动车组熔断式温度继电器性能劣化研究

武继将,赵 敏,廖前华,佘鹏鹏,楚天罡,杨泽锋,魏文赋

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛 266000； 2.西南交通大学电气工程学院,成都 611756)

1 概述

现代电气化铁路发展日新月异，要求高速列车在速度越来越高的同时也能保持更好的安全性，这就对铁路安全报警装置的性能提出了更高要求[1-4]。部分系列动车组转向架及牵引电机主要采用熔断式温度继电器，随着动车组服役时间的增长，熔断式温度继电器出现性能下降而导致误动作、误报警故障[5-6]，因此，对熔断式温度继电器性能及其随运用时间的变化规律、趋势开展研究，对防止动车组熔断式温度继电器频繁漏报、误报故障，以及保证铁路列车运行安全具有重要意义。

近年来，国内外专家学者主要对转向架、牵引电机弹片式温度继电器开展研究，从红外温度传感器检测装置、处理器选型和温度采集传感器设计等温度检测系统方面进行了不断创新，并取得了一定的研究成果[7-8]。但对熔断式温度继电器各部件性能随服役时间的变化规律缺乏相关研究，尚未形成全寿命周期可靠性评估流程和评估方法[9-10]。

国内对动车组转向架、牵引电机温度的研究，早期主要集中于弹片式温度继电器。其原理主要利用弹片式温度继电器中双金属片的热膨胀系数不同，使得当温度升高至动作温度时触点断开，当温度降低到回复温度时触点重新闭合[11]。对于弹片式温度继电器的研究，主要围绕动作温度和回复温度这两个关键参数设计，以达到既要保证电机得到有效的保护，又必须留有一定裕度，同时裕度又不能过大，使动车组在运行过程中出现不必要的过多报警，影响动车组正常运营。

随着弹片式温度器的广泛应用，逐渐暴露出弹片式温度继电器的弊端，即存在绝缘击穿、受到反复振动冲击后引线杆断裂、密封不良等问题，进而造成温度继电器频繁误报警问题[12]。因此，针对弹片式温度继电器绝缘击穿、密封失效等情况发生，通过设计加强了温度继电器的绝缘和密封性能，进而开发了高速列车熔断式温度继电器[9]。国内外专家把目光聚焦在熔断式温度继电器性能随温度的变化规律探寻上，并取得了一定成果，同时创新性地提出了一些熔断式温度继电器的设计选型方面建议[13-15]。但对熔断式温度继电器性能及内部关键器件性能随服役时间的变化规律仍缺乏相关研究。

2 工作原理

如图1所示，熔断式温度继电器主要由陶瓷套管、温度保险丝、环氧树脂套、电缆锁紧头等配件组成[6，8]。其中，熔断式温度继电器中有2个温度保险丝并联后直接与电缆导线连接，然后通过陶瓷套管和环氧树脂套封装在继电器中来监控设备的工作温度，并在温度超过警戒值时通过回路的蜂鸣器报警。

图1 熔断式温度继电器结构示意

熔断式温度继电器的核心元件温度保险丝内部结构如图2所示[11]，其核心元件主要由热敏药丸、压缩弹簧、解扣弹簧及星形触点等结构构成，正常情况下电流从导线流向星形触点经过导线装配外壳最终流出电缆，由此熔断式温度继电器在正常情况是一个常闭开关。当温度异常时，保险丝内的热敏药丸发生气化，导致解扣弹簧和压缩弹簧在力的作用下发生动作，最终致使星形触点与绝缘导线发生分离，回路断开，从而发出温度警戒信号。

图2 温度保险丝内部结构

3 实验内容及设备

3.1 服役后熔断式温度继电器性能参数测量

目前，熔断式温度继电器的性能参数主要有引出线端子与外壳之间的绝缘电阻、两引出线端子之间的接触电阻和内部热敏药丸高度，绝缘电阻、接触电阻及热敏药丸高度测量方法如下。

