節(jié)車之間，控制兩車之間高壓電路的連接與分?jǐn)?。兩個(gè)高隔相互獨(dú)立，互不影響。電力機(jī)車雙高隔主電路圖如圖1 所示。

圖1 雙高隔主電路圖

兩個(gè)獨(dú)立高隔占用空間太大，不便于在有限空間內(nèi)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(shè)備集成雙高隔的功能，如圖2 所示。

圖2 新型高壓隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)

新型高隔功能簡(jiǎn)述：高隔1 處于簧片S1 位置時(shí)，連接本節(jié)車受電弓高壓電路，定義為高隔1 閉合；處于簧片S2 時(shí)，斷開本節(jié)車受電弓高壓電路，定義為高隔1 分?jǐn)唷８吒? 處于簧片S4 位置時(shí)，連接他節(jié)車高壓電電路，定義為高隔2 閉合；處于簧片S3 時(shí)，斷開他節(jié)車高壓電電路，定義為高隔2分?jǐn)?。高? 和高隔2 雖然集成到一套設(shè)備里，但閉合與分?jǐn)嘤蓹C(jī)車控制系統(tǒng)獨(dú)立控制，互不干擾。

從圖2 可知，當(dāng)高隔1 和高隔2 同時(shí)處于分?jǐn)?，即高?處于簧片S2 同時(shí)高隔2 處于簧片S3 時(shí)，兩個(gè)高隔實(shí)際上連接了本節(jié)車受電弓高壓電路和他節(jié)車高壓電路。為了簡(jiǎn)化控制邏輯，避免高隔位置交叉引起機(jī)車控制系統(tǒng)判斷混亂，將該工況定義為錯(cuò)誤，即不允許同時(shí)分?jǐn)鄡蓚€(gè)高隔。機(jī)車控制系統(tǒng)不會(huì)發(fā)現(xiàn)同時(shí)分?jǐn)鄡蓚€(gè)高隔的命令，如人為原因?qū)е聝蓚€(gè)高隔同時(shí)分?jǐn)啵緳C(jī)室微機(jī)顯示屏將進(jìn)行錯(cuò)誤提示，此時(shí)，人為閉合任意一個(gè)高隔即可恢復(fù)。

2.2 高壓隔離開關(guān)工作原理

高隔為弱電控制的氣動(dòng)設(shè)備，由機(jī)車控制系統(tǒng)發(fā)出分或合信號(hào)給高隔電磁閥。電磁閥得電后控制閥芯移動(dòng)，壓縮氣體進(jìn)入氣缸，驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞運(yùn)動(dòng)推動(dòng)氣缸桿運(yùn)動(dòng)，最終推動(dòng)高隔動(dòng)作。

高隔電磁閥工作電壓DC77～137V，響應(yīng)時(shí)間不大于0.5s。需要高隔動(dòng)作時(shí)，機(jī)車控制系統(tǒng)給高隔電磁閥DC110V 脈沖電壓，持續(xù)1s。

如圖3 所示，電磁閥A 側(cè)得電時(shí)，閥芯向右移動(dòng)。壓縮氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入氣缸，氣缸內(nèi)右側(cè)氣體從排氣口排出。在壓縮氣體的推力下，活塞向右移動(dòng)推動(dòng)氣缸桿運(yùn)動(dòng)，氣缸桿帶動(dòng)高隔閘刀轉(zhuǎn)動(dòng)60°。電磁閥B 側(cè)得電時(shí)，閥芯移動(dòng)方向相反，壓縮氣體推動(dòng)活塞向左移動(dòng)，最終使高隔閘刀反向轉(zhuǎn)動(dòng)60°。從而實(shí)現(xiàn)高隔的閉合與分?jǐn)唷?/p>

圖3 高隔閥缸機(jī)構(gòu)工作原理

2.3 機(jī)車對(duì)高壓隔離開關(guān)的控制邏輯

高隔4 個(gè)簧片S1、S2、S3 和S4均設(shè)置有反饋觸點(diǎn)。機(jī)車控制系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控這4 個(gè)反饋信號(hào)，并通過兩個(gè)反饋信號(hào)組合來判定高隔所在位置（表1）。

表1 高隔狀態(tài)判定表

為了避免高隔不動(dòng)作或動(dòng)作不及時(shí)，機(jī)車設(shè)置了高隔卡滯故障。具體控制邏輯如下：

機(jī)車控制系統(tǒng)從給出高隔動(dòng)作的脈沖信號(hào)開始記時(shí)，15s后高隔未到達(dá)目標(biāo)位置，則報(bào)告高隔卡滯。例如給出高隔1分?jǐn)嘈盘?hào)，根據(jù)S1 與S2 的反饋信號(hào)組合，15s 后高隔1 未分?jǐn)啵栽陂]合位置，則報(bào)告“高壓隔離開關(guān)1 卡合”。

