軌道交通裝備電線路絕緣試驗標準分析與應用研究

田慶濤,苑豐彪,田占偉,李海游,楊志月

(中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心,河北 唐山 063035)

1 概述

世界軌道交通車輛目前發展達到了空前龐大的規模,但無論是國內25型鐵路客車、和諧號動車組、復興號動車組還是德國的ICE動車組都陸續發生了重大火災安全事故,產生火災的隱患和原因有很多,但是電氣線路無疑是軌道車輛發生火災的重大風險源,因此電氣線路鋪設完成后的絕緣試驗檢驗受到了行業內越來越多的重視。

軌道車輛電氣布線涉及高壓、中壓、通信等不同電壓等級的線纜,由于受到布線空間限制,車輛線纜多采用集中鋪設的方式,線束鋪設環境涉及車體、內裝、電氣設備等多個工序和環節,且都采用隱藏鋪設,電纜產品的自身絕緣缺陷以及不同的施工工序都會產生影響線束絕緣性能的風險,而且無法被顯像識別,進而會影響到列車的行車安全,因此,線束鋪設完工后的電線路試驗檢驗(圖1)將作為控制車輛電線路絕緣性能,保證車輛和人身安全的最重要的手段。

圖1 電線路試驗檢驗

2 電線路絕緣試驗標準分析

2.1 電線路絕緣試驗標準清單

軌道交通行業內現采用的與電線路絕緣試驗檢驗相關的主要標準共13項,其適用平臺如表1所示。

表1 電線路絕緣試驗檢驗相關標準及其適用情況

GB 3318—2006和GB 3315—2006這2個標準關于絕緣性能的要求完全一致,在標準第5.6節提到了絕緣性能試驗,但僅提到了絕緣試驗條件以及二次試驗要降壓試驗等定性要求,未提出絕緣試驗的指標要求,無實際的參考意義。

2.2 絕緣電阻試驗分析

2.2.1GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016試驗要求

針對絕緣電阻阻值判定標準,鐵路客車的標準GB/T 32587—2016規定了新造客車的絕緣電阻檢測標準,同時還引入了運用列車空氣的檢測標準,尤其界定了空氣相對濕度對絕緣值的影響修訂因素(表2),主要是為了解決高濕度天氣以及雨雪天氣下鐵路客車車輛出庫前絕緣監測或靜態測試時絕緣性能會發生較大幅度的短時下降,影響運營秩序,通過地面試驗論證和運用時間累計,確定了85%濕度時最低絕緣電阻值為0.22 MΩ,具有一定的合理性;TJ/CL 454—2016試驗要求與GB/T 32587—2016基本相同,關于絕緣電阻值運用列車600 V線間電阻值規定為10 MΩ,與GB/T 32587—2016規定的2 MΩ存在差異。

表2 GB/T 32587-2016、TJ/CL 454-2016絕緣電阻試驗要求

TB/T 1759—2016規定了新造客車的絕緣電阻試驗要求,標準中AC 380 V的絕緣電阻試驗電壓為DC 500 V,與GB/T 32587—2016中DC 1 000 V的規定存在差異,具體規定如表3所示。

表3 TB/T 1759—2016絕緣電阻試驗要求

GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016關于絕緣電阻試驗的標準規定是基本一致的,均規定了新造和檢修客車在不同電壓等級和不同濕度條件下的絕緣電阻試驗標準,僅在運用列車濕度小于60%的標準值存在較大的差異。

TB/T 1759—2016僅規定了鐵路新造客車的絕緣電阻試驗,其他標準要求同GB/T 32587—2016是一致的。

2.2.2EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007試驗要求

動車組、機車和城軌的絕緣電阻試驗電壓值主要依據EN 50343:2014、GB/T 34571—2017以及TB/T 3153—2007為基礎進行,IEC 62995:2018目前還在試用階段,以上各個標準規定的絕緣電阻試驗要求見表4所示,標準之間無實質差別。

表4 EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007絕緣電阻試驗要求

2.2.3 APTA PR-E-S-001-98試驗要求

美國APTA PR-E-S-001-98絕緣完整性標準中規定最高濕度下絕緣電阻值不能小于1 MΩ,比目前的客車標準要求嚴格一些,具體要求如表5所示。

表5 APTA PR-E-S-001-98絕緣電阻試驗要求

2.3 耐壓測試

2.3.1GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016試驗要求

GB/T 32587—2016耐壓值規定如表6所示,規定了DC 110 V線路耐壓值為AC 1 500 V,AC 380 V和DC 600 V線路耐壓值為AC 2 500 V。

表6 GB/T 32587—2016耐壓值規定 V

TJ/CL 454—2016耐壓值和GB/T 32587—2016規定基本一致,DC 110 V線路耐壓值為AC 1 000 V,其僅規定了AC 380 V和DC 600 V線路耐壓值為AC 2 500 V,具體如表7所示。

