動車組高壓設(shè)備狀態(tài)檢修試驗策略研究

楊斯泐，郭晨曦，董文哲，郭旭剛，李 強(qiáng)，王 坤

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081 )

目前動車組高壓系統(tǒng)設(shè)備檢修規(guī)程主要針對高壓設(shè)備的外觀、動作狀態(tài)等進(jìn)行檢修，大修方式采用更換的方法[1]。目前由于對高壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)缺少試驗分析手段，需根據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)一步確定維護(hù)和檢修方法；日常進(jìn)出庫檢修難以發(fā)現(xiàn)高壓設(shè)備的潛在缺陷，檢修效果無法滿足實(shí)際運(yùn)營需求。因此車輛運(yùn)用部門需建立高壓系統(tǒng)設(shè)備基于設(shè)備狀態(tài)的相關(guān)試驗手段，并結(jié)合人員的培訓(xùn)，形成成熟的高壓絕緣事故處置辦法，避免因為應(yīng)急處置經(jīng)驗欠缺對動車組高壓設(shè)備的長期運(yùn)營產(chǎn)生負(fù)面影響。本文將針對動車組高壓設(shè)備典型源頭質(zhì)量問題，研究動車組高壓設(shè)備狀態(tài)檢修試驗策略和基于設(shè)備狀態(tài)的檢修周期優(yōu)化方案。

1 典型源頭質(zhì)量問題及優(yōu)化方案

選取某動車組斷路器、避雷器和高壓電纜終端等分析其高壓系統(tǒng)典型源頭質(zhì)量問題，并提出優(yōu)化方案。

1.1 斷路器

1.1.1 故障狀態(tài)分析

檢查故障動車組車頂，發(fā)現(xiàn)受電弓、碳滑板、避雷器和高壓電纜附件等設(shè)備外觀無損傷；開蓋檢查高壓箱，發(fā)現(xiàn)高壓箱頂蓋、箱體側(cè)壁、接地開關(guān)和主斷路器等部位存在放電痕跡，其中主斷路器接地觸頭和箱體側(cè)壁有嚴(yán)重的放電燒蝕點(diǎn)，如圖1所示，放電路徑為高壓端口(主斷路器接地觸頭)對地(箱體側(cè)壁、接地轉(zhuǎn)臂)[2]。

對主斷路器極間進(jìn)行工頻電壓極限耐受能力測試，測試結(jié)果顯示：在極間施加 100 kV 工頻電壓并保持 1 min 時，無閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象，當(dāng)繼續(xù)升高工頻電壓至105 kV 時，出現(xiàn)擊穿放電現(xiàn)象。說明主斷路器極間耐受工頻電壓的極限值約 100 kV(峰值 141 kV)。主斷路器極間外絕緣屬于空氣間隙絕緣，空氣間隙的耐壓能力與電壓作用時間密切相關(guān)，操作過電壓的特點(diǎn)是在短時間內(nèi)多次振蕩，過電壓耐受水平與工頻電壓耐受水平的差異受過電壓持續(xù)時間的影響較大。 綜上所述，117.8 kV 及以上的操作過電壓峰值極易擊穿上下接地觸頭極間電氣間隙，主斷路器極間擊穿會導(dǎo)致周邊空氣發(fā)生電離，在高壓箱密閉的小空間內(nèi)造成高壓對地放電故障。

圖1 動車組主斷路器放電

1.1.2 優(yōu)化方案

(1) 增強(qiáng)主斷路器極間的絕緣性能，優(yōu)化其接地觸頭結(jié)構(gòu)，減小尖端效應(yīng)，同時使電氣間隙由 285 mm 增加至 312 mm，對應(yīng)接地夾中的固定塊需要進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)；

(2) 為進(jìn)一步降低主斷路器閉合瞬間的操作過電壓，結(jié)合高級修，由供應(yīng)商對主斷路器的彈跳時間進(jìn)行檢測并調(diào)整，目標(biāo)值由小于TB/T 3430—2015《機(jī)車車輛真空斷路器》中 6.4.3.4規(guī)定的 5 ms調(diào)整為小于 2 ms。

