軌道交通裝備電線路絕緣試驗標(biāo)準(zhǔn)分析與應(yīng)用研究

田慶濤,苑豐彪,田占偉,李海游,楊志月

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心,河北 唐山 063035)

1 概述

世界軌道交通車輛目前發(fā)展達(dá)到了空前龐大的規(guī)模,但無論是國內(nèi)25型鐵路客車、和諧號動車組、復(fù)興號動車組還是德國的ICE動車組都陸續(xù)發(fā)生了重大火災(zāi)安全事故,產(chǎn)生火災(zāi)的隱患和原因有很多,但是電氣線路無疑是軌道車輛發(fā)生火災(zāi)的重大風(fēng)險源,因此電氣線路鋪設(shè)完成后的絕緣試驗檢驗受到了行業(yè)內(nèi)越來越多的重視。

軌道車輛電氣布線涉及高壓、中壓、通信等不同電壓等級的線纜,由于受到布線空間限制,車輛線纜多采用集中鋪設(shè)的方式,線束鋪設(shè)環(huán)境涉及車體、內(nèi)裝、電氣設(shè)備等多個工序和環(huán)節(jié),且都采用隱藏鋪設(shè),電纜產(chǎn)品的自身絕緣缺陷以及不同的施工工序都會產(chǎn)生影響線束絕緣性能的風(fēng)險,而且無法被顯像識別,進(jìn)而會影響到列車的行車安全,因此,線束鋪設(shè)完工后的電線路試驗檢驗(圖1)將作為控制車輛電線路絕緣性能,保證車輛和人身安全的最重要的手段。

圖1 電線路試驗檢驗

2 電線路絕緣試驗標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 電線路絕緣試驗標(biāo)準(zhǔn)清單

軌道交通行業(yè)內(nèi)現(xiàn)采用的與電線路絕緣試驗檢驗相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)共13項,其適用平臺如表1所示。

表1 電線路絕緣試驗檢驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其適用情況

GB 3318—2006和GB 3315—2006這2個標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于絕緣性能的要求完全一致,在標(biāo)準(zhǔn)第5.6節(jié)提到了絕緣性能試驗,但僅提到了絕緣試驗條件以及二次試驗要降壓試驗等定性要求,未提出絕緣試驗的指標(biāo)要求,無實際的參考意義。

2.2 絕緣電阻試驗分析

2.2.1GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016試驗要求

針對絕緣電阻阻值判定標(biāo)準(zhǔn),鐵路客車的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32587—2016規(guī)定了新造客車的絕緣電阻檢測標(biāo)準(zhǔn),同時還引入了運(yùn)用列車空氣的檢測標(biāo)準(zhǔn),尤其界定了空氣相對濕度對絕緣值的影響修訂因素(表2),主要是為了解決高濕度天氣以及雨雪天氣下鐵路客車車輛出庫前絕緣監(jiān)測或靜態(tài)測試時絕緣性能會發(fā)生較大幅度的短時下降,影響運(yùn)營秩序,通過地面試驗論證和運(yùn)用時間累計,確定了85%濕度時最低絕緣電阻值為0.22 MΩ,具有一定的合理性;TJ/CL 454—2016試驗要求與GB/T 32587—2016基本相同,關(guān)于絕緣電阻值運(yùn)用列車600 V線間電阻值規(guī)定為10 MΩ,與GB/T 32587—2016規(guī)定的2 MΩ存在差異。

表2 GB/T 32587-2016、TJ/CL 454-2016絕緣電阻試驗要求

TB/T 1759—2016規(guī)定了新造客車的絕緣電阻試驗要求,標(biāo)準(zhǔn)中AC 380 V的絕緣電阻試驗電壓為DC 500 V,與GB/T 32587—2016中DC 1 000 V的規(guī)定存在差異,具體規(guī)定如表3所示。

表3 TB/T 1759—2016絕緣電阻試驗要求

GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016關(guān)于絕緣電阻試驗的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是基本一致的,均規(guī)定了新造和檢修客車在不同電壓等級和不同濕度條件下的絕緣電阻試驗標(biāo)準(zhǔn),僅在運(yùn)用列車濕度小于60%的標(biāo)準(zhǔn)值存在較大的差異。

TB/T 1759—2016僅規(guī)定了鐵路新造客車的絕緣電阻試驗,其他標(biāo)準(zhǔn)要求同GB/T 32587—2016是一致的。

2.2.2EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007試驗要求

動車組、機(jī)車和城軌的絕緣電阻試驗電壓值主要依據(jù)EN 50343:2014、GB/T 34571—2017以及TB/T 3153—2007為基礎(chǔ)進(jìn)行,IEC 62995:2018目前還在試用階段,以上各個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的絕緣電阻試驗要求見表4所示,標(biāo)準(zhǔn)之間無實質(zhì)差別。