表7 TJ/CL 454—2016耐壓值規定 V

TB/T 1759—2016和GB/T 32587—2016耐壓值規定基本一致,直流配線耐壓值為AC 1 000 V,其僅規定了AC 380 V和DC 600 V線路的耐壓值為AC 2 500 V,具體如表8所示。

表8 TB/T 1759—2016耐壓值規定 V

GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016均規定了客車的耐壓試驗要求,GB/T 32587—2016中關于DC 110 V耐壓試驗的要求為AC 1 500 V,高于TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016規定的AC 1 000 V。

2.3.2EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007試驗要求

EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007的基礎標準均來自EN 50343:2014,EN 50343:2014和IEC 62995:2018的耐壓值沒有完全按照GB/T 21413.1—2018的額定電壓分級和試驗電壓的要求(線路試驗電壓為設備電壓的0.85倍)進行線路的試驗電壓的規定,而是單獨建立了耐壓標準,試驗電壓要求如表9所示。

表9 EN 50343:2014耐壓值規定 V

GB/T 34571—2017是在EN 50343:2014基礎上去除了牽引、輔助等系統的要求以及EN 50343:2014線路絕緣耐壓試驗的要求,重點留下了布線的內容,關于絕緣耐壓規定了按照IEC 61133:2016[14]的要求進行,但是IEC 61133:2016又將耐壓試驗指向產品部件的標準IEC 60077-1:2017[15](GB/T 21413.1—2018)規定耐壓值的0.85倍,TB/T 3153—2007的耐壓要求同GB/T 34571—2017,具體要求如表10。

表10 GB/T 34571—2017、TB/T 3153—2007耐壓值規定 V

2.3.3APTA PR-E-S-001-98試驗要求

APTA PR-E-S-001-98規定的耐壓值僅以AC 300 V作為分界點,試驗電壓與計算方法與歐洲標準體系均存在較大的不同,如表11所示。

2.4 高壓局放和耐壓測試

2.4.1 高壓局放要求

高壓線路車輛局放試驗作為車輛出廠檢驗的必要內容目前沒有明確的行業標準要求,機車目前參考TB/T 3444—2016高壓電纜組件的試驗要求,TB/T 3444—2016規定了高壓部件組成局放試驗標準為AC 45 kV,10 pc。

因為環境要求和線路條件的差異,部分國內動車組的局放試驗執行技術引進時的規范值AC 37.5 kV,5 pc的要求。

2.4.2 高壓耐壓要求

目前國內干線鐵路的供電工作電壓為25 kV,高壓布線交流耐壓試驗標準目前執行機車標準TB/T 3249—2010,GB/T 34571—2017和EN 50343:2014,TB/T 3249—2010標準規定了與母線連接的電壓執行AC 64 kV,60 s,高壓電纜組件執行AC 55 kV,60 s;GB/T 34571—2017規定引用GB/T 21413.1—2018,試驗電壓經過計算為AC 64 kV,60 s;而按照EN 50343:2014中的規定,工作電壓AC 25 kV時耐壓值為AC 55 kV。

2.5 線路導通測試

為了保證線束的導通,防止線束錯接漏接,需要在線束完成終端連接后進行線束導通測試,導通測試目前沒有國際、國家和行業標準,各個車輛公司目前采用的方式有兩種,一種為歐姆表通斷提示,另一種是電阻值判定,歐姆表測試就是依據歐姆表的通斷預警功能判定線束的通和斷,電阻值判定是規定一個合理的線路電阻值進行通斷的判定。

3 標準合理性分析

3.1 絕緣電阻試驗

客車絕緣電阻標準TJ/CL 454—2016與GB/T 32587—2016規定值存在差異,運用列車60%濕度絕緣電阻值規定10 MΩ不合理,分析認為標準存在錯誤,不建議引用。

客車絕緣電阻試驗從標準的合理性和時效性綜合考慮,電阻值建議按照GB/T 32587—2016的要求值進行規定。

針對絕緣電阻判定值,鐵路客車的標準規定了濕度的影響,歐洲和國際標準沒有明確規定濕度的影響值,建議參考GB/T 32587—2016引入濕度對絕緣電阻的影響,但考慮到運行環境的特殊性和不同體系的延續性,針對新造車輛不直接引用GB/T 32587—2016的標準修正要求,僅對環境濕度進行記錄,如果絕緣電阻低于1 MΩ時需要進行故障查找和分析。

目前軌道車輛幾乎所有的技術條件規定最大相對濕度值>95%,而現有的GB/T 32587—2016標準最大相對濕度規定為>85%,無法與車輛的運用需求相匹配,因此建議新造車輛的最大相對濕度進行調整,按照95%執行。

針對檢修和運用客車按照GB/T 32587—2016公式進行絕緣電阻的濕度修正被證明是安全的,既有客車車輛可以繼續采用。

動車組和城軌機車等車輛受制于平臺標準體系制約,絕緣安全的設計理念與客車不同,并未設置獨立的絕緣檢測裝置,無進行出庫絕緣檢測的要求和需求,且動車組運行環境相對潔凈,通過運營和經驗累積證明,現有的以歐洲標準為基礎的動車組和城軌、機車等絕緣標準技術要求可以滿足現有的產品需求,短期內無需按照客車的要求進行統型,建議補充濕度等基本要求,絕緣電阻判定標準不建議進行調整。