1.2 避雷器

1.2.1 故障狀態(tài)分析

該動車組06車車頂主斷高壓輸入端避雷器炸裂，呈現(xiàn)能量從釋放口由內(nèi)向外釋放狀(圖2(a))；車頂受電弓雙碳滑板上均發(fā)現(xiàn)有一處電蝕(圖2(b))，主斷路器上有被電擊灼傷痕跡，該灼傷點(diǎn)距軌面約4 435 mm，主斷路器表面和高壓連接銅排上有爬電痕跡；車頂區(qū)域有殘留的避雷器炸裂碎塊。其他的車頂高壓設(shè)備外觀狀態(tài)均正常。

圖2 動車組避雷器擊穿

動車組主斷高壓輸入端側(cè)避雷器故障炸裂，導(dǎo)致接觸網(wǎng)第一次跳閘。由于動車組避雷器故障后動車組受電弓不降弓(正常設(shè)計邏輯)，接觸網(wǎng)自動合閘時再次對地放電，接觸網(wǎng)斷線[3]。

1.2.2 優(yōu)化方案

(1) 分析動車組避雷器炸裂故障原因，制定整改措施，提升動車組配件源頭質(zhì)量。

(2) 確定避雷器檢測標(biāo)準(zhǔn)。選取部分動車組避雷器安裝檢測設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測漏電流，提高避雷器檢測篩選標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 研究新型避雷器可行性。目前部分動車組避雷器方波通流容量為800 A，而此型避雷器為500 A，運(yùn)用實(shí)際中炸裂較多，因此需研究避雷器更換為方波通流容量800 A方案的可行性。

1.3 電纜終端

1.3.1 故障狀態(tài)分析

所有故障均為絕緣擊穿、高壓接地。造成此類故障的原因主要有2個方面：故障時有高電壓和絕緣能力不足。顯然，故障時有高電壓這一原因可以直接排除，絕緣能力不足是導(dǎo)致故障的直接原因。

對各故障部件進(jìn)行了拆解檢查，確認(rèn)擊穿位置基本一致：縱向方向位置為黃銅管，離法蘭盤側(cè)端部30～40 mm處；圓周方向位置集中在終端裝車狀態(tài)的下側(cè)。圖3為動車組高壓設(shè)備部分故障部件擊穿位置[4]。

圖3 動車組高壓設(shè)備電纜終端部分故障部件擊穿位置

1.3.2 優(yōu)化方案

(1) 為防止有剝離的產(chǎn)品出廠，更改了X射線檢查的工序。將絕緣體成型?X射線檢查(模具部品)? 環(huán)氧樹脂棒電極組裝? 電氣檢查 (耐壓，局部放電)變更為絕緣體成型? 電氣檢查 (耐壓，局部放電) ?X射線檢查 ?環(huán)氧樹脂棒電極組裝。

(2) 用X射線機(jī)對高壓箱電纜終端內(nèi)部進(jìn)行成像檢查。將高壓電纜終端自高壓箱中拆下后，水平放置于受電弓平臺，分別檢測電纜終端傘裙區(qū)域，拍攝角度分別為0°、45°、90°、135°，如圖4表示。

圖4 X射線影像識別缺陷

高壓電纜終端由高密度銅、鋁和低密度硅橡膠組成，可通過X射線成像的灰度變化識別缺陷區(qū)域。圖5為產(chǎn)品影像。

圖5 產(chǎn)品影像

(3) 由于故障件檢查發(fā)現(xiàn)高壓電纜終端半導(dǎo)電層與銅管、半導(dǎo)電層與法蘭嵌件有剝離現(xiàn)象，剝離原因可能為材料自身應(yīng)力未釋放，優(yōu)化方案是從工藝上解決高壓電纜組裝過盈配合的問題和減少注膠工藝的影響。

2 高壓設(shè)備典型故障狀態(tài)修診斷性試驗

診斷性試驗是為進(jìn)一步評估設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行的試驗，通過巡檢、在線監(jiān)測、例行試驗等發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不良，或經(jīng)受了不良工況，或受家族缺陷警示，或連續(xù)運(yùn)行了較長時間的設(shè)備。根據(jù)診斷性試驗來確定高壓設(shè)備的狀態(tài)情況是較好的方式，需要?dú)w納性的應(yīng)用和實(shí)踐[5]。