由于动车组熔断式温度继电器工作回路电压为110 V左右，根据绝缘电阻测试标准，应采用500 V/1 000 MΩ绝缘电阻测试仪对熔断式温度继电器接线端子与外壳之间的绝缘电阻，其测量设备如图3所示。

图3 绝缘电阻测试仪

针对输出特性，使用LRC测试仪测量动车组熔断式温度继电器两引线端子间的接触电阻，观察不同安装位置、不同运营里程熔断式温度继电器的接触电阻变化，LRC测试仪如图4所示。

利用X射线检测系统获得不同运营里程、不同安装位置的熔断式温度继电器中热敏药丸高度，每个熔断式温度继电器中均包含2个热敏药丸，研究不同安装位置处的熔断式温度继电器热敏药丸高度随运营里程的变化。X射线检测系统如图5所示。

图5 X射线检测系统

3.2 盐雾老化试验

对于不同安装位置的熔断式温度继电器新品，利用精密型盐雾试验箱进行盐雾试验，试验中盐雾溶液NaCl浓度为(5±1)%(质量比)，溶液pH值应在6.5～7.2，温度为(35±2) ℃，时间为96 h，并测量试验前后熔断式温度继电器的绝缘电阻、接触电阻、热敏药丸高度。图6为精密型盐雾试验箱，设备试验温度范围为35～55 ℃，盐雾沉降量为1～2 mL/80 cm2·h，可进行中性盐雾试验、乙酸盐雾试验、铜加速乙酸盐雾试验。

图6 精密型盐雾试验箱

4 实验结果

4.1 服役前后熔断式温度继电器性能劣化分析

熔断式温度继电器主要安装在列车的牵引电机、轴箱、齿轮箱3个部位。对于牵引电机，熔断式温度继电器具体安装在牵引电机的定子端、传动端和非传动端，通过这3个位置的温度状况来反映整个牵引电机的温度状况，通常只对牵引电机进行编号。而在轴箱和齿轮箱处安装熔断式温度继电器则是对列车转向架工作状况进行监控。表1～表3是不同安装位置的熔断式温度继电器工作温度、振动情况检测结果。

表1 牵引电机不同位置工作温度

表2 牵引电机不同位置振动情况

表3 轴箱和齿轮箱处工作温度和振动情况

从表1和表2可以看出，在牵引电机处，定子端、传动端、非传动端工作温度分别为100～113 ℃、57～63 ℃、44～51 ℃，其中，定子端温度最高、非传动端温度最低。对于轴箱和齿轮箱，齿轮箱工作温度为63～75 ℃、轴箱工作温度为40～49 ℃，齿轮箱温度明显高于轴箱。对于不同安装位置的振动情况，一般用振动加速度来表征。振动加速度越大，该位置的振动状况越恶劣。根据表2、表3可以发现，对于牵引电机，传动端振动最大、定子端振动最小。对于轴箱和齿轮箱，轴箱处的振动远大于齿轮箱处。利用绝缘电阻测试仪测量不同安装位置、不同运营里程的熔断式温度继电器绝缘电阻，测量装置如图3所示，测量结果显示120，240，360，600万km运营里程下，熔断式温度继电器接线端子与外壳之间的绝缘电阻值均大于500 MΩ，绝缘性能仍满足工况要求，可见运营里程对绝缘电阻的影响不大。

图7为120万km牵引电机用的熔断式温度继电器接触电阻测量结果，牵引电机用熔断式温度继电器用在3个位置，主要是定子端、传动端以及非传动端，对不同样品进行随机抽查检测后的接触电阻结果可以看出，牵引电机传动端用温度继电器的接触电阻在58～62 mΩ内变化，而定子端接触电阻则在51～54 mΩ内波动，非传动端接触电阻在45～48 mΩ内变化。对比新品的牵引电机用定子端(53.021 mΩ)、传动端(62.634 mΩ)、非传动端(46.059 mΩ)接触电阻分别变化6～8 mΩ、7～10 mΩ、5～6 mΩ，传动端接触电阻变化高于定子端和非传动端的原因在于，牵引电机传动端处于频繁振动情况下，会导致熔断式温度继电器核心元件温度保险丝中触点发生松动进而导致接触点面积减小，接触电阻增大[16-17]；产生定子端的接触电阻高于非传动端的原因在于，二者位置的运行温度有所差异，定子端运行温度较高。由于长时运行温度的差异，熔断式温度继电器关键核心部件热敏药丸长时运行在高温情况下，导致热敏药丸高度和表面状态有细微的变化，致使星形触点与触头接触发生细微松动从而导致接触面积缩小，接触电阻因此增大[18]；进而通过对比定子端接触电阻与传动端接触电阻可以看出，振动环境相较于高温环境对接触电阻的影响更大。

