机车牵引变流器用电磁接触器的失效分析

尚锋亮，常 瑞，张创业，王成新，田鹏刚

（中车永济电机有限公司，陕西 西安 710018）

0 引 言

轨道交通机车车辆牵引系统由牵引变流器提供动力，接触器用于其主电路、辅助电路和控制电路中[1-2]，接触器分为电空接触器和电磁接触器[3]。在对机车进行日常检查和维修时，发现牵引变流器常常会出现电磁接触器故障问题。当电磁接触器工作失效时，机车则不能正常运行。通过对接触器结构、工作原理、典型故障案例、故障率对比及故障原因进行分析，可以为技术人员快速处理问题提供参考，也为电磁接触器的失效预防提供依据。

1 电磁接触器的应用范围

电磁接触器主要应用于牵引变流器的主电路中（如图1所示），包括工作接触器和预充电接触器。在牵引变流器单相输入端与牵引变压器二次侧绕组之间连接一个工作接触器，通过接触器的分/合为牵引变流器供电；预充电单元以并联方式连接到主接触器上，预充电单元由一个预充电接触器和一个预充电电阻组成。当牵引变流器运行时，先闭合预充电接触器，通过预充电电阻为中间电路的支撑电容器充电；当中间电压达到规定值时，再闭合工作接触器，为四象限整流器正常工作提供电源，这样就避免了合闸瞬间中间电路由于电容器电流不能突变所造成的大电流冲击。当控制单元给牵引变流器发出停止指令时，则断开工作接触器。

图1 牵引变流器原理图

2 电磁接触器的介绍

2.1 结构组成

电磁接触器主要由电磁装置、触头装置和灭弧装置组成。

电磁装置是电磁式接触器的重要组成部分[4]。它由动铁心（衔铁）、静铁心和电磁线圈三部分组成，其中线圈和静铁心在工作状态下是不动的，衔铁则是可动的。通过衔铁与相应的机械机构的动作状态和动作过程，将电磁线圈产生的电磁能转换为机械能来带动触点，使之闭合或者断开，以实现对电路的控制。

触头装置：触头按控制电路可分主触头和辅助触头；主触头分为动触头和静触头，辅助触头分为常开触头和常闭触头。电磁线圈通以电流，产生电磁吸力带动触头动作。

灭弧装置位于电器上部，用于吹灭主触头断开时产生的电弧。常用的灭弧装置有灭弧罩、灭弧栅、磁吹灭弧装置（如图2所示）。灭弧罩是采用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成的绝缘、耐高温的灭弧装置，在灭弧罩内一般采用纵缝灭弧的方法来灭弧。灭弧栅一般采用耐弧栅片即镀铜薄钢片。磁吹灭弧装置在触头电路中串接一灭弧线圈。

图2 磁吹灭弧装置

2.2 工作原理

电磁接触器工作原理[5-6]：当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作，常闭触头断开，常开触头闭合（两者是联动的）；当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头恢复初始状态，常闭触头闭合，常开触头断开。

电磁接触器磁吹灭弧过程：当电磁接触器闭合时，动触头触片1先与分弧静触头触片接触，磁吹线圈得电，开始吹弧；动触头触片2与静触头接触后，电磁接触器完成通电。当电磁接触器分断时，动触头触片1与分弧静触头触片接触，所以磁吹线圈一直通电并始终吹弧；当动触头触片2与静触头分断后，动触头触片1与分弧静触头触片断开，电磁接触器完成断电，动触头触片1和2采用先后顺序分段进行分合。

2.3 外形

电磁接触器的外形如图3所示。

图3 接触器外形图

2.4 安装方式

接触器可分为立式和卧式安装，如图4所示。安装要求：X≥330 mm，Y≥50 mm，Z≥50 mm。

图4 接触器安装方式

3 典型故障案例

3.1 牵引变流器电磁接触器磁吹弧线圈烧损

磁吹弧线圈烧损（如图5所示）是由于流过磁吹弧线圈的电流过高[7-8]导致温度升高而引起的，而流经磁吹弧线圈的电流过高有如下可能：（1）系统电流过高时，分析列车数据，未发现系统电流异常；（2）在系统电流正常的情况下，吹弧线圈所处线路分流（Ia）过高。根据分流原理（如图6所示），支路分流与支路电阻值成反比，即Rm增大或Ra减小会使磁吹弧线圈支路电流增大。通过外观检查发现，3个主（动）触头中两个有松动现象，导致主触头部分接触不良。此现象会引起Rm增大，即引起Ia过高。所以主（动）触点松动导致接触器闭合后主触头部分接触不良、阻值偏大，从而使流经引弧触头的电流偏大、热量堆积，最终导致磁吹弧线圈烧损。

