动车组典型网侧高压接地故障分析及运维对策研究

徐骄阳

(中国铁路上海局集团公司上海动车段 上海 201812)

0 引言

近年来，随着国家高速铁路网的不断完善，在国民经济中承担交通大动脉的高铁主干线运能也日益饱和甚至多线路已超负荷。以京沪高铁为例，目前最小追踪间隔大概是5 min，为提升运能，提高发车密度，现阶段已在研究和测试最小追踪间隔4 min和3 min的可行方案。现有运维现状对高速列车的可用性和安全性提出了更严苛要求。作为高速列车装备中最重要的系统之一的高压系统，它的安全可靠对列车的安全稳定运行至关重要。当高压系统发生故障，轻则导致列车某一高压单元失效使得列车安全性降低，重则导致全列牵引失效或接触网及车载设备损坏，甚至还会严重影响运输秩序[1-2]。近两年来，全路多车型发生了多起网侧高压接地故障，其中最为典型的便是由车顶高压电缆终端异常放电引发的接地故障。

1 典型故障案例分析

1.1 故障概况

2018年某日，某型动车组列车检修完毕后停放于存车线待发车，进行投主控钥匙、升弓、闭合主断路器等常规准备工作，约3 min后，列车高压控制单元因检测到线电流过流而导致高压系统硬保护触发并自动断开主断路器，显示屏(HMI)报出故障代码33E8(“高压控制单元1触发线电流保护”)和33F2(“高压控制单元2触发线电流保护”)。随后，列车所在股道供电单元发生跳闸。

1.2 故障调查

为详查故障情况，下载了列车中央控制单元(CCU)、多功能车辆总线(MVB)和受电弓监控系统的历史数据，复盘故障发生过程，综合分析后初步判定是由车顶高压电缆终端连接器异常放电导致的高压接地故障。图1所示为受电弓视频监控设备捕捉到的03车车顶高压设备故障时段同部件同位置处异常放电，受电弓等高压设备短时间内发生了持续性或强或弱的异常拉弧放电。

(a)车顶强烈拉弧放电 (b)车顶轻微拉弧放电图1 03车同位置不同时刻异常放电监控画面

对列车中可能涉及的各类电气设备进行详细的状态检查。图2所示为检查发现的主要受损部件，整个高压机箱体内充满了粉尘，其中A区域中有大量碳化粉尘，终端连接器的绝缘伞裙表面有严重电蚀痕迹(见B区域)，连接器伞裙底部有一明显破洞(见C区域)，受电弓碳滑板电灼严重(见D区域)。检查相邻高压单元车辆上各同类设备，状态皆良好，未见异常。

图2 03车车顶受损高压设备部件外观

2 电缆连接器失效原因及机理分析

2.1 电缆连接器简介

特高压电缆终端连接器主体为硅橡胶整体成型的橡胶块，承担外部绝缘、内部绝缘、缓和电场等作用，内部为能够起到电场屏蔽和支撑作用的黄铜衬管，电缆可贯穿其中。该部件在动车组列车上为2个相邻高压单元之间电力传输电缆的终端连接部，主体结构如图3所示。

图3 电缆终端连接器构造及零部件功能

2.2 连接器失效机理探究

为探究终端连接器内部绝缘缺陷的原因和机理，对此类故障的17件部件和所属同批次产品进行了一系列测试、化验和分析计算等工作。通过计算机仿真、电气测试、高低温循环试验、X射线检查等多种手段进行故障推演和重现。依据合理的假设并进行验证，从产品的设计方案、材料特性、制造工艺、装配工艺等多方面探究失效原因。

(1)电场强度仿真分析

为验证产品设计是否满足电气性能要求，设计了仿真计算方案(见图4)，得到了产品内部等电位分布和各主要关键位置电场强度值(见表1)。仿真环境中的额定电压根据GB/T 28427设定为27.5 kV。电场强度最大值位于内部半导电层尖端(部位②)为2.9 kV/mm，硅橡胶介电强度为25 kV/mm，设计裕度约8.6倍，满足要求。所有故障件绝缘击穿处(部位①)电场强度为2.4 kV/mm，远小于材料介电强度。

图4 仿真分析模型

表1 各关键部位电场强度计算结果

(2)绝缘材料撕裂强度分析

按照GB/T 529—2008 硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定方法，随机挑选17件故障件所属的8个批次中的样品进行测试。为验证制造工艺对材料撕裂强度的影响，研究了相同硫化条件下(110 ℃×4 h)，不同注胶速度对硅橡胶撕裂强度的影响，结果如图5、图6所示。此外，还对比验证了不同硫化条件对撕裂强度的影响(见图7)。结果表面注胶速度、绝缘材料的二次硫化条件与其撕裂强度的关系显著，故障件批次产品采用的注胶速度为12 g/s、二次硫化条件为110 ℃×4 h的制造工艺，导致了产品撕裂强度低、波动大。

图5 注胶速度对比

图6 硫化条件差异对比

(3)高低温循环试验分析

通过高低温循环试验验证硅橡胶材料性能，选取半导电层有剥离的电缆终端，X射线检查裂纹长35 mm。在终端内插入外径32.8 mm 的环氧树脂棒模拟电缆，并先在-20 ℃环境放置3 h，再在60 ℃环境放置3 h，6 h为1 个循环，反复进行测试。试验共进行28 天，第71 个高低温循环后，被试品绝缘层发现了裂纹，长度约71 mm，如图7所示。