表4 EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007絕緣電阻試驗要求

2.2.3 APTA PR-E-S-001-98試驗要求

美國APTA PR-E-S-001-98絕緣完整性標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定最高濕度下絕緣電阻值不能小于1 MΩ,比目前的客車標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格一些,具體要求如表5所示。

表5 APTA PR-E-S-001-98絕緣電阻試驗要求

2.3 耐壓測試

2.3.1GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016試驗要求

GB/T 32587—2016耐壓值規(guī)定如表6所示,規(guī)定了DC 110 V線路耐壓值為AC 1 500 V,AC 380 V和DC 600 V線路耐壓值為AC 2 500 V。

表6 GB/T 32587—2016耐壓值規(guī)定 V

TJ/CL 454—2016耐壓值和GB/T 32587—2016規(guī)定基本一致,DC 110 V線路耐壓值為AC 1 000 V,其僅規(guī)定了AC 380 V和DC 600 V線路耐壓值為AC 2 500 V,具體如表7所示。

表7 TJ/CL 454—2016耐壓值規(guī)定 V

TB/T 1759—2016和GB/T 32587—2016耐壓值規(guī)定基本一致,直流配線耐壓值為AC 1 000 V,其僅規(guī)定了AC 380 V和DC 600 V線路的耐壓值為AC 2 500 V,具體如表8所示。

表8 TB/T 1759—2016耐壓值規(guī)定 V

GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016均規(guī)定了客車的耐壓試驗要求,GB/T 32587—2016中關(guān)于DC 110 V耐壓試驗的要求為AC 1 500 V,高于TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016規(guī)定的AC 1 000 V。

2.3.2EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007試驗要求

EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)均來自EN 50343:2014,EN 50343:2014和IEC 62995:2018的耐壓值沒有完全按照GB/T 21413.1—2018的額定電壓分級和試驗電壓的要求(線路試驗電壓為設(shè)備電壓的0.85倍)進(jìn)行線路的試驗電壓的規(guī)定,而是單獨(dú)建立了耐壓標(biāo)準(zhǔn),試驗電壓要求如表9所示。

表9 EN 50343:2014耐壓值規(guī)定 V

GB/T 34571—2017是在EN 50343:2014基礎(chǔ)上去除了牽引、輔助等系統(tǒng)的要求以及EN 50343:2014線路絕緣耐壓試驗的要求,重點(diǎn)留下了布線的內(nèi)容,關(guān)于絕緣耐壓規(guī)定了按照IEC 61133:2016[14]的要求進(jìn)行,但是IEC 61133:2016又將耐壓試驗指向產(chǎn)品部件的標(biāo)準(zhǔn)IEC 60077-1:2017[15](GB/T 21413.1—2018)規(guī)定耐壓值的0.85倍,TB/T 3153—2007的耐壓要求同GB/T 34571—2017,具體要求如表10。

表10 GB/T 34571—2017、TB/T 3153—2007耐壓值規(guī)定 V

2.3.3APTA PR-E-S-001-98試驗要求

APTA PR-E-S-001-98規(guī)定的耐壓值僅以AC 300 V作為分界點(diǎn),試驗電壓與計算方法與歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系均存在較大的不同,如表11所示。

2.4 高壓局放和耐壓測試

2.4.1 高壓局放要求

高壓線路車輛局放試驗作為車輛出廠檢驗的必要內(nèi)容目前沒有明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,機(jī)車目前參考TB/T 3444—2016高壓電纜組件的試驗要求,TB/T 3444—2016規(guī)定了高壓部件組成局放試驗標(biāo)準(zhǔn)為AC 45 kV,10 pc。

因為環(huán)境要求和線路條件的差異,部分國內(nèi)動車組的局放試驗執(zhí)行技術(shù)引進(jìn)時的規(guī)范值A(chǔ)C 37.5 kV,5 pc的要求。

2.4.2 高壓耐壓要求

目前國內(nèi)干線鐵路的供電工作電壓為25 kV,高壓布線交流耐壓試驗標(biāo)準(zhǔn)目前執(zhí)行機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3249—2010,GB/T 34571—2017和EN 50343:2014,TB/T 3249—2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了與母線連接的電壓執(zhí)行AC 64 kV,60 s,高壓電纜組件執(zhí)行AC 55 kV,60 s;GB/T 34571—2017規(guī)定引用GB/T 21413.1—2018,試驗電壓經(jīng)過計算為AC 64 kV,60 s;而按照EN 50343:2014中的規(guī)定,工作電壓AC 25 kV時耐壓值為AC 55 kV。

