動(dòng)車組高壓供電系統(tǒng)故障及檢修優(yōu)化分析

王明周，周興楠

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

動(dòng)車組是當(dāng)前國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?，其穩(wěn)定性關(guān)系到我國(guó)的發(fā)展進(jìn)程。高壓供電系統(tǒng)是其關(guān)鍵的構(gòu)成要素，假設(shè)該系統(tǒng)在列車行進(jìn)中出現(xiàn)異常，將會(huì)嚴(yán)重影響到行車的安全性。

1 動(dòng)車組的高壓供電系統(tǒng)

高壓系統(tǒng)設(shè)置成25 kV 的交流電，動(dòng)車組共有8 輛編組，一般會(huì)設(shè)置2 個(gè)供電模塊，但列車牽引和輔助性電源是兩項(xiàng)同樣的牽引單元完成。該系統(tǒng)的構(gòu)成部件較多，如接地開關(guān)、避雷器等，還配備相應(yīng)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，動(dòng)車組一般受TCMS（Train Control and Management System，列車控制和管理系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)管理。核心部件設(shè)于列車頂部及底部，前者包括受電弓、避雷器等，后者包括各類互感器等。

1.1 受電弓

國(guó)內(nèi)當(dāng)前裝備的動(dòng)車組大部分選擇單臂受電弓，其頭部是單滑板受電，分布于列車頂部，控制裝置與氣動(dòng)閥門均安裝在列車的內(nèi)部，而后利用MVB（Multifunction Vehicle Bus，多功能車輛總線）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

1.2 避雷器

此部件安設(shè)在不同的區(qū)域，能提供兩項(xiàng)功能：若安設(shè)于受電弓的后方，則負(fù)責(zé)降低過(guò)電壓現(xiàn)象的出現(xiàn)概率，如因雷電天氣造成的電壓猛增；若安設(shè)于變壓裝置的前端，可消除此裝置啟動(dòng)關(guān)閉期間，因操作造成的過(guò)電壓現(xiàn)象。

1.3 電壓互感器

此部件設(shè)備位置處于受電弓和主斷路裝置之前，能把在接觸網(wǎng)采集到的電壓信息傳給列車的控制系統(tǒng)、牽引變流裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)。

1.4 電流互感器

一般安設(shè)于車頂和變壓裝置的端子入口位置，共同承擔(dān)對(duì)電流信號(hào)的檢測(cè)工作，同樣把采集到的數(shù)據(jù)傳送至控制系統(tǒng)處。

1.5 接地開關(guān)

該部件安設(shè)于主斷路裝置的兩側(cè)，保證列車在檢修期間可以平穩(wěn)接地。此開關(guān)本身設(shè)置觸發(fā)條件，僅有根據(jù)設(shè)定的高壓接地流程操作，才能順利啟動(dòng)開關(guān)。

1.6 高壓隔離的開關(guān)

此開關(guān)的功能是在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，將故障區(qū)域進(jìn)行隔離，而平常情況下一直是閉合狀態(tài)。

1.7 主斷路裝置

該部件是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)均有保護(hù)效果，其內(nèi)設(shè)有彈簧式壓縮控制的作動(dòng)裝置以及真空的滅弧室。動(dòng)車組通常安裝單極的真空設(shè)備，供電則利用電磁閥線圈。把壓縮好的空氣利用氣缸使接觸點(diǎn)關(guān)閉，并把已經(jīng)打開的彈簧鎖死[1]。主要技術(shù)參數(shù)：標(biāo)稱電壓25 kV；持續(xù)電壓最高值29 kV；供電頻率50±1 Hz；額定電流1000 A；短路電流20 kA，保持1 s；短路電流最高值50 kA；輔助電壓DC 110 V；輔助觸點(diǎn)的開關(guān)電流4～800 mA。

2 動(dòng)車組的高壓供電系統(tǒng)故障和檢修優(yōu)化

2.1 閃污故障

出現(xiàn)閃污故障時(shí)，一般會(huì)遇到霧霾，空氣中的PM2.5 顆粒物附著于受電弓的絕緣子上。近些年，北方諸多省市均有霧霾天氣，特別是華北區(qū)域。以空氣動(dòng)力學(xué)的角度解釋，PM2.5 是直徑不足2.5 μm 的顆粒物，由于其質(zhì)量較輕能在空中懸浮較長(zhǎng)的時(shí)間。加之其帶有酸性特征，此類顆粒物落于絕緣子上，會(huì)腐蝕零件，導(dǎo)致絕緣性能下降，由此出現(xiàn)閃污的情況。

