和諧型機車高壓電纜總成炸裂故障分析及預(yù)防措施研究

鄧曉玲，李華夏

（天津電力機車有限公司，天津 300452）

和諧型機車25kV高壓電纜總成用于在單相交流25kV/50Hz制式下，實現(xiàn)車頂受電弓等高壓電器設(shè)備與車下主變壓器高壓端的電氣連接，構(gòu)成機車牽引供電電路。高壓電纜總成固定安裝在機車車頂、機車機械間側(cè)墻及車下等部位，由高壓電纜、預(yù)制式戶外終端、T型連接器等組成。目前，和諧型機車高壓電纜總成常用結(jié)構(gòu)形式有如下幾種，如圖1所示。

圖1 高壓電纜結(jié)構(gòu)形式

上述第一種高壓電纜總成主要包括戶外終端（電纜穿墻絕緣子）、高壓電纜、T型連接器，為整體式高壓電纜總成，主要運用于HXD3、HXD2C等機車；第二種高壓電纜總成主要包括戶外終端、高壓電纜、戶內(nèi)終端；第三種高壓電纜總成主要包括戶內(nèi)終端、高壓電纜、T型連接器，部分車型是通過第二種和第三種高壓電纜總成組合連接機車牽引供電電路，主要運用于HXD3C、HXD3B、HXD3D等機車。

1 高壓電纜總成基本結(jié)構(gòu)

1.1 預(yù)制式終端

預(yù)制式終端采用先進技術(shù)與工藝，結(jié)合鐵路應(yīng)用的實際工況，選用進口優(yōu)質(zhì)硅橡膠原料，其主要優(yōu)點是材料性能優(yōu)良，安裝更簡便快捷，無需加熱即可安裝，彈性好，使得界面性能得到極大改善，是中壓以及高壓采用的主要形式，可滿足約20年的使用壽命，避免了熱縮式終端因天氣、溫度、機車振動等對總成壽命造成影響。

還有一種熱縮式電纜終端，但預(yù)制式終端電纜附件與電纜之間是由不同材質(zhì)的材料組合而成。熱縮式電纜終端是由應(yīng)力管、絕緣管、傘裙分別加熱收縮在電纜絕緣上，這樣至少存在2個界面：熱縮管與電纜絕緣之間的界面、不同熱縮管之間的界面。電纜不是一直通電，即使通電，電流也會有變化，這就造成電纜溫度有變化，存在“熱脹冷縮”現(xiàn)象。熱縮管（熱縮管的基材是塑料）與電纜絕緣（乙丙橡膠）的收縮率不一樣，經(jīng)過長期的“熱脹冷縮”，難免在界面之間出現(xiàn)間隙。而預(yù)制式電纜終端在高壓電纜總成原造單位即將應(yīng)力錐、增強絕緣、傘裙做成一體，現(xiàn)場套裝在剝切好的電纜絕緣上，這樣界面減少為1個。另外，預(yù)制式電纜終端（硅橡膠）與電纜絕緣（乙丙橡膠）的收縮率基本一致，并且預(yù)制式電纜終端與電纜絕緣之間有過盈，預(yù)制式電纜終端將始終對電纜絕緣有向內(nèi)的抱緊力，確保界面之間不存在空隙。故預(yù)制式終端電纜總成產(chǎn)品的壽命可大大延長，遠超過使用熱縮式終端的使用壽命。

1.2 T型連接器

高壓電纜總成T型連接器采用Nexans公司進口產(chǎn)品，最高工作電壓為42kV，技術(shù)性能滿足TB/T3444-2016的標準要求，其接口標準為能夠根據(jù)牽引變壓器套管的接口標準配套的C型外錐式套管或E型外錐式套管，如圖2所示，且高壓電纜總成在安裝時須保證T連接器接口類型與牽引變壓器A端子的一致性。

圖2 T型連接器接口

1.3 高壓電纜

高壓電纜采用EPR絕緣的機車車輛專用電力電纜，其技術(shù)性能滿足GB/T12706.3-2008的標準規(guī)定，高壓電纜截面規(guī)格為95～240mm2，電纜外護套為紅色或者黑色。

由于高壓電纜主要依靠主絕緣層（EPR絕緣層）絕緣。外皮（護套）的輕微劃傷（深度不超過1mm）不影響電纜的性能，也不會對電纜總成的運行造成影響。且外絕緣的絕緣等級較高，一般不易出現(xiàn)擊穿放電現(xiàn)象。高壓電纜截面如圖3所示。

