CR400BF、CR300BF平臺動車組22CBCKE型主斷路器接地觸頭放電燒損問題的分析及對策

楊四海

（上海動車段，上海 201803）

2019年9月~2021年10月，CR400BF、CR300BF平臺動車組運(yùn)營期間共計(jì)發(fā)生8起22CBCKE型主斷路器接地觸頭放電燒損故障，如圖1所示。

圖1 主斷路器放電故障圖

2020年05月31日，某局CR400BF動車組列車出分相合主斷瞬間，03車報(bào)代碼【33E8】（高壓控制單元1觸發(fā)線電流過流保護(hù)）、【33F2】（高壓控制單元2觸發(fā)線電流過流保護(hù)），主斷路器斷開并手動降弓停車，切除01車~08車高壓設(shè)備，升11車受電弓單弓開車，區(qū)間臨停13 min。

2021年07月12日，某局CR300BF動車組運(yùn)行至平安驛—西寧區(qū)間（海拔約2 261 m，環(huán)境溫度12~27℃），CR300BF動車組06車自動降弓，報(bào)故障代碼【3013】（升弓單元接地）。13時16分停車，隨車機(jī)械師查看視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)CR300BF動車組06車受電弓有放電現(xiàn)象，換升03車受電弓開車，區(qū)間臨停6 min。

1 故障分析及試驗(yàn)

1.1 現(xiàn)車調(diào)查分析情況

選取CR400BF動車組03車主斷路器接地觸頭放電燒損故障作為案例進(jìn)行調(diào)查分析。

1.1.1數(shù)據(jù)分析情況

下載并查看03車HVCU數(shù)據(jù)，顯示06時13分16秒，03車接收到板卡硬保護(hù)類型指令，HVCU1和HVCU2觸發(fā)變壓器入口電流保護(hù)，線電流互感器記錄到當(dāng)時的網(wǎng)流峰值為65 462 A，網(wǎng)流峰值實(shí)際值最大達(dá)1 309 A，超出報(bào)警閾值1 300 A。

1.1.2高壓部件檢查情況

CR400BF動車組回庫登頂檢查，03車高壓箱外觀及受電弓狀態(tài)無異常，受電弓碳滑板存在放電灼損痕跡；打開03車高壓箱，檢查03車高壓箱內(nèi)各高壓部件，高壓箱內(nèi)部無水跡及可見異物，箱體頂蓋、側(cè)壁、接地開關(guān)和主斷路器外表面等部位存在明顯放電痕跡，主斷路器接地觸頭、底座吊裝螺紋孔、箱體側(cè)壁和接地開關(guān)轉(zhuǎn)臂有明顯電蝕點(diǎn)；檢查03車主變壓器T型頭及輸入輸出高壓電纜、CT 2變壓器原邊電流互感器外觀狀態(tài)無異常。

1.1.3調(diào)查小結(jié)

結(jié)合各鐵路局發(fā)生的8起故障調(diào)查和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時刻均為車組閉合主斷路器瞬間，弓網(wǎng)之間發(fā)生放電現(xiàn)象；故障高壓箱內(nèi)主斷路器輸入側(cè)的接地觸頭均存在明顯的放電燒損情況；長編、重聯(lián)車組也是高壓箱內(nèi)放電的影響因素之一。

1.2 地面調(diào)查分析情況

1.2.1高壓箱結(jié)構(gòu)說明

復(fù)興號平臺動車組高壓箱在相對密閉的空間內(nèi)集成有主斷路器、接地開關(guān)、高壓隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器等，如圖2所示［1］。

圖2 高壓箱組成結(jié)構(gòu)

1.2.2高壓箱或部件自身絕緣能力分析

（1）絕緣材料的絕緣性能分析

高壓箱內(nèi)部采用空氣和GPO-3絕緣板為主的復(fù)合絕緣方式，以滿足絕緣耐壓要求，雷電沖擊耐受電壓170 kV。高壓箱內(nèi)的絕緣材料主要有硅橡膠絕緣子、GPO絕緣板及涂有RTV涂料的玻璃鋼頂蓋［2］。

對CR400BF動車組03車故障高壓箱進(jìn)行雷電沖擊電壓測試，177 kV時無擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生?？梢娫陧斏w隔音棉碳化、絕緣子等絕緣材料表面狀態(tài)不佳的情況下，高壓箱仍能夠承受170 kV雷電沖擊耐受電壓。