图7 牵引电机用定子端、传动端、非传动端熔断式温度继电器的接触电阻

图8为120，240，360万km轴箱用熔断式温度继电器的接触电阻变化图，由图8可以看出，对于120万km轴箱用熔断式温度继电器为22～24 mΩ，240万km接触电阻为24～27 mΩ，360万km接触电阻为30～33 mΩ。考虑到接触电阻随里程数的增加其增长率变大，对测得的接触电阻值随运营里程变化数据进行拟合。由于指数函数的增长速率最快，采用指数拟合来预测接触电阻到达警戒值的运营里程数(工程上警戒值取100 mΩ)，可以起到提前预警的作用，拟合曲线如图9所示。由图9可以看出，接触电阻随运营里程的增加而呈现一种非线性增长。可以预测在运营里程1 040万km时接触电阻达到100 mΩ警戒线。

图8 不同运营里程下轴箱用熔断式温度继电器的接触电阻

图9 轴箱用熔断式温度继电器的接触电阻随运营里程的变化趋势

图10为120，240，360万km齿轮箱用熔断式温度继电器的接触电阻变化图，由图10可以看出，对于120万km齿轮箱用熔断式温度继电器接触电阻为24～26 mΩ，240万km接触电阻为29～31 mΩ，360万km接触电阻为29～31 mΩ。同样考虑到接触电阻随运营里程的增加其变化率在变大，故对测得的接触电阻随运营里程的变化数据采取指数拟合，拟合曲线如图11所示。从图11可以看出，齿轮箱用熔断式温度继电器的接触电阻随运营里程增加呈现非线性增长趋势，根据拟合曲线可以推断出，当运营里程大于1 000万km时，齿轮箱用熔断式温度继电器的接触电阻将大于100 mΩ，继电器可靠性降低。综上可知，轴箱和齿轮箱用熔断式温度继电器的接触电阻随运营里程变化趋势相似。

图10 不同运营里程下齿轮箱用熔断式温度继电器的接触电阻

图11 齿轮箱用熔断式温度继电器的接触电阻随运营里程的变化趋势拟合曲线

无论是轴箱还是齿轮箱，单一来看，造成接触电阻随运营里程变化的原因主要是由于长时间的运行致使长时振动，导致触点松动产生接触面正压力变化。通常来说，接触面正压力是指两个接触物由于相互接触而产生的垂直与接触界面的力，由于接触物体之间不可能完全接触，真正接触的部位是接触表面上的接触微点，所有接触压力均作用在接触微点上。由于接触正压力的增加导致接触微点发生弹性形变，使得接触表面接触微点的增加，当回路中有电流流过时，在接触界面微观下有更多条支路进行电流传输，因此，接触电阻会减小；而造成轴箱用和齿轮箱用熔断式温度继电器同运营里程接触电阻差异的原因主要是由于安装位置的不同，致使运行温度的差异，轴箱运行温度稍微低于齿轮箱的温度。由于齿轮箱的运行温度高，导致热敏药丸高度或表面状态变化，导致接触状态变化致使同里程下齿轮箱的接触电阻略微高于轴箱接触电阻[19]。

