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。

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(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。

1.2 T型連接器

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

1.3 高壓電纜

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。

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(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。

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(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。

3 故障原因分析及預(yù)防改進(jìn)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(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 預(yù)防改進(jìn)措施

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

4 結(jié)語

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。