鄧曉玲,李華夏
(天津電力機(jī)車有限公司,天津 300452)
和諧型機(jī)車25kV高壓電纜總成用于在單相交流25kV/50Hz制式下,實(shí)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(jī)車牽引供電電路。高壓電纜總成固定安裝在機(jī)車車頂、機(jī)車機(jī)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(jī)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(yùn)用于HXD3、HXD2C等機(jī)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(jī)車牽引供電電路,主要運(yùn)用于HXD3C、HXD3B、HXD3D等機(jī)車。
預(yù)制式終端采用先進(jìn)技術(shù)與工藝,結(jié)合鐵路應(yīng)用的實(shí)際工況,選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)硅橡膠原料,其主要優(yōu)點(diǎn)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(jī)車振動(dòng)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(gè)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(huì)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(qiáng)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(gè)。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(yuǎn)超過使用熱縮式終端的使用壽命。
高壓電纜總成T型連接器采用Nexans公司進(jìn)口產(chǎn)品,最高工作電壓為42kV,技術(shù)性能滿足TB/T3444-2016的標(biāo)準(zhǔn)要求,其接口標(biāo)準(zhǔn)為能夠根據(jù)牽引變壓器套管的接口標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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
高壓電纜采用EPR絕緣的機(jī)車車輛專用電力電纜,其技術(shù)性能滿足GB/T12706.3-2008的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,高壓電纜截面規(guī)格為95~240mm2,電纜外護(hù)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(hù)套)的輕微劃傷(深度不超過1mm)不影響電纜的性能,也不會(huì)對電纜總成的運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)時(shí),試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)具有相匹配的容量。
電纜結(jié)構(gòu)上的所謂“屏蔽”,實(shí)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(huì)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(hù)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(hù)套等電位,從而避免在絕緣層與護(hù)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(hù)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(gè)金屬屏蔽層的作用,在正常運(yùn)行時(shí)通過電容電流;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí),作為短路電流的通道,保護(hù)高壓電器部件,同時(shí)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(jī)車上高電壓的運(yùn)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(yùn)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(jī)車故障。
2018年1月,一輛和諧型電力機(jī)車,在某折返所內(nèi)升弓閉合主斷后,接觸網(wǎng)跳閘,檢查機(jī)車T型頭放電燒損,機(jī)車車頂及其他部件均正常,外觀檢查機(jī)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(jī)車新造后走行1294387km;2015年2月,由某檢修單位進(jìn)行C5級檢修后走行422141 km。
2019年1月,一輛和諧型電力機(jī)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(jī)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(jī)車燒損現(xiàn)象相同。該機(jī)車新造后走行1945119 km;2015年2月,由某檢修單位進(jìn)行C5級檢修后走行384709 km。
對上述兩起發(fā)生T型頭放電燒損的和諧型電力機(jī)車,檢查車頂及其部件均正常,變壓器油取樣化驗(yàn),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(jī)車均運(yùn)行3年左右,所以故障原因可能是在機(jī)車長時(shí)間運(yùn)用過程中,T型頭內(nèi)部進(jìn)入雜質(zhì)或潮氣,灰塵經(jīng)過縫隙進(jìn)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(dāng)導(dǎo)致絕緣套管和堵頭中產(chǎn)生一些縫隙,長時(shí)間運(yùn)用導(dǎo)致雜質(zhì)和潮氣進(jìn)入T型頭,機(jī)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。
3.2.1 預(yù)防措施
(1)機(jī)車新造單位在安裝T型頭連接器過程中,嚴(yán)格按照其工藝進(jìn)行安裝,堵頭及雙頭緊固螺栓必須使用酒精進(jìn)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(jī)車大修修程,清潔終端和T型連接器的表面時(shí),可用干凈的純棉布或紙巾,必要時(shí)蘸取丙酮或無水酒精進(jìn)行清潔,嚴(yán)禁用表面粗糙或尖利的物品進(jìn)行清潔,以免劃傷其表面。高壓電纜總成檢修時(shí)指派專人檢查T型連接器外表面是否存在異常或發(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(jì)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(shí),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(dāng)主變壓器檢修需拔下T型連接器時(shí),拔下后應(yīng)用清潔的布或塑料袋做好包扎防護(hù)。檢查高壓電纜各線卡是否有松動(dòng),防止運(yùn)行中電纜跳動(dòng)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(dòng),若有應(yīng)按照規(guī)定力矩及時(shí)緊固。
(4)高壓電纜總成尤其是熱縮式車頂終端在運(yùn)用、安裝過程中由于機(jī)車晃動(dòng)、安裝不當(dāng)?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(yùn)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(shí),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(gè)有效辦法是進(jìn)行局部放電試驗(yàn),當(dāng)局部放電值小于一定值時(shí),可以認(rèn)為高壓電纜總成內(nèi)絕緣良好。一般要求在1.5倍標(biāo)稱電壓下局部放電值小于5pC。
所以,在機(jī)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(jī)車大修修程,對高壓電纜總成增加局部放電實(shí)驗(yàn)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(jìn)而評估整個(gè)高壓電纜總成的電氣絕緣性能。
3.2.2 改進(jìn)措施
高壓電纜總成T型連接器與高壓電纜套裝后,會(huì)形成應(yīng)控管與電纜和應(yīng)控管與T型靴套2個(gè)界面,如圖4所示的2個(gè)界面。一般高壓電纜總成應(yīng)控管與電纜界面進(jìn)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(jī)車振動(dòng)、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(jìn)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(huì)出現(xiàn)不間斷放電,破壞絕緣,累積一定程度就會(huì)導(dǎo)致T型連接器燒損。
為避免此類問題,增強(qiáng)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(gè)整體,減少界面,降低高壓電纜總成在運(yùn)用過程中產(chǎn)生間隙的概率,從而切實(shí)降低高壓電纜總成炸裂的風(fēng)險(xiǎn)。
圖4 T型連接器安裝各結(jié)構(gòu)示意圖
高壓電纜總成作為機(jī)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(huì)直接影響機(jī)車運(yùn)用及安全性能,所以,結(jié)合機(jī)車實(shí)際運(yùn)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(jìn)行研究,對高壓電纜T型連接器與牽引變壓器連接配合進(jìn)行研究,結(jié)合實(shí)際運(yùn)用總結(jié)的高壓電纜總成預(yù)防措施及改進(jìn)建議,對改進(jìn)現(xiàn)行機(jī)車高壓電纜總成制造、安裝、檢修及維護(hù)工藝,提高機(jī)車運(yùn)用安全性能至關(guān)重要。