拆解故障高壓箱內(nèi)的絕緣板進(jìn)行耐壓測試，施加工頻56 kV，持續(xù)時間85 s，絕緣板未發(fā)生擊穿損傷。

上述試驗(yàn)結(jié)果分析，高壓箱整體絕緣性能仍滿足設(shè)計(jì)要求，絕緣材料的絕緣性能未下降。

（2）主斷路器絕緣水平及性能分析

檢查CR400BF動車組故障主斷路器外觀，極間存在明顯的燒蝕痕跡，對其極間和高壓對地均按新造標(biāo)準(zhǔn)（極間85 kV/min、高壓對地100 kV/min）進(jìn)行工頻耐壓測試，無閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象。

對該故障主斷路器進(jìn)行絕緣性能、動作特性等例行試驗(yàn)檢測，并與新造出廠時的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表

對主斷路器進(jìn)行逐步解體檢查：①拆下真空斷路器底板，檢查氣路、電路接頭及輔助觸點(diǎn)狀態(tài)，無松動破損等異?，F(xiàn)象。②拆下傳動氣缸組件，檢查傳動桿位置，無傾斜，位置正常。③拆解超程彈簧及復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)，零部件安裝位置正常，無松動或卡滯等現(xiàn)象及痕跡。④拆解上絕緣子單元，取出真空包，檢查真空包的外觀狀態(tài)正常，無破損或開裂等異?，F(xiàn)象。對真空包進(jìn)行真空度檢測結(jié)果為2.64×10-4Pa，滿足≤9.99×10-4Pa的標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過地面試驗(yàn)及故障件拆解，高壓箱內(nèi)絕緣材料、主斷路器絕緣性能均滿足新造標(biāo)準(zhǔn)要求，可排除高壓箱或部件自身絕緣能力下降導(dǎo)致主斷接地觸頭對地放電。

1.2.3放電路徑分析

通過對高壓箱內(nèi)部件對地電氣間隙測量及分析，同一高壓端的主斷路器輸入側(cè)對地電氣間隙為310 mm，小于主斷接地觸頭對接地臂及箱體的電氣間隙，可見放電路徑并非最短電氣間隙；高壓對絕緣頂蓋的距離中，跳線電纜對頂蓋的距離為147 mm，小于主斷路器接地觸頭與頂蓋的距離，可見放電位置距離頂蓋同樣并非最短距離，放電路徑均為主斷極間、主斷輸入端接地觸頭高壓對地（地包括接地臂、箱體側(cè)壁及基座板）［3］。

1.2.4操作過電壓影響分析

（1）接觸網(wǎng)過電壓分析

對接觸網(wǎng)電壓波形分析，接觸網(wǎng)電壓存在大量諧波疊加，動車組運(yùn)行的接觸網(wǎng)諧波含量較多的情況下，實(shí)測的峰值過電壓將達(dá)到59.8 kV，在實(shí)際動車組運(yùn)行過程中，很可能存在高于59.8 kV的過電壓峰值。

（2）變壓器側(cè)過電壓分析

主斷路器接地觸頭放電故障發(fā)生在動車組出分相區(qū)，主斷路器閉合瞬間。根據(jù)動車組型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，變壓器原邊操作過電壓允許值不超過網(wǎng)壓值2.4倍，參考CR400BF-0503動車組的整車型式試驗(yàn)報(bào)告，實(shí)際測得的合閘瞬間操作過電壓最大為1.5倍，對應(yīng)峰值為27.5×1.414×1.5=58 kV［4］。

（3）極間過電壓擊穿放電分析

主斷路器在合閘后的暫態(tài)過程中，回路中將發(fā)生高頻振蕩，振蕩頻率遠(yuǎn)大于電源頻率?？紤]最嚴(yán)重情況，即在電壓幅值最高值時合閘，操作過電壓將達(dá)到2倍過電壓，由于回路中存在損耗，實(shí)際振蕩過程中電壓要低于2倍過電壓。主斷路器合閘后可能出現(xiàn)彈跳，如果動靜觸頭分開后，觸頭之間的操作過電壓產(chǎn)生相位差，按上述變壓器側(cè)過電壓型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)和接觸網(wǎng)實(shí)測過電壓數(shù)據(jù)分析，主斷路器極間的過電壓可能會疊加到117.8 kV（59.8 kV+58 kV）。而動車組主斷合閘瞬間的操作過電壓幅值具有隨機(jī)性，其大小與當(dāng)時接觸網(wǎng)網(wǎng)壓、諧波及合閘時刻網(wǎng)壓相位等因素有關(guān)，實(shí)際主斷極間的操作過電壓可能會更高［4］。

（4）主斷路器極間耐受能力分析

對主斷路器極間進(jìn)行工頻電壓極限耐受能力測試，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，對應(yīng)峰值約為140 kV。

