铁路电气设备损坏分析与预防范文

摘要：

青藏铁路是世界上目前海拔最高、线路最长的高原铁路，相对而言青藏铁路机车车载电器设备故障率也较高。通过自行开发制造的车载环境参数记录仪对青藏铁路机车车内环境与平原车对比分析，发现车内高浓度二氧化碳是导致问题出现的主要原因，并提出利用超氧化物对二氧化碳进行中和的方法。供同行参考。

关键词：

青藏铁路；高原电器；高原环境；二氧化碳；超氧化物

我国的青藏线大部分处于高海拔地区，因此要克服高原缺氧、天气恶劣等环境因素。目前，高原铁路及火车机车上车载电器系统的参考资料很少，只有在青藏铁路建设以及近几年的通车运行过程中逐步积累了一些高原电器相关经验和标准，对高原电器故障研究还存在欠缺。

1电气设备损坏的研究方向

相对于平原车，高原环境对电气设备的影响是导致青藏车高故障率的主要原因。青藏车长时间运行在高原地区，车厢密闭性较强，高原地区停靠站较少，从而导致车厢与外部空间的空气对流减少，车厢空气质量变差。高原气压低导致空气热容量降低，因此对电器设备的散热要求相对较高。针对这些特殊高原情况我们有必要从环境及设备散热方面进行研究分析，以找出根本原因，进而有效解决。

2电气系统环境参数的采集

青藏车进藏后长时间运行在高海拔地区，由于气压低、昼夜温差大、外部环境复杂，车厢内部逐渐形成一个独立的环境系统。⑴通过检测车厢内的环境数据来分析电气设备的故障原因，并对相关的环境参数进行监测记录。⑵通过采集车厢内大气压力、CO2浓度、O2浓度，空气温度、空气相对湿度这些与平原车有差异或是最重要的参数进行监测，同时标记测试点的海拔高度，经纬度等位置信息并加盖时间戳。⑶为了记录以上参数特开发设计一款列车综合环境监测仪，对环境数据进行监测并实时记录，并通过TF卡进行存储。

2.1火车运行时的环境温度火车运行时其环境温度监测的记录范围为-40～80℃。由于配电柜内开关触头和母线排连接处处于高电压、高温度、高磁场以及极强的电磁干扰环境中，传统的测温仪表如热电偶、光纤传感器等易受到这些因素的干扰和影响，因而无法对这些位置进行直接接触测量，在此采用远红外热成像仪拍摄照片，并结合计算机软件对电气柜元器件发热进行测量并对散热情况进行分析。结果表明：电缆连接点松动是导致过热故障发生的主要原因之一，一般连接点超过70℃或是高于环境温度30℃，即认为有隐患存在。在等连接或是多相连接如三相接排时，在正常负载下，若最大温差超过20%，则预示可能有隐患存在。同时电容器温度一般不得超过80℃，过热容易导致器件损坏甚至爆炸。通过热图像分析可以发现电气柜中有不少元器件温度过高，需要改进散热情况或是改变元器件选型。

2.2火车车厢内大气压力数据室外环境大气压力与海拔高度成反比，本系统中主要是用于对比海拔高度与火车内大气压力关系，车厢内部与外部大气压力。同时大气压力可以与GPS数据中的海拔高度互补，测试范围0～120kpa。

2.3火车车厢内的CO2浓度监测并记录CO2浓度数据，单位ppm，量程范围0～10000ppm。

2.4火车车厢内的O2浓度监测并记录O2浓度数据，单位为百分比（%），量程范围0～60%。

2.5火车运行时的环境湿度相对湿度单位%RH，量程范围为10%～90%RH。

3采集数据的综合分析

3.1测试数据的选取测试数据选取从北京开始到拉萨乘坐T27次特快列车，T27次特快列车从北京西站出发，中间有十个上下站总共运行42小时42分钟，于第三天14:42分到达拉萨。到达西宁后已进入青藏高原，从西宁西到拉萨1960公里，运行23小时11分钟。路线长度和运行时间是全路程的52%和54%。