2.1 真空斷路器的診斷性試驗

真空斷路器的診斷性試驗包括滅弧室真空度測量和交流耐壓試驗。

(1) 滅弧室真空度的測量。按設(shè)備技術(shù)文件要求或受家族缺陷警示進(jìn)行真空滅弧室真空度的測量，測量結(jié)果應(yīng)符合設(shè)備技術(shù)文件要求。

(2) 交流耐壓試驗。對核心部件或主體進(jìn)行解體性檢修之后，或必要時進(jìn)行本項試驗。包括相對地合閘狀態(tài)、斷口間分閘狀態(tài)2種方式。試驗電壓為出廠試驗值的80%，頻率不超過400 Hz，耐壓時間為60 s，試驗方法參考GB/T 11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》。

2.2 金屬氧化物避雷器診斷性試驗

金屬氧化物避雷器診斷性試驗主要是測量工頻參考電流下的工頻參考電壓，診斷內(nèi)部電阻片是否存在老化，應(yīng)進(jìn)行本項試驗。方法和要求參考GB/T 11032—2020《交流無間隙金屬氧化物避雷器》。

2.3 高壓電纜診斷性試驗

高壓電纜診斷性試驗包括銅屏蔽層電阻和導(dǎo)電體電阻比試驗、介質(zhì)損耗因數(shù)測量以及電纜主絕緣交流耐壓試驗。

(1) 銅屏蔽層電阻和導(dǎo)體電阻比試驗。需要判斷屏蔽層是否出現(xiàn)腐蝕時，或者重做終端、接頭后進(jìn)行本試驗。試驗是在相同溫度下測量銅屏蔽層和導(dǎo)體的電阻，并確認(rèn)屏蔽層電阻和導(dǎo)體電阻之比無明顯改變。比值增大，可能是屏蔽層出現(xiàn)腐蝕；比值減小，可能是附件中的導(dǎo)體連接點(diǎn)的電阻增大。

(2) 介質(zhì)損耗因數(shù)測量。未老化的交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)，其介質(zhì)損耗因數(shù)通常不大于0.001。介質(zhì)損耗因數(shù)可以在工頻電壓下測量，也可以在0.1 Hz低頻電壓下測量，測量電壓為U0。同等測量條件下，如介質(zhì)損耗因數(shù)較初值有明顯增加，或者大于0.002時，需進(jìn)一步試驗。

(3) 電纜主絕緣交流耐壓試驗。采用諧振電路，諧振頻率應(yīng)在300 Hz以下，試驗電壓為2.0U0，時間為5 min。如試驗條件許可，宜同時測量介質(zhì)損耗因數(shù)和局部放電。新做終端、接頭或受其他試驗項目警示需要檢驗主絕緣強(qiáng)度時，也應(yīng)進(jìn)行本試驗。

3 檢修周期和設(shè)備狀態(tài)雙向控制策略

3.1 基準(zhǔn)檢修周期的調(diào)整

實(shí)行狀態(tài)檢修也可能有按周期進(jìn)行的檢查和試驗。周期短，項目多，周期不可調(diào)整，周期與設(shè)備狀態(tài)無關(guān)，設(shè)備狀態(tài)好與差一視同仁，這是以往定期試驗存在的問題。狀態(tài)檢修保留必要的定期檢查和試驗的理由有2個：(1)由于高壓設(shè)備具有彼此關(guān)聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)，包括檢查和試驗在內(nèi)的任何停電維修必須是有計劃的；(2)目前和今后很長一段時間內(nèi)，帶電/在線檢測還無法代替停電試驗，更無法代替停電的保養(yǎng)性檢查。因此，定期檢查和試驗是提取設(shè)備狀態(tài)信息和監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)的必要手段，也是狀態(tài)評估的基礎(chǔ)。