3 新型高隔帶載分?jǐn)喙收?/h2>

3.1 故障現(xiàn)象

2021 年8 月6 日，機(jī)車位于站場(chǎng)內(nèi)升弓合主斷路器，車速為0，主電路電流為6A，A 節(jié)車高隔1 突然分?jǐn)?。機(jī)車主斷路器立即斷開，受電弓緊急降下。操作人員重啟設(shè)備后，高隔1 正常閉合，受電弓、主斷路器正常工作，機(jī)車按計(jì)劃正常運(yùn)行。機(jī)車回庫后檢查，發(fā)現(xiàn)高隔1 閘刀和簧片有輕微放電燒損。

2021 年8 月8 日，機(jī)車正常運(yùn)行中，速度55km/h，主電路電流14A。B 節(jié)高隔1 突然分?jǐn)?，機(jī)車主斷路器立即斷開，受電弓緊急降下。操作人員重啟設(shè)備后，高隔1 正常閉合，受電弓、主斷路器正常工作，機(jī)車按計(jì)劃繼續(xù)運(yùn)行。機(jī)車回庫后檢查，發(fā)現(xiàn)高隔1 閘刀和簧片放電燒損嚴(yán)重。

3.2 事件記錄數(shù)據(jù)

查閱機(jī)車事件記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)，存在“高壓隔離開關(guān)1 卡合”故障。選取8 月6 日事件記錄數(shù)據(jù)，故障名稱“高壓隔離開關(guān)1 卡合”，開始時(shí)間為2021 年08 月06 日04 點(diǎn)54 分，故障結(jié)束時(shí)間為“系統(tǒng)斷電時(shí)故障故障還未結(jié)束”，見圖4。

圖4 高隔卡合事件記錄

繼續(xù)查看事件記錄數(shù)據(jù)，2021 年08 月06 日09 點(diǎn)26 分24 秒，高隔1 突然從閉合狀態(tài)變?yōu)榉謹(jǐn)酄顟B(tài)，這之前并沒有高隔分?jǐn)嗝畹挠涗?，見圖5。

圖5 高隔分?jǐn)嗍录涗?/p>

3.3 事件過程還原

2021 年08 月06 日04 點(diǎn)54 分，操作人員試驗(yàn)機(jī)車高隔分?jǐn)喙δ埽ㄟ^按鈕給出高隔1 分?jǐn)嗝}沖信號(hào)。15s 后高隔1 并未到達(dá)S2,仍處于簧片S1，報(bào)出高隔1卡合故障。操作人員經(jīng)過一番處理，故障仍未消除，之后對(duì)機(jī)車進(jìn)行斷電復(fù)位操作。機(jī)車斷電復(fù)位后，控制系統(tǒng)檢查高隔1 反饋狀態(tài)為閉合，符合機(jī)車運(yùn)行條件。機(jī)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(diǎn)54 分收到分?jǐn)嗝}沖信號(hào)后，由于閥缸內(nèi)活塞發(fā)生卡滯，不能推動(dòng)高隔1 分?jǐn)?。約5 個(gè)小時(shí)后，09 點(diǎn)26 分24 秒，閥缸內(nèi)活塞卡滯條件消除，活塞推動(dòng)高隔1 分?jǐn)?。造成高隔帶載分?jǐn)唷?月8 日故障情況與上述過程基本吻合。

3.4 帶載分?jǐn)喙收戏治?/h3>

采用頭腦風(fēng)暴法分析高隔帶載分?jǐn)喙收?，其所有可能原因有三大類：誤操作、系統(tǒng)故障、高隔設(shè)備漏氣。從事件記錄數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)有分?jǐn)嗝?，可以排除司乘人員誤操作。故障發(fā)生后，重新閉合高隔，機(jī)車能正常運(yùn)行，可以排除系統(tǒng)故障。故障原因鎖定為高隔設(shè)備漏氣。

進(jìn)一步分析，導(dǎo)致高隔漏氣后延遲動(dòng)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(fā)現(xiàn)氣路漏氣，可排除該可能；