3.2测试数据的分析经过跟车测试后将原始数据导入软件，通过软件分析绘图得到下面的参数折线图。如图1所示，火车运行时GPS所测的海拔数据，因采用GPS测量火车运行时部分区间会因角度或外部环境原因丢失GPS信号，在丢失部分采用插值法进行插值平滑处理。通过对比发现，大气压力与海拔高度变化正好成反比，几乎是一一对应的。车厢内CO2变化：CO2浓度波动较大，CO2浓度与海拔高度变化对应无明显关系。图中出现多个波峰波谷，可以发现波峰上升曲线相对较缓下降曲线比较陡。波峰缓慢上升是因为火车在运行时车厢内CO2在缓慢积累，迅速下降则是因为火车到站有乘客上下车开关车门实现车内外对流使CO2浓度迅速下降。火车内CO2规定最高为1500PPM，超过这个数值就必须通风换气。车厢内O2变化：O2浓度剧烈变化出现在两个点，可以看到制氧机在快到唐古拉山口时进行增量制氧，快到拉萨时制氧机停止工作。车厢温度变化：温度变化也成波浪形，其与CO2浓度变化有一定相似性，且相互反向变化，在图中“左侧”完全遵守这一规律。这与车厢开门上下客频率有关，温度上升CO2浓度下降。但左侧以后相关性消失，在到达青藏高原后外界温度已低于车内温度。同时温度还受外界温度变化影响，在过唐古拉山口时因车厢外海拔高、寒冷导致车厢内温度也相应下降。湿度变化：湿度波动范围较大但总体始终维持在较高水平。根据经验判断，高浓度的CO2加上车厢内湿度较大，在环境中比较容易形成碳酸从而对设备形成腐蚀；高海拔大气压下降，导致电气设备散热效率大幅度下降；大气压下降导致通风效率下降更容易形成污秽；通过红外热图发现电气柜内有部分元器件温度偏高。综上所述发现，经常被忽略的CO2在其中起到重要作用。CO2腐蚀又可称为甜蚀，其腐蚀最典型特征是呈现局部点蚀、轮癣、状腐蚀和台面状坑蚀。其中，台面状坑蚀过程是最严重的一种情况。在青藏线上运行的火车车厢由于高原运行需要加压供氧，始终处在全密封状态，完全依赖空调换气，因而导致车厢内换气效率较低，空气中CO2浓度偏高湿度大，加上青藏线日夜温差大，容易导致车厢内凝露。

3.3CO2导致腐蚀CO2一直以来便被认为是产生腐蚀的一个重要因素。CO2干气本身不具有腐蚀性，但当其溶于水时，对部分金属材料有极强的腐蚀性。在相同的PH条件下，CO2水溶液的腐蚀性比盐酸还要强，通过水可以在金属与金属接触的水之间产生电化学反应。CO2极易溶于水，溶于水后得到碳酸并释放出氢离子。氢离子是强去极化剂，极易夺取电子还原，促进阳极溶解而导致腐蚀。因此，可以通过加强通风来改善CO2浓度过高的问题，还可以采用超氧化物来滤除过高的CO2，对于电气件的保护可考虑喷涂三防漆将元器件与空气隔离。在密闭车厢中由于同时存在高浓度的CO2和O2，加之湿度大，导致铜质材料在空气中也容易发生锈蚀，电路板进水腐蚀之后出现的淡绿色的碱式碳酸铜（铜在潮湿的空气中生锈的反应方程式为2Cu+O2+CO2+H2O=Cu2(OH)2CO3），其对于高浓度O2导致的问题主要发生在线路板和铜质导线上，线路板可以喷涂三防漆解决，铜电线在压制时完成后可考虑在压制头内侧喷三防漆。

4预防电气设备损坏的办法

由于青藏车长时间运行在青藏高原上，高原气温低，温差大，大气气压低，列车需要长期处于密闭环境中，仅空调控制车厢内温度，导致湿度较大且CO2浓度高，容易形成碳酸腐蚀电气设备，气压低散热差。针对以上情况，提出以下几点建议：电气设备加强散热措施以传导散热为主；设备的非触点部分加喷三防漆可以起到防潮，防腐蚀，防污秽的作用；对于发热量较大的器件合理安排位置，并加大设备冗余合理优化线路，加大散热能力，抑制热量产生；加强车厢内的换气，加装类似潜艇上的超氧化物对CO2捕捉设备如过氧化物。

5结语

通过分析研究发现，将实际测试和验证中发现的问题反馈到生产开发环节，使其在今后的开发生产过程中能够起到有价值的参考作用，从而为企业和社会带来效益。

作者：杨海 赵君梅 王鹏 单位：南车集团青岛四方有限公司 青岛中青电子软件有限公司