图5 磁吹弧线圈烧损状态

图6 接触器分流原理

3.2 接触器辅助触头联动导杆折断

拆解接触器后发现辅助触头缺少动触头止动挡块。接触器进行闭合和断开动作时，动触头结构在驱动线圈磁力作用下上下移动，闭合动作下移，断开动作上移。当接触器断开时，止动挡块能够限制此结构位移。若缺少挡块则动触头结构会继续上移，直到碰到白色外壳，多次撞击后导致辅助触点联动导杆折断（如图7所示）。因此，当接触器中缺少动触头止动挡块，接触器断开时动触头结构上移，辅助触点联动导杆直接撞击在白色外壳上，多次动作后折断联动导杆。

图7 辅助触头联动导杆折断状态

3.3 接触器主触头烧损

机车显示屏报接触器卡分故障并锁定接触器问题。拆解接触器发现触头烧损严重（如图8所示）。由于触头烧损严重，无法有效闭合，导致卡分故障。

图8 主触头烧损状态

引起触头烧蚀的原因为：接触器分断，电流超出额定值，导致不能有效灭弧，触头间拉弧时间过长。另外，本接触器采用双断口桥式触头结构，共两套静触头。当2个触点高度略有差异，两侧触头的行程会不同，在灭弧过程中先脱离的一对触点处先起弧，就造成两对触点烧损不一致。

3.4 主触头安装螺栓松动

机车显示屏报接触器卡合故障并锁定接触器问题。拆解接触器灭弧罩后，发现触头烧损严重，动触头安装螺栓松动（如图9所示）。触头螺栓松动引起接触器动作时，触头动作变形，触头压力发生变化。不带电流工作时，触头的变形可能不影响接触器动作；但是在大电流工作情况下，接触器断开时，触头松动会导致触头分断速度降低，引起触头烧损故障，进而引发接触器卡合故障。

图9 主触头安装螺栓松动状态

3.5 主触头联动结构螺丝掉落

机车显示屏报接触器短路故障并锁定接触器问题。对接触器进行检查，发现主触头联动结构的螺丝掉落，并卡在主触头处（如图10所示）。由于固定螺丝的塑料卡自身存在质量问题，接触器频繁工作产生振动，造成固定螺丝的塑料卡断裂使得螺丝脱落，卡在主触头处，导致接触器无法正常闭合。

图10 主触头联动结构螺丝掉落状态

4 接触器故障率对比

近两年内，某型号机车的电磁接触器共发生故障79起。下面分别从故障类别、运行里程、新旧类别进行统计和对比。

4.1 故障类别统计

从发生故障类型分析（见表1所列），接触器卡滞故障率最高，为50.6%。

表1 故障类别统计表

4.2 运行里程故障统计

从机车运行里程分析（见表2所列），6×105～9×105km范围内接触器故障率最高，为46.8%。

表2 运行里程故障统计表

4.3 新造和检修故障统计

对比分析新造和检修情况（见表3所列），发现检修过的接触器故障率明显较高，为76%。

表3 新造和检修故障统计表

5 电磁接触器故障类别和失效原因分析

本文对电磁接触器的主要结构的故障类别及对应的失效原因[9-10]进行了详细分析，见表4所列。

表4 电磁接触器失效原因分析

6 结 语

机车检修人员要做好电磁接触器日常点检和维护工作，定期进行电磁接触器技术状态确认，发现问题及时处理。若接触器故障得不到及时修理，牵引变流器则无法正常工作，造成机车机破。不仅耽误机车工作效率，还影响机车安全运行。本文针对机车牵引变流器在地面联调和机车车辆整车运行中电磁接触器出现的典型故障进行分析，统计了某种型号机车因电磁接触器引起故障的情况。通过对故障类别和失效原因进行分析，为电磁接触器失效预防提供依据。