2.5 線路導(dǎo)通測試

為了保證線束的導(dǎo)通,防止線束錯接漏接,需要在線束完成終端連接后進(jìn)行線束導(dǎo)通測試,導(dǎo)通測試目前沒有國際、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),各個車輛公司目前采用的方式有兩種,一種為歐姆表通斷提示,另一種是電阻值判定,歐姆表測試就是依據(jù)歐姆表的通斷預(yù)警功能判定線束的通和斷,電阻值判定是規(guī)定一個合理的線路電阻值進(jìn)行通斷的判定。

3 標(biāo)準(zhǔn)合理性分析

3.1 絕緣電阻試驗

客車絕緣電阻標(biāo)準(zhǔn)TJ/CL 454—2016與GB/T 32587—2016規(guī)定值存在差異,運(yùn)用列車60%濕度絕緣電阻值規(guī)定10 MΩ不合理,分析認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)存在錯誤,不建議引用。

客車絕緣電阻試驗從標(biāo)準(zhǔn)的合理性和時效性綜合考慮,電阻值建議按照GB/T 32587—2016的要求值進(jìn)行規(guī)定。

針對絕緣電阻判定值,鐵路客車的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了濕度的影響,歐洲和國際標(biāo)準(zhǔn)沒有明確規(guī)定濕度的影響值,建議參考GB/T 32587—2016引入濕度對絕緣電阻的影響,但考慮到運(yùn)行環(huán)境的特殊性和不同體系的延續(xù)性,針對新造車輛不直接引用GB/T 32587—2016的標(biāo)準(zhǔn)修正要求,僅對環(huán)境濕度進(jìn)行記錄,如果絕緣電阻低于1 MΩ時需要進(jìn)行故障查找和分析。

目前軌道車輛幾乎所有的技術(shù)條件規(guī)定最大相對濕度值>95%,而現(xiàn)有的GB/T 32587—2016標(biāo)準(zhǔn)最大相對濕度規(guī)定為>85%,無法與車輛的運(yùn)用需求相匹配,因此建議新造車輛的最大相對濕度進(jìn)行調(diào)整,按照95%執(zhí)行。

針對檢修和運(yùn)用客車按照GB/T 32587—2016公式進(jìn)行絕緣電阻的濕度修正被證明是安全的,既有客車車輛可以繼續(xù)采用。

動車組和城軌機(jī)車等車輛受制于平臺標(biāo)準(zhǔn)體系制約,絕緣安全的設(shè)計理念與客車不同,并未設(shè)置獨(dú)立的絕緣檢測裝置,無進(jìn)行出庫絕緣檢測的要求和需求,且動車組運(yùn)行環(huán)境相對潔凈,通過運(yùn)營和經(jīng)驗累積證明,現(xiàn)有的以歐洲標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的動車組和城軌、機(jī)車等絕緣標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求可以滿足現(xiàn)有的產(chǎn)品需求,短期內(nèi)無需按照客車的要求進(jìn)行統(tǒng)型,建議補(bǔ)充濕度等基本要求,絕緣電阻判定標(biāo)準(zhǔn)不建議進(jìn)行調(diào)整。

綜合考慮國內(nèi)運(yùn)用經(jīng)驗和客戶要求,總結(jié)分析國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)體系的規(guī)定,依托動車、機(jī)車、城軌和客車的多平臺產(chǎn)品體系,提出了適合國內(nèi)運(yùn)用的絕緣電阻技術(shù)要求建議,給我國軌道交通車輛的絕緣電阻試驗提出了指導(dǎo)數(shù)據(jù),具體建議如表12和表13所示。

表12 絕緣電阻值測試標(biāo)準(zhǔn)1

表13 絕緣電阻值測試標(biāo)準(zhǔn)2

3.2 耐壓試驗

GB/T 32587—2016針對客車的線路耐壓試驗做出了比較詳細(xì)的規(guī)定,其中DC 110 V線路耐壓試驗值為AC 1 500 V高于其他標(biāo)準(zhǔn)AC 1 000 V的要求,按照鐵路線路電纜選型基本要求,DC 110 V線路選型電纜最低可以選AC 300 V電纜,AC 300 V電纜的產(chǎn)品耐壓值為AC 2 000 V,按照現(xiàn)在的行業(yè)慣例電纜出廠時均進(jìn)行過耐壓試驗,第二次耐壓試驗應(yīng)不超過80%,也就是AC 1 600 V,因此DC 110 V線路選擇AC 1 500 V進(jìn)行線路耐壓安全性檢測,從理論上沒有超過合理范圍,但是較為接近電纜產(chǎn)品的耐壓上限,作為線路安全性檢測有點(diǎn)偏高,不建議引用,建議仍然按照AC 1 000 V的要求執(zhí)行。

