侯健偉 王俊峰 于金朋 姜 贊

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司 北京 100176)

0 概述

22CB系列真空斷路器適用于鐵路干線交流25 kV下HXD2型、HXD3型等系列電力機(jī)車，它連接在受電弓與主變壓器原邊繞組之間，安裝在機(jī)車頂部或電氣柜內(nèi)部，是機(jī)車總電源的開關(guān)和總保護(hù)電器。當(dāng)斷路器閉合時，機(jī)車通過受電弓從接觸網(wǎng)導(dǎo)線上獲得電源，投入工作；若機(jī)車主電路和輔助電路發(fā)生短路、過載、接地等故障時，故障信號通過相關(guān)控制電路使斷路器自動斷開，切斷機(jī)車總電源，防止故障范圍擴(kuò)大[1]。斷路器閉合與斷開信號必須準(zhǔn)確快速地傳遞給機(jī)車控制系統(tǒng)，其開斷與閉合狀態(tài)信息至關(guān)重要，直接影響機(jī)車的安全運(yùn)行。

1 真空斷路器原理及結(jié)構(gòu)

22CB系列真空斷路器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為單斷口氣缸傳動，采用電控氣動方式。斷路器下絕緣子安裝在基座上，上絕緣子通過法蘭與下絕緣子裝配，作為主電路連接器的真空包安裝在上絕緣子中。真空包與傳動桿相連，傳動桿位于下絕緣子的內(nèi)腔，當(dāng)電磁閥得電時，斷路器閉合，當(dāng)電磁閥失電時，與真空包安裝在一起的彈簧分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)使斷路器斷開，控制原理如圖1所示。斷路器控制和反饋設(shè)備安裝在基座內(nèi)部，斷路器信號反饋機(jī)構(gòu)，裝配在真空斷路器基座內(nèi)部，氣缸活塞與斷路器動觸頭裝配，活塞推桿一端與氣缸活塞裝配，活塞推桿另一端與推板裝配，推板與凸輪板裝配，各個部件保持同步聯(lián)動，這樣將斷路器動觸頭運(yùn)動狀態(tài)同步等量傳遞給凸輪板，當(dāng)其隨動觸頭上下運(yùn)動時，微動開關(guān)自身常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)的換向，即將斷路器機(jī)械動作轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎獾妮o助觸點(diǎn)開合信號輸出至列車控制系統(tǒng)[2]。

圖1 真空斷路器控制原理圖

22CB系列真空斷路器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主體包括下絕緣子、上絕緣子及基座。真空開關(guān)管內(nèi)含動觸頭和靜觸頭，動觸頭通過彈簧機(jī)構(gòu)及傳動桿與活塞連接。斷路器閉合時，電磁閥門得電打開，外界壓縮空氣通過活塞推動動靜觸頭閉合，斷路器斷開時，電磁閥門失電閉合，彈簧復(fù)位推開動觸頭。

1—真空開關(guān)管；2—上絕緣子；3—傳動桿；4—下絕緣子；5—基座；6—電磁閥門；7—活塞；8—彈簧機(jī)構(gòu)；9—動觸頭；10—靜觸頭。圖2 真空斷路器剖面結(jié)構(gòu)圖

22CB系列真空斷路器信號反饋機(jī)構(gòu)如圖3所示，氣缸內(nèi)部的活塞上下運(yùn)動，推拉傳動桿，傳動真空包內(nèi)動觸頭運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)觸頭開合?；钊茥U一端通過螺釘連接活塞，另一端連接推板，凸輪板安裝于推板的卡槽內(nèi)?；钊\(yùn)動時帶動活塞推桿，活塞推桿帶動推板及凸輪板運(yùn)動，凸輪板壓縮和釋放微動開關(guān)的凸輪，觸點(diǎn)換向，輸出開合信號。

1—傳動桿；2—活塞推桿；3—凸輪板；4—微動開關(guān)；5—活塞；6—螺釘；7—?dú)飧?。圖3 真空斷路器信號反饋機(jī)構(gòu)圖

2 典型故障案例分析

下面針對電力機(jī)車用22CB系列真空斷路器典型信號故障案例進(jìn)行分析。

案例一：2019年6月，配屬北京局HXD3D型機(jī)車過分相后真空斷路器未自動閉無牽引施加電制動，牽引輔助復(fù)位后恢復(fù)正常。司機(jī)反饋斷路器再次跳開，機(jī)車自動施加電制動，司機(jī)手動閉合斷路器正常。

車輛回庫后登頂檢查發(fā)現(xiàn)斷路器凸輪板連鎖機(jī)構(gòu)松動，檢查發(fā)現(xiàn)5～8號輔助觸點(diǎn)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)已失效，推桿可晃動且位置已傾斜，1～4號輔助觸點(diǎn)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)正常狀態(tài)(見圖4)。