（5）過電壓導(dǎo)致直接對地放電分析

考慮到主斷路器后端的電纜長度較短，主要為變壓器的感性負(fù)載，在主斷路器合閘及彈跳過程中，主觸頭易發(fā)生重燃和振蕩，導(dǎo)致操作過電壓較高，并在主觸頭彈跳過程中將過電壓傳遞至輸入端接地觸頭，由于接地觸頭位置場強(qiáng)較集中，過電壓導(dǎo)致電暈放電更劇烈，空氣電離范圍擴(kuò)大，在高壓箱密閉的小空間內(nèi)造成高壓對地放電故障。

根據(jù)操作過電壓靜態(tài)測試結(jié)果可知，長編、重聯(lián)車組閉合主斷時會在短時間內(nèi)出現(xiàn)2次操作過電壓，二次沖擊更容易引發(fā)空氣擊穿，因此長編、重聯(lián)車組二次操作過電壓是誘發(fā)主斷接地觸頭對地放電的原因之一。

1.2.5箱內(nèi)空氣絕緣水平分析

（1）箱內(nèi)溫度分析

高壓箱為相對密閉空間，為驗(yàn)證箱內(nèi)溫度變化對絕緣性能的影響，分別在箱內(nèi)溫度29℃和56℃情況下對高壓箱施加雷電沖擊電壓［5］。

①箱內(nèi)溫度29℃情況下，雷電沖擊擊穿電壓為186 kV。

②箱內(nèi)溫度56℃情況下，雷電沖擊擊穿電壓為176 kV。

因此，在箱內(nèi)溫度56℃的情況下，高壓箱仍滿足雷電沖擊電壓170 kV的設(shè)計(jì)要求，但溫度升高會導(dǎo)致絕緣性能下降。

（2）海拔升高對絕緣水平的影響分析

針對CR300BF型動車組發(fā)生的3起高壓箱主斷輸入端接地觸頭放電故障，經(jīng)調(diào)查故障區(qū)間為不同供電臂。CR300BF動車組故障發(fā)生地點(diǎn)為西寧站前方，海拔約2 261 m，CR300BF-3001、3018動車組故障發(fā)生地點(diǎn)為河口南站附近，海拔約1 560 m。污閃電壓Uf（p）隨著氣壓p而變化為式（1），空氣間隙存在類似的規(guī)律［6］：

式中：Uf（p）為氣壓p條件下所對應(yīng)的污閃電壓；Uf（p0）為氣壓p0所對應(yīng)的污閃電壓；海拔高度0 m時p0=101.3 kPa，海拔高度2 200 m時p=76.2 kPa，海拔高度1 500 m時p=84 kPa；交流電壓下的特征指數(shù)n=0.5。

CR300BF型動車組發(fā)生接地觸頭放電故障均發(fā)生在海拔相對較高的線路區(qū)間，動車組運(yùn)行高海拔區(qū)間時，海拔升高，氣壓降低，空氣稀薄，導(dǎo)致空氣絕緣水平降低。依據(jù)式（1），海拔2 261 m時絕緣水平下降至91%左右，海拔1 560 m時絕緣水平下降至86%左右。

（3）電暈對絕緣水平的影響分析

①超聲波成像技術(shù)檢測

將箱蓋打開、主斷路器斷開的情況下，在距離接地觸頭約3 m的位置，采用超聲波測試儀，對高壓箱進(jìn)行電暈放電檢測。施加工頻37.5 kV，并逐步升壓至75 kV，并分別記錄37.5、55、60、75 kV下的檢測結(jié)果，如圖3所示。

圖3 超聲波成像檢測結(jié)果

在相同環(huán)境下，電壓逐步升高過程中，斷路器輸入側(cè)接地觸頭處出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象，相對于電纜進(jìn)線端更為明顯。

②紫外成像技術(shù)檢測

將高壓箱蓋合上，拆除避雷器附近的爆破口，采用紫外成像儀在高壓箱附近約1 m位置對高壓箱進(jìn)行電暈放電檢測，記錄不同工頻電壓等級下測試結(jié)果，如圖4所示。

圖4 紫外成像技術(shù)檢測結(jié)果

可見，施加工頻電壓越高，主斷路器輸入側(cè)接地觸頭的電暈放電越劇烈。操作主斷路器動作時，電暈放電現(xiàn)象有向外擴(kuò)散趨勢。

試驗(yàn)驗(yàn)證，高溫、高海拔、電暈3種因素都對空氣絕緣性能產(chǎn)生一定影響，也是誘發(fā)主斷接地觸頭對地放電的原因之一。

1.3 初始技術(shù)要求及驗(yàn)證說明

CR400BF、CR300BF平臺動車組高壓箱設(shè)計(jì)依據(jù)《復(fù)興號動車組采購技術(shù)條件》［2-3］，主回路對地額定沖擊耐受電壓不低于170 kV，工頻耐受電壓不低于75 kV，高壓箱主回路對地電氣間隙均不小于310 mm，能夠滿足電壓耐受要求［2］。