圖3 高壓電纜截面圖

高壓電纜本身是標準的圓柱形電容器，導(dǎo)體線芯與金屬屏蔽層構(gòu)成電容器的兩極。耐壓試驗時，試驗臺一端接電纜線芯，一端接金屬屏蔽層，測出的電流即為電纜的無功電流。電纜總成長度的增加，無功電流相應(yīng)增加，這就要求耐壓試驗臺具有相匹配的容量。

電纜結(jié)構(gòu)上的所謂“屏蔽”，實質(zhì)上是一種改善電場分布的措施。電纜導(dǎo)體由多根導(dǎo)線絞合而成，它與絕緣層之間易形成間隙，導(dǎo)體表面不光滑，會造成電場集中。在導(dǎo)體表面加一層半導(dǎo)電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的導(dǎo)體等電位并與絕緣層良好接觸，從而避免在導(dǎo)體與絕緣層之間發(fā)生局部放電，這一層屏蔽為內(nèi)屏蔽層；同樣在絕緣表面和護套接觸處也可能存在間隙，是引起局部放電的因素，故在絕緣層表面加一層半導(dǎo)電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的絕緣層有良好接觸，與金屬護套等電位，從而避免在絕緣層與護套之間發(fā)生局部放電，這一層屏蔽為外屏蔽層；沒有金屬護套的擠包絕緣電纜，除半導(dǎo)電屏蔽層外，還要增加用銅帶或銅絲繞包的金屬屏蔽層，這個金屬屏蔽層的作用，在正常運行時通過電容電流；當系統(tǒng)發(fā)生短路時，作為短路電流的通道，保護高壓電器部件，同時也起到屏蔽電場的作用。

高壓電纜總成的結(jié)構(gòu)形式及其在機車上高電壓的運用環(huán)境，決定了高壓電纜總成各部分需要具備較高的密封性，對高壓電纜總成的制造工藝，各部分的選型選材、檢修工藝都有較高的要求，否則，在運用過程中，很容易因高壓電纜總成某部分的炸裂電蝕而造成機車故障。

2 高壓電纜總成炸裂故障

2.1 高壓電纜總成炸裂故障事故一

2018年1月，一輛和諧型電力機車，在某折返所內(nèi)升弓閉合主斷后，接觸網(wǎng)跳閘，檢查機車T型頭放電燒損，機車車頂及其他部件均正常，外觀檢查機車主變壓器T型頭有放電現(xiàn)象，解體T型頭檢查主變壓器A端子表面有爬電灼燒痕跡，T型靴套受熱輕微變形，該機車新造后走行1294387km；2015年2月，由某檢修單位進行C5級檢修后走行422141 km。

2.2 高壓電纜總成炸裂故障事故二

2019年1月，一輛和諧型電力機車，在某折返所內(nèi)升弓閉合主斷后，接觸網(wǎng)跳閘。外觀檢查機車主變壓器T型頭有放電現(xiàn)象，解體T型頭檢查主變壓器A端子表面有爬電灼燒痕跡，T型靴套受熱輕微變形?，F(xiàn)象與故障一機車燒損現(xiàn)象相同。該機車新造后走行1945119 km；2015年2月，由某檢修單位進行C5級檢修后走行384709 km。

3 故障原因分析及預(yù)防改進措施

3.1 故障原因分析

對上述兩起發(fā)生T型頭放電燒損的和諧型電力機車，檢查車頂及其部件均正常，變壓器油取樣化驗，常規(guī)分析數(shù)據(jù)合格，色譜分析數(shù)據(jù)正常，且故障機車均運行3年左右，所以故障原因可能是在機車長時間運用過程中，T型頭內(nèi)部進入雜質(zhì)或潮氣，灰塵經(jīng)過縫隙進入橡膠絕緣套內(nèi)，導(dǎo)致在堵頭表面發(fā)生大電流爬電導(dǎo)致燒損。

故產(chǎn)生T型頭放電燒損的故障原因可能為T型頭制造質(zhì)量問題而導(dǎo)致內(nèi)部存在間隙，堵頭和T型頭內(nèi)部存在雜質(zhì)，或者在檢修安裝過程中由于安裝不當導(dǎo)致絕緣套管和堵頭中產(chǎn)生一些縫隙，長時間運用導(dǎo)致雜質(zhì)和潮氣進入T型頭，機車在庫內(nèi)升弓后突然發(fā)生大電流爬電而導(dǎo)致T型頭放電燒損。

3.2 預(yù)防改進措施

3.2.1 預(yù)防措施

（1）機車新造單位在安裝T型頭連接器過程中，嚴格按照其工藝進行安裝，堵頭及雙頭緊固螺栓必須使用酒精進行清洗，安裝過程中安裝人員必須佩戴專用的橡膠手套并保持工具及安裝環(huán)境的清潔，做好防塵措施，避免二次污染。

