轨道车辆转向架接地线故障定性分析与解决

2021-06-24梁雯雯

机电工程技术 2021年5期

夏峰，梁雯雯，綦芳

（中车南京浦镇车辆有限公司，南京 210031）

0 引言

轨道车辆接地与回流系统是车辆安全的重要组成部分。其主要功能包含两个方面，一是电流回流接地对司乘人员的安全影响；二是保证车辆各电气设备的安全。车辆接地一般通过转向架轮对与钢轨的接触达到车辆接地的作用。由于车辆与转向架间有橡胶空气弹簧隔离，因此通过车体与转向架之间连接接地线，保证车辆有效地接地[1]。轨道车辆暴露出很多与保护接地相关的问题。已有经验表明，保护接地设置不合理会造成车体环流过大、轴承电蚀、电机轴承异常磨损等问题[2]。接地线完好且接触良好是车辆安全的关键。接地系统是否可靠，直接关系到供电系统以及其他设备系统的稳定、安全运行[3]。本文以一起接地线故障为例，通过对故障进行调查，分析故障原因，从多个方面分析故障的影响因素，从而对接地线本身进行重新选型，改进接地线电气性能和机械性能并提出有效的解决方案，完美解决了列车转向架构架接地线容易疲劳断裂的问题。此设计思路可广泛推广到列车各移动部件的安全接地设计系统中，为解决轨道车辆中出现的此类问题提供参考方向。

1 故障描述

某城市一列轨道交通车辆在运行过程中车辆驾驶室一侧有一声巨响，同时司机显示单元（DDU）界面显示5号车高压箱故障，且高速断路器分合灯不亮。车辆停稳后，司机根据应急处理手册复位合高速断路器后故障消失。列车完成本次运营回到车辆段停车库进行检查，发现5号车1转向架左侧构架接地线断开，电缆断开后与第三轨接触造成瞬间短路，该车下线并进行检修。

2 故障分析

2.1 使用环境

本线路全长27 km，其中地下线20.1 km，高架线6.9 km；共设车站22座，其中地下站18座，高架站4座；换乘车站共6座。正线曲线半径300 m、辅助线曲线半径150 m、车场线曲线半径150 m、S型曲线半径R（左）150 m-4.5 m-R（右）150 m。

安全接地主要为设备外壳接地。设备外壳通过导线直接连接到车体上[4]，然后经过电阻R通过导线连接至车体上。列车上所有转向架通过接地线与车体直接相连。此故障接地线即为转向架安全接地线。在车辆运行中，接地线位于转向架一段随构架一起转动，本项目接地方案如图1所示。

图1 车辆主电路接地回流方案

图中构架接地线为安全接地，每个转向架有2个接地线连接转向架构架与车体。接地线安装与转向架构架侧面另一端与车体接地块相连接，此处为本项目故障位置。如图2所示。

图2 接地线断裂故障状态

2.2 故障状态

本项目用的接地线线缆为120 mm2，电缆标准符合EN 50382-23 600 V 120 F 120℃XZ，载流能力526 A[5]。根据故障状态，基本可以判断接地线上端与车体连接部位折断，折断部位下垂，下垂部位低于轨面，折断端部绝缘层有明显的烧灼痕迹。故障状态如图2所示。由此可见，该接地电缆折断，折断下落的过程中与三股接触，导致列车高压电源短路，出现高速断路器断开保护的故障现象。接地线垂下后并不会继续与受电轨接触，因此司机在停车后按照手册操作可以闭合高速断路器开关。

2.3 故障调查

2.3.1 故障排查

故障列车共运行约3年，截至故障发生时运行里程约42万km。列车回库后对本列车转向架构架接地线进行检查，2、3、6、7转向架接地线均有不同程度的松动，部分断裂。同时对本项目所有车辆转向架构架接地线进行排查，发现项目中多车存在构架接地线断股情况，断裂情况统计如表1所示。

表1 项目故障点统计

2.3.2 接地线检查

折断处电缆断面导电铜芯较新，未见整体氧化迹象。折断接线端子处，电缆铜芯有氧化现象，氧化表面呈现浅绿色痕迹，氧化面积约占50%。故障接地线断面铜线芯颜色不同。最外侧线芯断面为黑色并伴有铜绿。边缘向中心方向颜色组件变浅。中心处约1/4铜芯断面为铜的本色紫红色。周围线芯已生锈腐蚀，因此可判断断裂时间较长。中心部分线芯未生锈断裂时间较短。据此可认定接地线为逐步断裂，位于外部的线芯先断裂并慢慢向中心沿伸，当出现大的外作用力时，中心部分突然断裂造成故障。接地线断面如图3所示。