3.4.2 雜質(zhì)異物卡滯：高隔氣路中的雜質(zhì)異物可能堵塞管路，引起通風(fēng)量不足，電磁閥閥芯不能及時(shí)動(dòng)作到位；

3.4.3 兩端同時(shí)得電：指電磁閥A 與電磁閥B 兩端同時(shí)得電。兩端活塞通道均打開?；钊麕?dòng)閥芯向受阻力較小的一端動(dòng)作，動(dòng)作到某一位置后，活塞兩端驅(qū)動(dòng)力平衡，閥芯停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)并未運(yùn)動(dòng)到位，閥缸機(jī)構(gòu)漏氣，高隔無法正常動(dòng)作，可能出現(xiàn)卡合。

3.5 故障復(fù)現(xiàn)

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(diào)壓閥設(shè)定正常工作的400kPa。連續(xù)試驗(yàn)高隔閉合分?jǐn)?2 次，第23 次閥缸機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡滯并伴有漏氣。振動(dòng)閥缸機(jī)構(gòu)，卡滯消除，高隔正常閉合。

3.5.2 用開關(guān)、110V 電源及電纜搭建高隔臨時(shí)控制電路，將高隔電磁閥線圈接入電路中，分別測(cè)試電磁閥兩個(gè)線圈同時(shí)得電、先后得電的動(dòng)作情況。在先后得電的試驗(yàn)中，高隔動(dòng)作正常。在電磁閥同時(shí)得電的試驗(yàn)中，給分閘脈沖信號(hào)，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(jī)車正常運(yùn)行中高隔突然分?jǐn)唷?/p>

4 解決措施

4.1 高隔控制信號(hào)更改

高隔帶載分?jǐn)嗲?，機(jī)車控制系統(tǒng)通過反饋觸點(diǎn)的信號(hào)判斷出高隔的位置，該位置是高隔執(zhí)行分?jǐn)嗝钋暗奈恢?，與目標(biāo)位置剛好相反。機(jī)車控制系統(tǒng)判斷出高隔當(dāng)前位置符合操作需求后，允許機(jī)車進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，如升受電弓、合主斷路器等。實(shí)際上高隔可能仍在執(zhí)行上一次命令，一旦條件滿足后，高隔即進(jìn)行分?jǐn)?，于是發(fā)生了帶載分?jǐn)嗬〉墓收稀?/p>

將高隔控制信號(hào)由1s 脈沖更換為常得電高電平，持續(xù)的高電平信號(hào)可以避免高隔的目標(biāo)狀態(tài)與當(dāng)前不狀態(tài)一不致的問題。即使發(fā)生前述高隔卡合故障，機(jī)車斷電重啟后，高隔控制信號(hào)若為閉合，則可消除機(jī)車斷電前分高隔的命令。

高隔控制信號(hào)的具體設(shè)置為：由圖3 為例，當(dāng)需要A 側(cè)電磁閥得電時(shí)，A 側(cè)電磁閥收到持續(xù)高電平，B 側(cè)電磁閥持續(xù)低電平。當(dāng)需要B 側(cè)電磁閥得電時(shí)，B 側(cè)電磁閥收到持續(xù)高電平，A 側(cè)電磁閥持續(xù)低電平。

4.2 增加信號(hào)互鎖

為了避免環(huán)境干擾等偶然情況造成兩端電磁閥同時(shí)得電，在高隔A、B 側(cè)電磁閥前端增加一個(gè)互鎖繼電器。確保A、B 側(cè)電磁閥只有一個(gè)得電或都不得電，杜絕兩端同時(shí)得電情況發(fā)生。

4.3 氣路優(yōu)化

高隔供氣來自于機(jī)車總風(fēng)缸，提升機(jī)車總風(fēng)潔凈度，可降低高隔卡滯發(fā)生率。在不能完全避免氣路中存在雜質(zhì)的前提下，對(duì)原氣路進(jìn)行優(yōu)化，增大氣壓冗余，優(yōu)化措施如下：

4.3.1 增加高隔調(diào)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(yōu)化，由缸徑63mm 更為缸徑70mm，增大氣缸推力。

5 結(jié)論

對(duì)我公司新型高隔的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行闡述，對(duì)高隔帶載分?jǐn)喙收系倪^程進(jìn)行還原，深入分析故障的可能原因，且通過模擬試驗(yàn)使高隔卡滯后帶載分?jǐn)喙收蠌?fù)現(xiàn)。針對(duì)每條可能原因提出解決對(duì)策。新型高隔經(jīng)過優(yōu)化后，已穩(wěn)定運(yùn)行半年以上，未再出現(xiàn)帶載分?jǐn)喙收稀?/p>

實(shí)踐證明，高隔帶載分?jǐn)喙收显蚍治稣_，制定的解決措施得當(dāng)，徹底解決了高隔離帶載分?jǐn)喙收稀?/p>