邹杰1，魏青虬2
1.株洲中车时代电气股份有限公司 售后服务中心，湖南 株洲 412001； 2.中国铁路广
州局集团有限公司 株洲（时代）机车监造项目部，湖南 株洲 412001
摘 要：本文针对某型大功率机车牵引变流器的连接母排故障统计分析，结合电气绝缘配合理论进行了深入研究，针对性地开展相关试验研究，并提出了现场改造和优化设计方案。
关键词：变流器模块；绝缘配合；电气间隙；爬电距离；连接母排
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0 引言
和谐号大功率交流机车已经成为我国机车的主力车型，自2006年和谐号机车大批量投入运用至今，保有量超过6000台，并逐年增加。牵引系统作为机车核心系统之一，其牵引变流器的故障种类也较为复杂，连接母排的故障是其中一种比较常见的故障。
牵引变流器主电路内部电气连接采用三层复合结构设计，使用水平母排、垂直母排、连接母排搭接来实现，如图1所示。母排间的绝缘配合主要考虑电气间隙和爬电距离两个方面。在确定绝缘尺寸时，必须考虑电气应力和环境条件，在最恶劣条件下，既要确保绝缘性能不致损坏，又要避免不必要的过大绝缘尺寸[1]。
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1连接母排故障问题说明
在实际应用过程中，每年会发生数起连接母排烧损故障，对正常铁路运输造成严重影响。自2014年开始，陆续开展对“连接母排烧损事故”的专项研究，并取得一定成果，并于2015年开始进行现场的改造验证，随着连接母排改造的数量逐步增加，在2018年开始，故障率出现明显下降。
2 母排烧损原因分析
为解决现场连接母排烧损问题，结合变流器模块质量提升专项工作，开展了“连接母排烧损故障”专题研究。从数据统计、故障现象、设计理论等方面进行了连接母排烧损的原因分析。
2.1 组装工艺
(1)连接母排和变流器模块安装工艺
连接母排的电连接面存在接触不良，接触电阻增大，在大电流的情况下易导致发热电烧蚀。
目前连接母排的M8和M10螺栓紧固力矩分别执行的是13.75N·m和27.5N·m，但是在企标中机械连接和电气连接M8和M10螺栓紧固力矩分别为25 N·m和50 N·m。现执行力矩远小于机械连接和电气连接力矩，长时间运行后，存在紧固螺栓力矩减少，电连接处接触电阻变大，引起电烧蚀的隐患[6]。
(2)变流器模块组装存在误差
模块在组装过程存在误差，横向、纵向和垂向上容易产生位移偏差，连接母排的安装精度和平整度难以保证，组装后应力较大。应力导致电连接面压合不紧实，电连接处易发生烧蚀[5]。
2.2 高原环境
高原机车均配属在西宁机务段，运营路线是兰州-西宁-格尔木，海拔区间2200-3900m。在恶劣的运行条件下，对变流器模块影响更严重，主要体现在以下几个方面的[2]：
1）绝缘强度。高海拔导致空气绝缘强度降低，外绝缘的放电电压下降。
2）污染等级。高原环境更容易产生静电吸附灰尘等污染物附着在复合母排表面，污染等级提高，安全爬电距离缩小，造成爬电短路。
3）灭弧性能。气压和空气密度降低，空气灭弧性能下降，一旦产生放电现象不易迅速熄弧，易导致严重烧损故障。燃弧时间随海拔升高而延长，飞弧距离随气压降低而增加。
4）低气压。在高原环境下压差增大，加剧电容器鼓包和漏油隐患。同时硅油容易从焊缝处渗漏，在高温下形成硅油蒸汽，冷凝后附着在电气结构表面形成的油污会提高污染等级。
5）温差。昼夜温差大，使绝缘结构变形、开裂甚至破坏，加速绝缘老化。
6）温度。高原环境气压低，空气密度下降，变流器柜体散热能力下降，连接母排温升升高，空气更易发生电离。
7）湿度。绝对湿度随海拔升高而降低，外绝缘强度降低，工频放电电压与冲击闪烁电压随之降低。
8）静电。高原气候较干燥，有助于静电电荷产生，静电累积到一定程度会放电，造成绝缘破坏。
9）电晕。高海拔低气压使高压电器设备在空气中裸露部分的电晕起始电场强度降低，增加电损耗，加速绝缘老化和铜排电腐蚀。
10）辐射。太阳热辐射增加引起较大的附加温升，降低有机绝缘材料的机械电气性能。紫外线使有机绝缘材料加速老化，使空气易于电离而导致外绝缘强度及电晕起始电压降低。
2.3 物流储运
1)连接母排电连接面污染
在线运行时间较长的变流器模块和备品模块放置时间久导致直流侧电连接面积灰严重，有些甚至会并伴有表面氧化腐蚀的现象。接触电阻增大，容易引起电连接处烧蚀[4]。
2)垂直低感母排表面绝缘破坏
垂直低感母排的PET包膜在储运、安装时被划伤，导致绝缘被破坏，电气绝缘失效。
2.4 被动烧损
1)IGBT炸损
IGBT严重炸损导致母排或电容器等主电路短路烧损。
2)电容器端子放电
电容器端子因其出扣距离较长，可达10mm，容易发生端子对铜排放电问题。
3)快速接头漏水
快速接头漏水问题导致连接母排和模块烧损的影响较大。主要是因为以下3种原因漏水：
a)快速接头产品本身质量问题漏水导致连接母排烧损；
b)快速接头和软管连接紧固问题引起的漏水，导致母排烧损；
c)快速接头储运过程中碰撞变形导致漏水，从而导致母排烧损。
2.5 小结
模块的绝缘配合设计是按工作电压1800V、过电压等级OV2（参考 GB/T25122.1-2010）、污染等级PD3（参考TB/T3213-2009）条件下执行[3]，如表1所示。
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因西宁机务段运行最高海拔3900m，修正系数1.64，故最小电气间隙为18.04mm。爬电距离在高原环境条件下要求不小于当前海拔高度的最小电气间隙，设计的爬电距离满足高海拔的条件要求。目前技术设计符合OV2、PD3条件下的绝缘配合要求，但在极端条件（局部电场异常、高温、高海拔、污染等级恶化等）下，可能发生故障。