图3 接地线线芯断面

2.3.3 运动状态

为了研究转向架在曲线上相对车体的转角，可建立简约集合模型。以半径R为轨道所在的区间弯曲圆弧。在此忽略轨距，仅以内外轨中心线作为轨道弯曲半径。假定转向架为静止状态，则在任意状态转向架均沿着轨道切线方向行驶，所以转向架运行方向为轨道的切线方向。接地线安装示意图如图4所示。由图可知，转向架与车体理论夹角约为两相邻转向架中心连接线与此转向架运行方向的夹角。图中转向架构架与车体的夹角为A。每个转向架构架有2个接地线且两接地线位置中心对称。接地点距离转向架中心点纵向距离为Lb；接点线安装点距离车辆中心线的距离为La；接地点距离转向架中心点的横向距离为Lc。列车在线路上往返运动是此接地点相对中心的旋转角度应该为2A。接地点的相对位移为此处绕转向架中心旋转2A角时的弧长。本项目列车速度等级为80 km/h。

图4 接地线安装

根据研究可得出以下公式：

据此，本项目线路参数可以得出接地点相对运动距离L为22.6 cm，因此车辆在线路上往返运动中转向架相对运动位移为45.2 cm。车辆运动过程中转向架存在一定程度的震动，且震动幅度随速度加快而增大，故接地线的实际转动距离大于此数据。此项目线路多弯道造成列车运行过程中频繁转动。

2.3.4 端子压接

轨道车辆适用的冷压界限端子是用压接方式使电缆末端导体与用电装置接线端相连接的导电金具。其通常与电缆导体连接的一端为管状，与用电装置连接的另一端为特殊形状的平板[6]。在标准TJ/CL 542-2018铁道客车冷压接线端子压接暂行技术条件中规定，一段封闭带有观察孔的冷压端子的压接要求如图5所示。

图5 冷压接线端子导线位置

压接后的尺寸如表2所示。

从标准可知，导线与端子尾部金属部件间隙为b。本项目电缆为120 mm2，故合理的压接间隙为0～2 mm[7]。

表2 冷压接线端子导线尺寸

2.4 故障总结

列车运行过程中，接地线随车体的转动而转动。随着运行位置的不同，转向架与车体的相对位置也无规律的变化。在压接端子与电缆连接处存在小段电缆无外部绝缘层，此部分在往复运动中必然形成应力的集中现象，长此以往造成线芯疲劳发生断股或断裂现象。

3 改善措施

3.1 技术改进

列车运行过程，转向架与车体之间的相对位移和震动是不可避免的。解决此问题的办法是降低应力集中现象，达到减小断裂风险的目的。普通电缆的压接不可避免地在电缆和端子尾部存在连接材质的变化和缝隙，必然产生转动时应力的突变造成疲劳断裂。从另一方面考虑适当减小电缆的刚度，也是降低疲劳产生比较有效的一种办法。

从图1所示的车辆主电路接地回流方案可知，车辆的回流接地时，通过转向架轴端接地装置连接转向架轮对，从而通过与轨道的接触使得电流回流至地面。转向架构架接地线的主要功能为安全接地的作用，正常运行过程中并无电流且电势理论上为0 V。因此可考虑采用接地专用电缆代替构架接地线，一般采用GB/T 12970电工软铜绞线中所规定铜绞线做接地线。

软铜绞线是以绞合单线绕绞线轴等角速度旋转和绞线匀速前进运动实现的。常用的有铜、铝2种，铜、铝线可以绞制成各种不同规格截面以及不同种类的电线电缆的导线电芯[8]。适用于工作频率较高、单股软铜绞线线材的集肤效应和邻近效应损耗过大的场合。使用绞线可以使运行温度降低，相比同截面积的单股线，绞线拥有更高的机械性柔韧性。

综合考虑，项目适用规格拟采用TJRX3型镀锡软铜绞线。单线总数6 840根，计算外径20.24 mm[9]。原接地电缆根据标准可知外径范围为19.3～22.6 mm，理论外径基本相同。TJRX3型镀锡软铜绞线规格如表3所示。

表3 TJRX3型镀锡软铜绞线规格

3.2 试验验证

根据NFF00 363电气连接压接产品——裸露或预绝缘的端子与连接器标准中规定，冷压接端子与电缆产品需进行拉脱力试验。本实验将试样安装在一台拉伸试验机器上，机器的一只夹子抓住压接产品，另一只夹子抓住导体。夹子以25～50 mm/min的恒定速度移动。压接的机械性能在压接导体中心部分和压接产品的柱子之间应该需要一个分开的力，120 mm2电缆的最小值为5 200 N[10]。试验测试如图6所示，拉脱力为13 579 N，完全满足标准要求。

图6 拉脱力试验

3.3 运营验证

通过试验证明，采用新的编织绞线满足线缆拉脱力的试验要求。采用相对柔软的电缆代替普通电缆做构架接地线。为减少车辆运行过程中震动对电缆端部的损伤，在转向架构架一端增加固定点，减少线缆与端子连接处的磨损。接地线两端压接处的应力集中问题均得到了改善。改进后接地线安装状态如图7所示。目前，改进后的接地线已装车运行3年，未发生类似故障现象。