根據(jù)故障的形成原因，基本能確定檢修優(yōu)化的方向。首先，合理升高受電弓的絕緣子位置，實(shí)現(xiàn)提升絕緣性能的效果，例如國(guó)內(nèi)大多數(shù)型號(hào)的動(dòng)車組，位置高度在原本310 mm 的基礎(chǔ)上升高100 mm。其次，設(shè)置恰當(dāng)且有效的檢修安排計(jì)劃，提升檢修的人力為規(guī)模，落實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的擦拭任務(wù)。在檢修入庫(kù)階段，需派遣專業(yè)技術(shù)員完成此項(xiàng)工作，以免造成額外的損害，保證列車平穩(wěn)運(yùn)行，徹底消除閃污故障的可能性?，F(xiàn)今，各運(yùn)用所均根據(jù)一級(jí)修的操作標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行擦拭清潔的工作，并在遇到霧霾天氣時(shí)，會(huì)提高檢修的頻率。最后，應(yīng)當(dāng)裝設(shè)專項(xiàng)的檢測(cè)系統(tǒng)，可將此看成常規(guī)裝置，在列車出庫(kù)中，未升弓時(shí)利用此系統(tǒng)檢測(cè)絕緣子的性能，繼而辨別供電系統(tǒng)有無(wú)問(wèn)題，避免直接升弓導(dǎo)致接觸網(wǎng)與受電弓被燒損。

2.2 主斷路器

檢修主斷路裝置時(shí)，需先查看所有零部件有無(wú)受損及變形等問(wèn)題，確保連接部件的插頭未發(fā)生磨損、彎折及燒損等情況，并檢測(cè)線路的老化程度。另外，應(yīng)當(dāng)檢查瓷管中是否進(jìn)入雜物及水，若發(fā)現(xiàn)積水，應(yīng)伸入較軟的干燥布條仔細(xì)清理，而后對(duì)進(jìn)水區(qū)域?qū)嵤┬阅軝z查和復(fù)原。在動(dòng)車組中，單次過(guò)分相，要求1～3個(gè)真空斷路裝置一起做出動(dòng)作，需要在列車運(yùn)行期間不斷動(dòng)作。因而應(yīng)當(dāng)從根本處延長(zhǎng)主斷路裝置的可動(dòng)作年限，控制故障發(fā)生概率。此外，還需改進(jìn)控制系統(tǒng)的邏輯，在設(shè)備不能執(zhí)行閉合及斷開動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能直接排除是否為電路問(wèn)題，而后對(duì)主斷路器整體進(jìn)行異常排查，能弱化異常問(wèn)題的擾動(dòng)范圍，并減輕排查過(guò)程的工作壓力。

2.3 接地開關(guān)

檢修接地開關(guān)可選擇的主要方式有：一方面，在接觸網(wǎng)帶電的條件下，檢修由于誤操作駕駛室的接地保護(hù)及按鈕，觀察出升弓情況下，接觸網(wǎng)中依舊有電流經(jīng)過(guò)，判斷有無(wú)產(chǎn)生明顯接地電流、變電所的保護(hù)裝置跳閘，以及接觸網(wǎng)有無(wú)被燒毀的情況；另一方面，在接地開關(guān)處于連接狀態(tài)時(shí)，隔離開關(guān)執(zhí)行動(dòng)作，并且受電弓為升弓狀態(tài)，并斷開接地保護(hù)（EGS）時(shí)，有無(wú)明顯的放電情況。在此項(xiàng)故障檢修中采取的優(yōu)化方式是把駕駛室中自動(dòng)開關(guān)斷開，把相應(yīng)的保護(hù)按鈕轉(zhuǎn)移到操作箱中，并閉合電路。調(diào)整按鈕的結(jié)構(gòu)，以免再度發(fā)生誤操作的情況[2]。

2.4 隔離開關(guān)

檢修方式主要有：①檢測(cè)頂部開關(guān)的積污物質(zhì)成分與特性；②若動(dòng)車組經(jīng)過(guò)強(qiáng)風(fēng)沙條件的運(yùn)營(yíng)路段，需修理開關(guān)的閃絡(luò)特性；③動(dòng)態(tài)檢測(cè)開關(guān)處的絕緣表征參量；④定期開展老化檢測(cè)。檢修優(yōu)化期間，可進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在虛擬模型上施加各項(xiàng)干擾因素，確定更為符合的老化試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。此外，在原本的檢修程序中，基于部件換新要求檢查外觀狀態(tài)，確定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 避雷器