狀態(tài)檢修不是簡單地將原有試驗周期延長，不同設(shè)備狀態(tài)參差不齊，簡單地延長周期可能會使?fàn)顟B(tài)稍差的設(shè)備處于失控狀態(tài)，導(dǎo)致運(yùn)行事故的風(fēng)險增加。檢修周期可以調(diào)整，但必須依據(jù)設(shè)備狀態(tài)來進(jìn)行而且是雙向的。一般的調(diào)整方法是，先將動車組按運(yùn)行線路、設(shè)備類型、制造商、運(yùn)行年數(shù)等分類，然后統(tǒng)計各子類的缺陷檢出率、平均無故障時間等可靠性指標(biāo)，合并指標(biāo)接近的子類，最后根據(jù)指標(biāo)的優(yōu)劣給出基準(zhǔn)檢修周期的調(diào)整策略，成為本地實(shí)際實(shí)施的例行試驗周期。在基準(zhǔn)檢修周期調(diào)整中應(yīng)注意的是：各路局應(yīng)實(shí)事求是，在充分評估設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ)上做出基準(zhǔn)周期的調(diào)整策略，不要簡單地做出延長或縮短的決定；調(diào)整后的例行試驗的周期不能超過基準(zhǔn)周期的1.5倍；調(diào)整的權(quán)限應(yīng)該在路局一級。建議基準(zhǔn)檢修周期調(diào)整為每5年進(jìn)行一次。

3.2 具體設(shè)備試驗周期的調(diào)整

前述基準(zhǔn)檢修周期的調(diào)整是針對一類全體設(shè)備的一種宏觀的調(diào)整，是基于全體設(shè)備或其子類的平均狀態(tài)。在實(shí)際執(zhí)行中，具體設(shè)備的狀態(tài)總會有差異，狀態(tài)好的設(shè)備其周期可以再延長，相反，狀態(tài)不良的設(shè)備其周期則應(yīng)縮短。為了使周期調(diào)整建立在更加科學(xué)的依據(jù)上，應(yīng)把不良工況和巡檢反映出的設(shè)備運(yùn)行情況，以及由家族缺陷反映出的設(shè)備可靠性情況也考慮進(jìn)來，而不是簡單地強(qiáng)調(diào)試驗數(shù)據(jù)。狀態(tài)好的設(shè)備可以在已調(diào)整的例行試驗周期上再延長1個年度，是因為設(shè)備在經(jīng)歷了較長時間的連續(xù)運(yùn)行之后，需要下車進(jìn)行一次例行試驗，以便重新評價其狀態(tài)。另一方面，狀態(tài)不良的設(shè)備則不能再按周期進(jìn)行試驗，而是需要提前或盡快安排試驗，此種情況下，試驗的項目也不限于例行試驗?？傊?，提前時長應(yīng)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)酌情處置。

滿足下列各項條件的設(shè)備，可認(rèn)定為狀態(tài)好的設(shè)備：(1)巡檢中未見可能危及該設(shè)備安全運(yùn)行的任何異常；(2)帶電檢測(如有)顯示設(shè)備狀態(tài)良好；(3)上次例行試驗與其前次例行(或交接)試驗結(jié)果相比無明顯差異；(4)沒有任何可能危及設(shè)備安全運(yùn)行的家族缺陷；(5)上次例行試驗以來沒有經(jīng)受嚴(yán)重的不良工況。

其中第(3)項需重點(diǎn)分析最近3次的試驗結(jié)果和最近3年的帶電試驗結(jié)果，分析的要點(diǎn)是試驗數(shù)據(jù)接近注意值或警示值的程度和趨勢，有經(jīng)驗的工程師可以勝任這一工作。

出現(xiàn)以下情形之一的設(shè)備，應(yīng)認(rèn)定為狀態(tài)不良的設(shè)備：(1) 巡檢中發(fā)現(xiàn)有異常，此異?？赡苁侵卮筚|(zhì)量隱患所致；(2)帶電檢測(如有)顯示設(shè)備狀態(tài)不良；(3)以往的例行試驗有朝著注意值或警示值方向發(fā)展的明顯趨勢，或者接近注意值或警示值；(4)存在重大家族缺陷；(5)經(jīng)受了較為嚴(yán)重不良工況，不進(jìn)行試驗無法確定其是否對設(shè)備狀態(tài)有實(shí)質(zhì)性損害。