圖4 斷路器氣缸及輔助聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)

拆卸氣缸，發(fā)現(xiàn)5～8號輔助觸點(diǎn)側(cè)固定推桿的沉頭螺釘松動，松動程度約半扣(見圖5)，進(jìn)一步拆解，將推桿取下，發(fā)現(xiàn)5～8號側(cè)輔助觸點(diǎn)推桿下方的定位銷已經(jīng)斷裂，如圖6所示。

圖5 推桿螺釘松動

圖6 推桿下方定位銷斷裂

真空斷路器故障的原因是連接活塞與5～8號輔助觸點(diǎn)側(cè)推桿的M6×16沉頭螺釘松動，導(dǎo)致推桿隨活塞運(yùn)動過程中定位銷受力而出現(xiàn)斷裂，失去定位銷限位后推桿可在一定幅度內(nèi)轉(zhuǎn)動，造成凸輪板錯位滑出，輔助聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)失效，微動開關(guān)凸輪無法被正常壓縮或釋放，常開常閉觸點(diǎn)無法正常換向輸出信號。

進(jìn)一步分析推桿固定螺釘松動的原因，首先檢查螺釘情況，未見異常，且有密封膠痕跡；然后檢查活塞螺紋孔情況，未見異常，鋼絲螺套狀態(tài)良好；最后檢查推桿沉頭孔情況，發(fā)現(xiàn)推桿沉頭孔的錐面不光滑，存在不同程度的金屬凸起點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 推桿

據(jù)此判斷，真空斷路器出廠時螺釘緊固狀態(tài)為螺釘?shù)某令^錐面與推桿沉頭孔內(nèi)的凸起高點(diǎn)相接觸，隨著斷路器動作，推桿沉頭孔錐面的凸起點(diǎn)在受力摩擦作用下高度降低，從而造成螺釘松動，輔助連鎖機(jī)構(gòu)失效。檢查庫存其他推桿未見凸起現(xiàn)象，推桿為鑄鋼件，沉頭孔為鑄造過程中直接成型，錐面存在凸起點(diǎn)為個別推桿鑄件加工缺陷。

案例二：2016年9月，配屬濟(jì)南機(jī)務(wù)段HXD3C型機(jī)車執(zhí)行牽引任務(wù)。機(jī)車過分相前，司機(jī)發(fā)現(xiàn)自動及手動均無法斷開真空斷路器，因機(jī)車運(yùn)行速度較快，無法在分相區(qū)前停車，越過分相后司機(jī)發(fā)現(xiàn)機(jī)車網(wǎng)壓表顯示為零，立即采取緊急制動措施，機(jī)車停車。停車后匯報段救援技術(shù)人員，按其指示進(jìn)行大復(fù)位處理無效。后請求救援，檢修技術(shù)人員與售后服務(wù)人員到達(dá)現(xiàn)場，上車后閉合蓄電池閘刀，微機(jī)顯示斷路器閉合，狀態(tài)指示燈“主斷分”燈滅，微機(jī)報警“主斷異?！?、“網(wǎng)壓低牽引封鎖”。查看微機(jī)屏記錄有“主斷異?！焙汀熬W(wǎng)壓低牽引封鎖”的故障記錄，無故障恢復(fù)時間。打開高壓室柜門，用萬用表測量斷路器主觸頭對外引出銅排，主觸頭并不導(dǎo)通。打開斷路器低壓控制回路對外連接插頭，用萬用表測試輔助信號輸出插針的導(dǎo)通狀態(tài)，顯示導(dǎo)通。

機(jī)車回段后，將真空斷路器吊下解體檢查，打開斷路器底板，檢查發(fā)現(xiàn)輔助聯(lián)鎖用的微動開關(guān)凸輪在主斷斷開時不到位(見圖8)，即處于掛輪狀態(tài)(未被壓縮也未被釋放)。

圖8 凸輪在主斷路器斷開時掛輪

對真空斷路器進(jìn)一步解體檢查，發(fā)現(xiàn)斷路器主觸頭絕緣推桿與活塞連接處緊固螺栓松動。該螺栓松動，造成斷路器斷開時，主觸頭絕緣推桿無法正常驅(qū)動活塞動作，進(jìn)一步導(dǎo)致安裝在活塞上的輔助聯(lián)鎖驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作不到位，輔助聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)整體失效。

該緊固螺栓根部涂有螺紋密封膠，分析該螺栓松動的原因?yàn)樵撜婵諗嗦菲髟诙隀z下車解體檢修時，檢修工人對螺栓緊固力矩不足，緊固力矩小于要求值，導(dǎo)致該螺栓在斷路器反復(fù)動作后，伴隨列車振動，逐漸松動，無法起到固定作用，導(dǎo)致斷路器斷開后負(fù)責(zé)信號輸出的輔助聯(lián)鎖故障，微機(jī)報警“主斷異?！保仁咕o急制動停車。