對(duì)避雷器的故障檢修應(yīng)定期進(jìn)行，在高級(jí)修時(shí)，先清理該設(shè)備表面的灰塵，隨后檢測(cè)兩側(cè)絕緣子的狀態(tài)，保證超過(guò)100 MΩ。在定期檢修中，主要借助3 項(xiàng)試驗(yàn)處理：①漏電試驗(yàn)，避雷裝置的端處，額外連續(xù)施加42 kV 的工頻電壓，受到裝置自身阻性的作用，電流分量需在2.2 mA 以內(nèi)；②1 mA 直流電的電壓試驗(yàn)，在端處實(shí)施直流電壓，要求脈動(dòng)需在±1.5%的區(qū)間內(nèi)，記錄通過(guò)裝置電流為1 mA 的電壓，該數(shù)值至少達(dá)到設(shè)置參考電壓；③密封試驗(yàn)，把裝置放于82 ℃清水內(nèi)1 h，而后取出靜放60 min，重新放進(jìn)水中，水溫控制在2 ℃，持續(xù)1 h，檢查是否有漏氣的情況。如此循環(huán)試驗(yàn)4 次，各次之間至少等待1 h，才能開展下一次。該裝置在設(shè)定時(shí)間里不允許出現(xiàn)連續(xù)的氣泡，而后讓經(jīng)過(guò)此試驗(yàn)的設(shè)備自然降溫直到接近室溫，并對(duì)其電氣性能加以評(píng)估。

2.6 互感器

電壓互感器按照動(dòng)車組工作條件和技術(shù)特點(diǎn)，參照對(duì)應(yīng)型號(hào)的用戶手冊(cè)程序?qū)嵤├袡z查，具體事項(xiàng)有：①清理設(shè)備外殼表層，同時(shí)判斷其狀態(tài)；②檢查一、二次側(cè)端的實(shí)際連接情況；③檢查絕緣子的裙部以及相鄰裙部之間的情況；④檢測(cè)設(shè)備的二次側(cè)的電阻情況。檢修優(yōu)化該互感裝置，能選擇在原本檢測(cè)項(xiàng)位置，額外開展針對(duì)勵(lì)磁特性與工頻耐壓等相關(guān)試驗(yàn)，以求更早找出絕緣子的薄弱位置以及短路情況。

電流互感器的故障檢修內(nèi)容包括：①接線盒的密封效果；②鐵芯品質(zhì)；③磁芯表面有無(wú)腐蝕現(xiàn)象。鑒于動(dòng)車組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)，可采取的優(yōu)化方式有：①嚴(yán)格把控零部件的品質(zhì)；②不斷提升接線盒的密封效果；③要求設(shè)備生產(chǎn)方進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提升IP 級(jí)別，如采取打膠密封，避免出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，提升應(yīng)用性能；④優(yōu)化硅膠密封技術(shù)，保證磁芯和外界完全隔離[3]。

3 動(dòng)車組的高壓供電系統(tǒng)故障檢修優(yōu)化實(shí)例分析

以CR400AF 型動(dòng)車組為例，其有常規(guī)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，主要部件性能參數(shù)：受電弓，額定電壓25 kV/50 Hz，額定電流700 A；真空斷路器，額定電壓AC 31.5 kV/50 Hz，額定電流1000 A；隔離開關(guān)，額定電壓AC 31.5 kV/50 Hz，額定電流≥360 A；電壓互感器，額定電壓25 kV/50 Hz，100 V/100 V 雙輸出；避雷器，額定電壓42 kV。

首先，提高對(duì)受電弓管控與檢測(cè)的精確性。案例動(dòng)車組是主動(dòng)以及閉環(huán)控制，相較于CRH380A 型添加檢測(cè)裝置，強(qiáng)化受流能力，繼而控制接觸的摩擦程度，以規(guī)避電火花。其次，控制斷路裝置的動(dòng)作數(shù)量，和CRH380A 型相比，CR400AF 的單次過(guò)分相僅需單臺(tái)斷路裝置動(dòng)作一回，延長(zhǎng)部件的應(yīng)用壽命。最后，調(diào)整避雷器的點(diǎn)位，放于斷路器前端，增強(qiáng)防護(hù)的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

圍繞動(dòng)車組的高壓系統(tǒng)，對(duì)主要部件設(shè)備提出檢修與優(yōu)化方式，并例舉現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)例。希望能借助強(qiáng)化對(duì)系統(tǒng)故障的分析效率，調(diào)整檢修手段，使動(dòng)車組能以更安全的狀態(tài)持續(xù)運(yùn)營(yíng)，為人們提供便利快速的出行方式。