其中第(1)項主要針對不提前或盡快處置的可能發(fā)展為運(yùn)行事故的巡檢異常情況，如內(nèi)部異常放電聲等，一般異常，若對設(shè)備狀態(tài)沒有現(xiàn)實(shí)威脅，可等待例行試驗時再處置；第(2)項主要是看設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢，并參考注意值和警示值的處置原則；第(3)項與認(rèn)定狀態(tài)好的設(shè)備檢測第(3)項的原則一致;第(4)項是指其“同設(shè)計、或/和同材質(zhì)、或/和同工藝”的其他設(shè)備出現(xiàn)了設(shè)計、材質(zhì)、工藝缺陷，而且這種缺陷事關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，必須盡快處置的情形；第(5)項目前主要針對牽引主變壓器和斷路器。

3.3 具體設(shè)備試驗項目的調(diào)整

對于大部分情況，只需要進(jìn)行例行試驗，但每次下車?yán)性囼炃靶枰u估哪些設(shè)備應(yīng)該進(jìn)行診斷性試驗,也可以根據(jù)本次下車?yán)性囼灥慕Y(jié)果選擇進(jìn)行部分診斷性試驗。

3.4 停運(yùn)下車試驗計劃

由于周期的調(diào)整，可能使同一停運(yùn)下車間隔中的設(shè)備有不同的周期，這就需要統(tǒng)籌安排，而不能機(jī)械地執(zhí)行。若由于時間限制需對停運(yùn)下車試驗計劃進(jìn)行調(diào)整時，要優(yōu)先保證依據(jù)本導(dǎo)則需要縮短周期的部分設(shè)備，放寬可延長周期的部分設(shè)備；若下車時間的瓶頸不是試驗，則盡可能擴(kuò)大試驗的設(shè)備范圍。此外，平時做好試驗的預(yù)案，只要有停運(yùn)下車機(jī)會就應(yīng)按下列優(yōu)先次序安排試驗：(1)巡檢、帶電檢測、在線監(jiān)測等發(fā)現(xiàn)異常的設(shè)備；(2)有家族缺陷的設(shè)備；(3)經(jīng)受了不良工況的設(shè)備；(4)惡劣天氣下放電強(qiáng)烈的設(shè)備；(5)年度內(nèi)需要進(jìn)行例行試驗的設(shè)備。

4 預(yù)防性導(dǎo)則的應(yīng)用

4.1 設(shè)備巡檢

在設(shè)備運(yùn)行期間，按規(guī)定的巡檢內(nèi)容和巡檢周期對各類設(shè)備進(jìn)行巡檢，巡檢內(nèi)容還應(yīng)包括設(shè)備技術(shù)文件特別提示的其他巡檢要求。巡檢情況應(yīng)有書面或電子文檔記錄。在進(jìn)入夏季雷雨季節(jié)和冬季霧霾季節(jié)前應(yīng)對車頂高壓設(shè)備加強(qiáng)巡檢,新投運(yùn)的設(shè)備、對核心部件或主體進(jìn)行解體性檢修后重新投運(yùn)的設(shè)備宜加強(qiáng)巡檢。

4.2 試驗分類和說明

狀態(tài)檢修試驗分為例行試驗和診斷性試驗。例行試驗通常按周期進(jìn)行，診斷性試驗只在診斷設(shè)備狀態(tài)時根據(jù)情況有選擇地進(jìn)行。

(1) 若存在設(shè)備技術(shù)文件要求但導(dǎo)則未涵蓋的檢查和試驗項目，按設(shè)備技術(shù)文件要求進(jìn)行，若設(shè)備技術(shù)文件要求與導(dǎo)則要求不一致，按嚴(yán)格的一方執(zhí)行。

(2) 新設(shè)備投運(yùn)滿1至2年應(yīng)進(jìn)行例行試驗。對核心部件或主體進(jìn)行解體性檢修后重新投運(yùn)的設(shè)備，可參照新設(shè)備要求執(zhí)行。