利用X射线检测系统测量不同运营里程下熔断式温度继电器的热敏药丸高度，检测结果如图12、图13所示。可以看出，定子端处的熔断式温度继电器热敏药丸高度变化最大，服役120万km后药丸高度低于临界高度(1.93 mm)，而牵引电机传动端和非传动端、轴箱、齿轮箱处熔断温度继电器热敏药丸高度变化较小，在列车运营360万km后仍满足要求。

图12 不同运营里程下牵引电机用熔断式温度继电器的热敏药丸高度

图13 不同运营里程下轴箱和齿轮箱用熔断式温度继电器的热敏药丸高度

4.2 盐雾环境下熔断式温度继电器性能劣化分析

从图14可以看出，对新品牵引电机(定子端、传动端、非传动端)、轴箱、齿轮箱用熔断式温度继电器进行老化96 h盐雾老化实验，随着老化时间进行，5种熔断式温度继电器的接触电阻呈现近似线性变化，且传动端接触电阻在老化96 h后超过70 mΩ。盐雾试验中导致熔断式温度继电器，接触电阻增大的原因主要是，由于在潮湿环境下NaCl中的氯离子跟温度保险丝中接触界面中的氧化物发生反应，使得接触界面发生劣化，同时接触界面接触微点数目减少，当回路中有电流流过时，在接触界面微观下电流支路减少，从而接触电阻增大[20]。同时在图14中也可以看出，牵引电机传动端处熔断式温度继电器的接触电阻变化最大，往后依次为定子端、非传动端、齿轮箱、轴箱，产生这种差异原因主要是继电器形状差异导致接触盐雾的表面差异[21]。

图14 熔断式温度继电器接触电阻随盐雾老化时间的变化关系

表4是盐雾试验前后不同型号熔断式温度继电器保险丝的热敏药丸高度，图15是新品熔断式温度继电器在盐雾试验前后温度保险丝的X光检查照片。由表4和图15可以看出，对于新品熔断式温度继电器的热敏药丸进行X光检查后发现，熔断式温度继电器的热敏药丸高度变化范围在0.07～0.08 mm，其中，定子端0.075 9 mm、传动端0.080 6 mm、非传动端0.070 1 mm、轴箱0.073 5 mm、齿轮箱0.081 2 mm，盐雾老化试验96 h以后，其热敏药丸高度依然大于临界高度(Hmin≈1.93 mm)，且变化范围不大。同时，通过图15中对于盐雾老化试验后的电缆连接处进行检查后发现，并未出现断股现象。

表4 盐雾试验前后不同型号熔断式温度继电器保险丝的热敏药丸高度 mm

图15 熔断式温度继电器新品在盐雾试验前后温度保险丝的X光检查照片

5 结论

通过对不同安装位置、不同运营里程下的熔断式温度继电器进行绝缘电阻测试、输出特性测试，并对熔断式温度继电器新品进行了盐雾试验，研究其性能参数的变化规律，得出以下结论。

(1)随着动车组运营里程增加，熔断式温度继电器的绝缘电阻无明显变化，而接触电阻逐渐增大、热敏药丸高度减小。造成这一变化的主要原因是，高温、振动环境下熔断式温度继电器内部触点表面劣化、结构发生松动，使得接触电阻增大、热敏药丸高速下降。

(2)对于牵引电机处，传动端处熔断式温度继电器的接触电阻变化量大于定子端和非传动端。这是由于定子端、传动端和非传动端3处的工作温度、振动情况存在差异，其中，传动端的振动状况最为恶劣，其核心元件温度保险丝中触点更容易发生松动，使得触点面积减小，导致接触电阻较大。

(3)基于不同运营里程下的测试数据对接触电阻进行预测，发现在运营里程数分别达到1 040万km，1 000万km时，轴箱和齿轮箱用熔断式温度继电器的接触电阻分别达到警戒值。

(4)对于新品熔断式温度继电器，在盐雾环境下，随着盐雾老化时间增加，其内部触点受腐蚀、并逐渐劣化，导致其接触电阻增大、热敏药丸高度下降。由于不同安装位置的熔断式温度继电器外形存在差异，导致盐雾环境下牵引电机处熔断式温度继电器的接触电阻变化最大。