綜合考慮國內運用經驗和客戶要求,總結分析國內外的標準體系的規定,依托動車、機車、城軌和客車的多平臺產品體系,提出了適合國內運用的絕緣電阻技術要求建議,給我國軌道交通車輛的絕緣電阻試驗提出了指導數據,具體建議如表12和表13所示。

表12 絕緣電阻值測試標準1

表13 絕緣電阻值測試標準2

3.2 耐壓試驗

GB/T 32587—2016針對客車的線路耐壓試驗做出了比較詳細的規定,其中DC 110 V線路耐壓試驗值為AC 1 500 V高于其他標準AC 1 000 V的要求,按照鐵路線路電纜選型基本要求,DC 110 V線路選型電纜最低可以選AC 300 V電纜,AC 300 V電纜的產品耐壓值為AC 2 000 V,按照現在的行業慣例電纜出廠時均進行過耐壓試驗,第二次耐壓試驗應不超過80%,也就是AC 1 600 V,因此DC 110 V線路選擇AC 1 500 V進行線路耐壓安全性檢測,從理論上沒有超過合理范圍,但是較為接近電纜產品的耐壓上限,作為線路安全性檢測有點偏高,不建議引用,建議仍然按照AC 1 000 V的要求執行。

各個標準關于絕緣耐壓的試驗電壓規定存在較大的差異,基于現有的標準體系,對電線路的耐壓試驗進行了系統的分析和論證,給出了電線路耐壓試驗的推薦標準,如表14所示。

表14 交流耐壓值試驗標準 V

3.3 高壓絕緣試驗

3.3.1 局放試驗

基于目前的廠房建設和條件、屏蔽局放試驗室的建設情況以及產品的制作工藝保障能力、運營經驗等,建議預置高壓插頭的高壓組件執行AC 45 kV,10 pc的試驗要求,針對檢修車輛以及新造非預置接頭的高壓組件車輛級例行試驗標準執行AC 37.5 kV,5 pc的試驗要求。

3.3.2 交流耐壓

結合目前高壓組件在運營時的故障和絕緣失效分析,新造車輛為了更大幅度地檢測車輛高壓絕緣性能的安全性,建議執行AC 64 kV,60 s的標準要求。檢修車輛建議執行EN 50343:2014的要求,耐壓值AC 55 kV,60 s,可以滿足軌道交通車輛的應用要求。

3.4 導通試驗

目前行業內普遍存在的線路導通測試模式為利用萬用表進行測試,萬用表一般判定線路是否導通的原則是測量電阻值小于設定標準電阻值(通常為30 Ω),即R測≤R標,R標=l×R,根據電纜標準規定1 mm2的電纜標準規定電阻值約為R=0.020 Ω/m,電纜實際電阻值約為R=0.020 Ω/m,軌道交通布線一般線纜鋪設時單車不超過50 m,Rl=0.02×50=1 Ω,通過分析論證,對于單車1 mm2電纜進行導通測試,只要萬用表設定值大于1 Ω即可。如果在電纜故障模式下如90%導體斷裂,那么50 m電纜的電阻值會達到10 Ω,那么采用現有的萬用表測試(標稱30 Ω)就無法測量出其中的缺陷。

經過大量的研究和統計分析,傳統的萬用表測試無法識別部分線纜虛聯接的故障,因此需要針對導通測試設定更為嚴格的電阻值,以實現出更大范圍的故障篩選,建議選用按照電阻值≤5 Ω進行線束是否導通的判定較為合理。

4 結束語

本文通過對國際、歐洲和國內的電線路絕緣試驗相關標準和技術文件進行了詳細的調研、對比分析和論證,結合我國軌道交通絕緣檢測執行的實際情況,總結并提出了電線路絕緣試驗合理的檢測標準,為軌道交通電線路安全檢驗提供了重要的檢測依據,對軌道車輛電線路安全保障具有重要意義。

目前國內軌道交通車輛標準等同采用或修改采用EN或IEC標準較多,國外和國際眾多標準實施細節存在不確定性,仍需要持續地進行理解和研究,如耐壓試驗時漏電流的影響是否需要考量,考量指標如何確定,絕緣電阻試驗時濕度是否強制考量,考量的標準是否完全合理,耐壓試驗時是否需要進行線間耐壓測試,標準如何確定,試驗時部分設備是否可拆除,試驗電壓、升壓時間、保壓時間等的選擇都存在一定的理解差異,因此需要針對國際國內標準進行持續的研究和解讀,在采用國外標準時減少復制標準不求甚解的情況,真正達到標準的實際消化吸收和再創新,為我國軌道交通車輛電線路的安全保駕護航。