(3) 備用設(shè)備投運(yùn)前應(yīng)對其進(jìn)行例行試驗；若更換的是新設(shè)備，投運(yùn)前應(yīng)按交接試驗要求進(jìn)行試驗。

(4) 除特別說明，所有電容和介質(zhì)損耗因數(shù)一并測量的試驗，試驗電壓均為10 kV。

(5) 在進(jìn)行與環(huán)境溫度、濕度有關(guān)的試驗時，除專門規(guī)定的情形之外，環(huán)境相對濕度不宜大于80%，環(huán)境溫度不宜低于5 ℃，絕緣表面應(yīng)清潔、干燥。

4.3 設(shè)備狀態(tài)量的評價和處置原則

設(shè)備狀態(tài)的評價應(yīng)該基于巡檢及例行試驗、診斷性試驗、在線監(jiān)測、帶電檢測、家族缺陷、不良工況等狀態(tài)信息，包括其現(xiàn)象強(qiáng)度、量值大小以及發(fā)展趨勢，結(jié)合與同類設(shè)備的比較，做出綜合判斷。

有注意值要求的狀態(tài)量，若當(dāng)前試驗值超過注意值或接近注意值的趨勢明顯，對于正在運(yùn)行的設(shè)備應(yīng)加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測；對于停電設(shè)備，如懷疑屬于嚴(yán)重缺陷，不宜投入運(yùn)行。

4.4 基于設(shè)備狀態(tài)的周期調(diào)整

導(dǎo)則給出的基準(zhǔn)周期適用于一般情況。對于例行試驗，其周期可以依據(jù)設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行線路、動車組類型等特點(diǎn)，在基準(zhǔn)周期的基礎(chǔ)上酌情延長或縮短，調(diào)整后的周期(三級檢修)一般不小于1年，也不大于導(dǎo)則所列基準(zhǔn)周期的1.5倍。

4.4.1 可延遲試驗的條件

符合以下各項條件的設(shè)備，例行試驗可以在周期調(diào)整后的基礎(chǔ)上延遲1個年度(1個三級修程)：(1)巡檢中未見可能危及該設(shè)備安全運(yùn)行的任何異常；(2)帶電檢測(如有)顯示設(shè)備狀態(tài)良好；(3)上次例行試驗與其前次例行(或交接)試驗結(jié)果相比無明顯差異；(4)沒有任何可能危及設(shè)備安全運(yùn)行的家族缺陷；(5)上次例行試驗以來，沒有經(jīng)受嚴(yán)重的不良工況。

4.4.2 需提前試驗的情形

有下列情形之一的設(shè)備，需提前或盡快安排例行或/和診斷性試驗：(1)巡檢中發(fā)現(xiàn)有異常，此異?？赡苁侵卮筚|(zhì)量隱患所致；(2)帶電檢測(如有)顯示設(shè)備狀態(tài)不良；(3)以往的例行試驗有朝著注意值或警示值方向發(fā)展的明顯趨勢，或者接近注意值或警示值；(4)存在重大家族缺陷；(5)設(shè)備曾在較為嚴(yán)重不良工況下工作，不進(jìn)行試驗無法確定其是否對設(shè)備狀態(tài)有實(shí)質(zhì)性損害。

如初步判定設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行有風(fēng)險，則不論是否到期，都應(yīng)列入最近的年度試驗計劃，情況嚴(yán)重時，應(yīng)盡快退出運(yùn)行，進(jìn)行試驗。

4.4.3 解體性檢修的適用原則

存在下列情形之一的設(shè)備，需要對設(shè)備核心部件或主體進(jìn)行解體性檢修，不適宜解體性檢修的應(yīng)予以更換：(1)例行或診斷性試驗表明存在重大缺陷的設(shè)備；(2)受重大家族缺陷警示，為消除隱患，需對核心部件或主體進(jìn)行解體性檢修的設(shè)備；(3)依據(jù)設(shè)備技術(shù)文件之推薦或運(yùn)行經(jīng)驗，需對核心部件或主體進(jìn)行解體性檢修的設(shè)備。