（2）在安裝過程中注意堵頭和橡膠套管的硅膠涂抹，避免在接線端子表面出現(xiàn)硅膠從而無法保持清潔。

（3）結(jié)合機車大修修程，清潔終端和T型連接器的表面時，可用干凈的純棉布或紙巾，必要時蘸取丙酮或無水酒精進行清潔，嚴禁用表面粗糙或尖利的物品進行清潔，以免劃傷其表面。高壓電纜總成檢修時指派專人檢查T型連接器外表面是否存在異?；虬l(fā)熱跡象，檢查堵頭的緊固力矩是否符合高壓電纜總成設(shè)計要求。由于T型連接器必須在現(xiàn)場完成最后裝配，在安裝完成后第一次上電時，一定要注意觀察T型連接器終端是否有電氣閃絡(luò)現(xiàn)象，如果發(fā)生閃絡(luò)立即停止使用。當主變壓器檢修需拔下T型連接器時，拔下后應(yīng)用清潔的布或塑料袋做好包扎防護。檢查高壓電纜各線卡是否有松動，防止運行中電纜跳動造成磨損。檢查接地線接地是否牢固、編織銅線壓接線頭處是否有銅線折斷、高壓線連接處螺母是否有松動，若有應(yīng)按照規(guī)定力矩及時緊固。

（4）高壓電纜總成尤其是熱縮式車頂終端在運用、安裝過程中由于機車晃動、安裝不當?shù)仍蚝苋菀装l(fā)生終端內(nèi)部與電纜之間、電纜各界面之間產(chǎn)生間隙，長期運用很容易發(fā)生車頂終端炸裂，對車頂終端及頂端螺桿的安裝都提出了更高的要求，采用終端螺桿連接處緊固時，終端根部電纜卡控的原則，避免造成車頂終端內(nèi)部與電纜外界面剝離產(chǎn)生間隙。

（5）導(dǎo)致高壓電纜總成高壓擊穿的主要原因多為內(nèi)部擊穿。檢查內(nèi)部絕緣是否良好的一個有效辦法是進行局部放電試驗，當局部放電值小于一定值時，可以認為高壓電纜總成內(nèi)絕緣良好。一般要求在1.5倍標稱電壓下局部放電值小于5pC。

所以，在機車檢修過程中，為更好的掌控高壓電纜總成內(nèi)部絕緣狀態(tài)，結(jié)合機車大修修程，對高壓電纜總成增加局部放電實驗要求，通過施加在高壓電纜總成上1.5U0的電壓，檢測其局部放電量是否大于5pC，進而評估整個高壓電纜總成的電氣絕緣性能。

3.2.2 改進措施

高壓電纜總成T型連接器與高壓電纜套裝后，會形成應(yīng)控管與電纜和應(yīng)控管與T型靴套2個界面，如圖4所示的2個界面。一般高壓電纜總成應(yīng)控管與電纜界面進行防水密封處理，而應(yīng)控管與T型靴套界面均不要求處理，這樣便于T型靴套插拔及與主變壓器A端子固定安裝。而受機車振動、冷熱變換等因素影響，T型靴套與應(yīng)控管部位密封性能下降，水氣和粉塵等進入應(yīng)控管與T型頭靴套間隙，在T型靴套與應(yīng)控管接合界面就會出現(xiàn)不間斷放電，破壞絕緣，累積一定程度就會導(dǎo)致T型連接器燒損。

為避免此類問題，增強T型靴套與應(yīng)控管防水密封性能，在高壓電纜原有密封的基礎(chǔ)上，用高壓熱縮管覆蓋，見圖4中的件2，使高壓電纜與T型連接器形成一個整體，減少界面，降低高壓電纜總成在運用過程中產(chǎn)生間隙的概率，從而切實降低高壓電纜總成炸裂的風險。

圖4 T型連接器安裝各結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

高壓電纜總成作為機車高壓電路電氣連接的重要部件，有其特殊的結(jié)構(gòu)形式及組成部分，任一部分發(fā)生故障，都會直接影響機車運用及安全性能，所以，結(jié)合機車實際運用工況及故障分析，對高壓電纜總成結(jié)構(gòu)、各部分參數(shù)進行研究，對高壓電纜T型連接器與牽引變壓器連接配合進行研究，結(jié)合實際運用總結(jié)的高壓電纜總成預(yù)防措施及改進建議，對改進現(xiàn)行機車高壓電纜總成制造、安裝、檢修及維護工藝，提高機車運用安全性能至關(guān)重要。