图7 高低温循环试验前后对比结果

(4)加工工艺分析

在调查分析连接器加工各工艺环节时，发现在半导电层精加工打磨工序中缺少必要的保护措施，打磨过程中使用钢丝刷易造成铜管端部与半导电层连接处损伤。此外，端部半导电橡胶与铜管间的粘接工艺有缺陷，在涂抹过程中混入适量水汽来模拟测试，检测完工产品发现半导电层有剥离现象。

(5)装配应力仿真计算

考虑到电缆和终端连接器装配不当可能引起连接器内部半导电层与铜管连接处应力集中。为验证该设想，采用计算机仿真方法建模分析电缆和连接器装配时的应力分布。终端连接器端部半导电层内径为26.5 mm，电缆外径为(32.8±1)mm，电缆插入后半导电层孔径需扩张5.3～7.3 mm。仅以硅胶孔径扩张6 mm的情况为例，计算电缆插入会导致内部应力最大值约为4.2 MPa，位于半导电层与铜管连接处(图8的方框内)。此外，高压电缆装配过程中，若电缆插入时有变形，也将产生较大应力。经仿真计算，若电缆装配时变形量达10 mm，铜管端部与半导电层连接处最大应力可达11.2 MPa。

图8 装配应力分析结果

(6)失效原因和机理总结

研究分析了导致连接器潜在失效的因素，虽未能完全穷举，但从测试、仿真分析等结果看，基本判定失效主要原因和机理为以下5点：(1)故障件所在批次产品的注胶工艺更改导致绝缘材料撕裂强度偏低；(2)组件打磨加工工艺质量管控和评测标准有显著缺陷，易导致半导电层损伤；(3)产品的抗老化性能不好，高低温循环测试中重现了故障件剥离现象；(4)组件粘接工艺存在潜在操作风险，易导致粘接强度不够使得半导电层剥离；(5)电缆与连接器装配不当易导致半导电层与铜管端部连接处应力集中，导致损伤发展和累积[2]。

3 列车运维风控对策及技术优化研究

3.1 优化完善列车故障处置措施

为合理控制安全风险，作为列车运维单位还须提升针对此类故障的研判能力、处理质量及处置效率。以运维管理的视角提出针对该故障处置对策的优化主要包括：(1)改进列车故障诊断系统中与终端异常放电有关的信息展示方式和提示内容，包括将高度倾向该故障的代码信息展示优先级提升至最高，修改可能引发司乘人员不当操作进而导致故障二次破坏或故障影响扩大化的处置措施提示；(2)修改该车型此类故障的应急处置规章中的有关内容，加强人员培训，按照更完善的处置流程进行作业，避免引发人为次生灾害；(3)日常维修工作中，改进电缆终端的状态检查手段和方法，例如按修程结合作业项点，运用工业CT排查隐患终端。

3.2 高压接地故障在线检测方法

研究电缆终端类接地故障的在线检测方法是关于事中控制的重要一环。由于列车设计原理所致，现有的电路过流过压检测的软硬件无法完成精准的故障隔离。以该车型8编组为例，当03车升弓侧或06车非升弓侧高压设备发生接地故障时，只有电流互感器CT1能够检测到过流信号，但是无法判定接地故障点位于升弓侧还是非升弓侧，这也是造成途中进行此类故障处置时风险隐患大的根本原因。因此，为改进高压设备接地故障隔离精度，在与主机厂、设备供应商进行了一系列技术探讨后，确定了一种已实施并已取得好成效的技术方案，即新增设电流互感器。

保留既有电流互感器CT1、CT2、CT3，在高压箱外增加电流互感器CT4，套在车顶高压线缆上，用于检测本单元输入或相邻高压单元输出电流，优化后主电路拓扑如图9所示。

图9 优化后主电路拓扑

新增的CT4 电流信号由本单元高压控制单元读取，同时具备瞬时峰值保护功能。增加两个CT4 电流互感器后，可将本单元CT1 至临单元CT2 间主电路划分为2 段，根据电流互感器的过流情况，判断具体区段，接地检测逻辑如下。

(1)非升弓侧高压设备接地检测逻辑若升弓侧CT4检测的电流峰值大于阈值(650 A)或非升弓侧峰值大于阈值(650 A)，则由CCU汇总信息，判断为非升弓单元侧发生接地故障，报出相应故障代码，给出相应处置措施提示。

(2)升弓侧高压设备接地检测逻辑

若小于限值(1 300 A)且升弓侧峰值小于阈值(650 A)且非升弓侧峰值小于阈值(650 A)，则由CCU汇总信息，判断为升弓单元侧发生接地故障，报出相应故障代码，给出相应处置措施提示。

4 结束语

近年来，各车型高压系统故障频发，此类故障很容易演化为严重事故，极易造成恶劣影响。通过对频发的典型高压接地故障进行分析，探讨了其故障原因，并利用多种方法研究了其故障机理和失效因素。以动车组运维管理视角，给出了有针对性的系列改进措施，提出了一种高压接地故障在线检测技术方案，并经过实践验证后取得了很好的效果，有一定的推广参考价值。