连接母排烧损故障的主要原因是：
1）因为电气回路中的任何不良接触都可能引起电弧和造成高频振荡，这可能使连接母排产生过热和过电压。由于连接母排和变流器模块低感母排的接触问题，模块安装误差、连接母排存在机械应力、螺栓紧固力矩不够，使得电连接面接触电阻较大，引起高温，造成电烧蚀和绝缘破坏放电。
2）根据故障数据统计，母排烧损故障集中发生在两局一线，推测另一个可能原因是网压波动导致中间直流环节连接母排处电场异常，加剧放电隐患。
3）西宁机务段也是母排烧损故障高发区，推测原因是高原应用环境影响。因为海拔每升高1000m，平均气压降低7.7kPa-10.5kPa，外绝缘强度降低8%-13%。因此在高海拔地区应用，需对电气设备的绝缘配合进行修正。
3试验研究
为进一步分析和解决连接母排烧损故障，开展了相关试验研究。
3.1 介电强度试验
试验目的：验证基于额定冲击电压的短时工频试验电压。
试验方法：按介电强度试验要求进行试验。试验安装测试如图2。
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试验分析：从清洁后放电电压提高了2000V,判断此次试验放电类型为污闪（爬电放电）。
试验后用绝缘膜将高原车模块连接母排的正负端隔离再次进行试验，如图3所示。
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试验结论：
1)在极端环境条件下，连接母排存在爬电放电的隐患；
2)模块工频耐受电压按过电压等级OV2，污染等级PD3条件下设计。参考GB/T20626.1-2006，工频耐受电压在不同海拔、不同过电压等级的要求如下表4：
3)试验中普通车两次放电电压分别为7800V、9800V，其都高于要求的5.106kV；高原母排设计放电电压为11200V，远超过标准要求。设计安规满足要求。
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试验结果：将螺栓紧固力矩增大至相应的机械和电气紧固力矩，接线板可满足力矩要求。增大至2倍试验力矩，接线板状态也都完好。
试验结论：连接母排的安装螺栓紧固力矩可提升至企标（Q/TEG152-2014）中相应的机械连接或电气连接紧固力矩。
3.3 电连接面压接试验
试验目的：验证增大力矩能否有效提高电连接面的紧固效果。
试验方法：利用压敏试纸，如图5所示，在不同力矩下进行试验，检查连接母排电连接面的压接状态。
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试验结论：
1)电连接面存在空气间隙，在大电流情况下存在发热，烧蚀的隐患；
2)增大力矩能有条件的提高电连接面的紧固效果；
3)增大力矩，可有效改善电连接面的压接状态，减少接触电阻。
3.4 加强绝缘试验
试验目的：根据实验结果分析，制定了增加绝缘条的改造措施，验证加强绝缘后绝缘配合的效果。
试验方法：采用绝缘条做电气隔离后，如图7所示，进行耐压测试。
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试验结果：增加绝缘条后，放电位置发生转移，放电电压提高至11000V。
试验结论：增加了绝缘条后，连接母排附近的绝缘配合加强。
4 改进措施
从变流器模块主电路的绝缘配合考虑，可进行以下的改进。
1)加装特制绝缘条
在连接母排的正负端子之间加装绝缘条，通过增加绝缘条来强化绝缘配合，增大爬电距离，阻断放电路径。
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3)优化连接母排设计
对连接母排进行以下优化：
a)对裸露铜排进行绝缘处理（喷涂绝缘层）；
b)铜排退火消除安装应力。
4)优化垂直低感母排设计
在垂直低感母排表面增加一层环氧板材的保护层设计。增加环氧板防划面，增大爬电安全距离。
5)优化柜体连接母排安装工艺
a)提升紧固力矩至机械和电气连接力矩要求；
b)改为“大平垫”+“防松垫圈”安装；
c)组装时按交叉紧固顺序进行，分“预紧固”和“终紧固”两道紧固工序。
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5 结语
绝缘配合设计对高压电气装置的安全运行至关重要。本文深入研究了牵引变流器主电路的绝缘配合设计，结合 “连接母排烧损故障分析和解决”专项工作，进行了原因分析和试验研究，并有针对性的提出了改进措施，改善效果明显，连接母排故障率明显下滑，确保现场用车安全可靠。
参考文献
[1] 严云升，刘贵.轨道交通电工电子设备的绝缘配合（上）[J].铁道技术监督,2011年，第39卷（9期）：1-5
[2] 李德龙.高原型气候对电气设备的影响[J].青海大学学报（自然科学版），2009年，27卷（4期）：71-74.
[3] 何颖，郭亮.电气间隙和爬电距离测试的理论与实践研究[J].电气自动化，2013年，35卷（3期）：90-92
[4] 李大鹏,张国华.青藏列车电气设备绝缘配合问题的探讨[J].铁道车辆，2005年，43卷（8期）：30-32.
[5] 方鸣.电气化铁道牵引系统的绝缘、过电压保护和绝缘配合[J].中国铁道科学，2001年，22卷（6期）：27-32
[6] 严云升，范祚成.轨道交通电工电子产品的使用条件及其对性能的影响[J].机车电传动，2009年，4期：4-9.