各個標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于絕緣耐壓的試驗電壓規(guī)定存在較大的差異,基于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系,對電線路的耐壓試驗進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和論證,給出了電線路耐壓試驗的推薦標(biāo)準(zhǔn),如表14所示。

表14 交流耐壓值試驗標(biāo)準(zhǔn) V

3.3 高壓絕緣試驗

3.3.1 局放試驗

基于目前的廠房建設(shè)和條件、屏蔽局放試驗室的建設(shè)情況以及產(chǎn)品的制作工藝保障能力、運(yùn)營經(jīng)驗等,建議預(yù)置高壓插頭的高壓組件執(zhí)行AC 45 kV,10 pc的試驗要求,針對檢修車輛以及新造非預(yù)置接頭的高壓組件車輛級例行試驗標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行AC 37.5 kV,5 pc的試驗要求。

3.3.2 交流耐壓

結(jié)合目前高壓組件在運(yùn)營時的故障和絕緣失效分析,新造車輛為了更大幅度地檢測車輛高壓絕緣性能的安全性,建議執(zhí)行AC 64 kV,60 s的標(biāo)準(zhǔn)要求。檢修車輛建議執(zhí)行EN 50343:2014的要求,耐壓值A(chǔ)C 55 kV,60 s,可以滿足軌道交通車輛的應(yīng)用要求。

3.4 導(dǎo)通試驗

目前行業(yè)內(nèi)普遍存在的線路導(dǎo)通測試模式為利用萬用表進(jìn)行測試,萬用表一般判定線路是否導(dǎo)通的原則是測量電阻值小于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)電阻值(通常為30 Ω),即R測≤R標(biāo),R標(biāo)=l×R,根據(jù)電纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定1 mm2的電纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電阻值約為R=0.020 Ω/m,電纜實際電阻值約為R=0.020 Ω/m,軌道交通布線一般線纜鋪設(shè)時單車不超過50 m,Rl=0.02×50=1 Ω,通過分析論證,對于單車1 mm2電纜進(jìn)行導(dǎo)通測試,只要萬用表設(shè)定值大于1 Ω即可。如果在電纜故障模式下如90%導(dǎo)體斷裂,那么50 m電纜的電阻值會達(dá)到10 Ω,那么采用現(xiàn)有的萬用表測試(標(biāo)稱30 Ω)就無法測量出其中的缺陷。

經(jīng)過大量的研究和統(tǒng)計分析,傳統(tǒng)的萬用表測試無法識別部分線纜虛聯(lián)接的故障,因此需要針對導(dǎo)通測試設(shè)定更為嚴(yán)格的電阻值,以實現(xiàn)出更大范圍的故障篩選,建議選用按照電阻值≤5 Ω進(jìn)行線束是否導(dǎo)通的判定較為合理。

4 結(jié)束語

本文通過對國際、歐洲和國內(nèi)的電線路絕緣試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研、對比分析和論證,結(jié)合我國軌道交通絕緣檢測執(zhí)行的實際情況,總結(jié)并提出了電線路絕緣試驗合理的檢測標(biāo)準(zhǔn),為軌道交通電線路安全檢驗提供了重要的檢測依據(jù),對軌道車輛電線路安全保障具有重要意義。

目前國內(nèi)軌道交通車輛標(biāo)準(zhǔn)等同采用或修改采用EN或IEC標(biāo)準(zhǔn)較多,國外和國際眾多標(biāo)準(zhǔn)實施細(xì)節(jié)存在不確定性,仍需要持續(xù)地進(jìn)行理解和研究,如耐壓試驗時漏電流的影響是否需要考量,考量指標(biāo)如何確定,絕緣電阻試驗時濕度是否強(qiáng)制考量,考量的標(biāo)準(zhǔn)是否完全合理,耐壓試驗時是否需要進(jìn)行線間耐壓測試,標(biāo)準(zhǔn)如何確定,試驗時部分設(shè)備是否可拆除,試驗電壓、升壓時間、保壓時間等的選擇都存在一定的理解差異,因此需要針對國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行持續(xù)的研究和解讀,在采用國外標(biāo)準(zhǔn)時減少復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)不求甚解的情況,真正達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的實際消化吸收和再創(chuàng)新,為我國軌道交通車輛電線路的安全保駕護(hù)航。