案例三：2019年7月，配屬北京局的HXD3D型機(jī)車在運(yùn)行時，微機(jī)顯示變流柜2真空斷路器信號異常。機(jī)車返回機(jī)務(wù)段現(xiàn)場讀取機(jī)車微機(jī)存儲信息，顯示斷路器閉合后反饋給微機(jī)和變流柜1的信號正常，變流柜2大約1 min后才接收到閉合信號，斷路器正常閉合，無閉合反饋信號，更換斷路器后試驗(yàn)正常。

將真空斷路器拆卸返廠后，對其試驗(yàn)測試，分別在77 V、110 V、137.5 V電壓及500 kPa、1 000 kPa排列組合試驗(yàn)條件下閉合斷開斷路器20個周期，斷路器動作正常，1～3號輔助觸點(diǎn)反饋信號正常，4號微動開關(guān)發(fā)生兩次信號閃跳現(xiàn)象，觸點(diǎn)接觸異常。

拆卸微動開關(guān)，逐個測量微動開關(guān)接觸電阻，阻值如表1所示。

表1 微動開關(guān)接觸電阻測量表 /mΩ

S800系列微動開關(guān)接觸電阻阻值要求不超過200 mΩ，測量數(shù)據(jù)顯示1～3號微動開關(guān)阻值在要求范圍內(nèi)，4號微動開關(guān)接觸電阻超限，判斷4號微動開關(guān)觸點(diǎn)接觸不良，導(dǎo)致信號傳輸故障。

3 預(yù)防及改進(jìn)措施

針對案例一，真空斷路器推桿沉頭孔表面的凸起缺陷看似微小，但伴隨著列車長期振動，這種缺陷會不斷累積放大，連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致機(jī)構(gòu)失效的嚴(yán)重后果。改進(jìn)措施為：在推桿澆注成型后，增加沉頭孔斜面打磨工序，保證緊固面平整。此外，零部件檢驗(yàn)是產(chǎn)品生產(chǎn)的重要工序，工廠質(zhì)檢人員須對零部件入廠檢查高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)要求，生產(chǎn)裝配部門須在裝配前嚴(yán)格復(fù)查配料的零部件，這些都是避免缺陷部件流入產(chǎn)品的重要舉措。

針對案例二，電力機(jī)車產(chǎn)品技術(shù)條件對真空斷路器各類型緊固件都有嚴(yán)格的裝配力矩要求，在新造和檢修過程中都有嚴(yán)格的工藝實(shí)施細(xì)則，生產(chǎn)一線須嚴(yán)格執(zhí)行自檢及互檢，涂打防松標(biāo)識，保障工藝步驟完整可靠實(shí)施，才能避免故障品流出生產(chǎn)線。

案例三中真空斷路器采用法國沙爾特寶公司S800系列微動開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號輸出，微動開關(guān)防護(hù)等級為IP40，無法完全防塵防水，鍍銀或鍍金觸點(diǎn)在長期使用過程中磨損后表面氧化或吸附灰塵，觸點(diǎn)間接觸電阻逐漸升高，電阻升高導(dǎo)致觸點(diǎn)發(fā)熱燒損或斷路，造成主斷路器信號傳輸故障。預(yù)防措施為在真空斷路器定期檢修中(機(jī)車C4修或動車三級修)及時檢測微動開關(guān)觸點(diǎn)阻值，超過規(guī)定值后及時更換，避免發(fā)生信號輸出故障。

4 結(jié)論

案例一在加強(qiáng)零部件裝配前檢驗(yàn)，增加打磨工序后，未報出類似故障，增強(qiáng)了產(chǎn)品可靠性，案例二及案例三中增加產(chǎn)品檢驗(yàn)工序后，有效降低了主斷路器信號故障率。上述案例是22CB系列真空斷路器信號反饋異常的典型案例，斷路器主觸頭開合狀態(tài)與信號反饋狀態(tài)不一致，其原因包括零部件本身缺陷，工人裝配過程中緊固扭矩不合格以及輔助觸點(diǎn)表面氧化后電阻超標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中還出現(xiàn)過壓接端子或連接器脫落，低壓線路短路燒損等故障，這些故障都會導(dǎo)致信號反饋異常，真空斷路器功能失效，影響列車行車安全性和可靠性。這些故障在產(chǎn)品制造及檢修過程中加強(qiáng)監(jiān)督管控，是可以預(yù)防避免的，所以在企業(yè)生產(chǎn)及檢修過程中，入廠檢驗(yàn)及生產(chǎn)檢修工藝的嚴(yán)格執(zhí)行與監(jiān)管是避免產(chǎn)品發(fā)生故障的關(guān)鍵工作。