1.4 小結(jié)

動車組主斷路器合閘瞬間，主斷路器接地觸頭極間疊加的操作過電壓過高，導(dǎo)致極間的外絕緣電氣間隙被擊穿，周圍空氣被電離，進(jìn)而造成主斷路器輸入端接地觸頭對箱體及接地轉(zhuǎn)臂放電，同時，由于外部環(huán)境因素影響（高溫、高海拔、電暈），高壓箱內(nèi)空氣絕緣性能下降，也是引發(fā)主斷路器接地觸頭極間放電的故障原因之一。

2 解決對策

2.1 增強(qiáng)主斷路器極間的絕緣性能

優(yōu)化主斷路器接地觸頭結(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適應(yīng)性改進(jìn)，如圖5所示［5］。

2.2 優(yōu)化電極形狀

（1）優(yōu)化主斷路器接地觸頭結(jié)構(gòu)，改善電場均勻性，提升起暈電壓。接地觸頭端部高度降低6 mm，外形邊緣平滑處理，棱邊倒角由2 mm增加至4 mm，如圖6所示。

圖6 接地觸頭優(yōu)化前后形狀對比

（2）優(yōu)化接地開關(guān)轉(zhuǎn)臂外形，對電場集中的外邊緣棱角進(jìn)行倒圓角處理，如圖7所示。

圖7 接地開關(guān)轉(zhuǎn)臂優(yōu)化前后形狀對比

2.3 增強(qiáng)絕緣能力

（1）極間的絕緣擋蓋由金屬折彎板和聚氨樹脂玻璃氈2部分糊制而成，預(yù)埋在聚氨樹脂玻璃氈中的金屬折彎板棱邊處場強(qiáng)較高，電場分布不均勻。優(yōu)化絕緣擋蓋結(jié)構(gòu)，去除擋蓋中預(yù)埋的金屬折彎件，改為GPO-3、樹脂或SMC等材料的全絕緣擋蓋，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后的擋蓋結(jié)構(gòu)形式

（2）將靠近主斷路器接地觸頭的2個固定絕緣板的M 8×40螺釘改為尼龍材質(zhì)，增強(qiáng)絕緣性能，施加緊固膠用于螺釘防松，絕緣帽四周使用D04硅橡膠密封膠進(jìn)行密封，如圖9所示。

圖9 絕緣板固定方式

（3）采用硅橡膠絕緣帽對主斷路器安裝螺栓外露金屬部分進(jìn)行電氣防護(hù)，同時使用尼龍螺釘對主斷路器吊裝螺栓孔進(jìn)行封堵，尼龍螺釘四周使用D04硅橡膠密封膠進(jìn)行密封，如圖10、圖11所示。

圖10 主斷路器吊裝螺栓孔優(yōu)化方案

圖11 主斷路器安裝螺栓孔防護(hù)方案

3 方案驗(yàn)證

（1）對改進(jìn)接地觸頭的主斷路器極間進(jìn)行工頻電壓極限耐受能力測試，在極間施加110 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117 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為110 kV，對應(yīng)峰值約為156 kV。

（2）對改進(jìn)接地觸頭的主斷路器極間進(jìn)行雷電沖擊耐受試驗(yàn)，整改后的主斷路器極間耐受雷電沖擊電壓能夠達(dá)到200 kV以上水平。

（3）分別對主斷路器極間安裝金屬和樹脂糊制擋蓋、安裝全絕緣GPO-3擋蓋2種工況進(jìn)行工頻耐壓極限能力試驗(yàn)，結(jié)果顯示110 kV持續(xù)1 min無擊穿，升壓至117 kV時持續(xù)40 s擊穿。試驗(yàn)得出，采用全絕緣擋蓋能夠提高主斷路器極間的絕緣水平。

4 安全評估

整改方案中，相對于改進(jìn)前，上下接地觸頭形狀更規(guī)則、外形尺寸更小，距離周圍地電位的電氣間隙均略有增加或維持不變；整改方案在未降低其他部位絕緣性能的情況下，加強(qiáng)了主斷路器極間的絕緣能力。

然而，整改方案會導(dǎo)致接地開關(guān)在接地位時，接地夾與接地觸頭的接觸面積會減小，接地開關(guān)的額定電流為400 A，滿足載流要求，對實(shí)際使用不會產(chǎn)生影響。