轨道交通装备电线路绝缘试验标准分析与应用研究

田庆涛,苑丰彪,田占伟,李海游,杨志月

(中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心,河北 唐山 063035)

1 概述

世界轨道交通车辆目前发展达到了空前庞大的规模,但无论是国内25型铁路客车、和谐号动车组、复兴号动车组还是德国的ICE动车组都陆续发生了重大火灾安全事故,产生火灾的隐患和原因有很多,但是电气线路无疑是轨道车辆发生火灾的重大风险源,因此电气线路铺设完成后的绝缘试验检验受到了行业内越来越多的重视。

轨道车辆电气布线涉及高压、中压、通信等不同电压等级的线缆,由于受到布线空间限制,车辆线缆多采用集中铺设的方式,线束铺设环境涉及车体、内装、电气设备等多个工序和环节,且都采用隐藏铺设,电缆产品的自身绝缘缺陷以及不同的施工工序都会产生影响线束绝缘性能的风险,而且无法被显像识别,进而会影响到列车的行车安全,因此,线束铺设完工后的电线路试验检验(图1)将作为控制车辆电线路绝缘性能,保证车辆和人身安全的最重要的手段。

图1 电线路试验检验

2 电线路绝缘试验标准分析

2.1 电线路绝缘试验标准清单

轨道交通行业内现采用的与电线路绝缘试验检验相关的主要标准共13项,其适用平台如表1所示。

表1 电线路绝缘试验检验相关标准及其适用情况

GB 3318—2006和GB 3315—2006这2个标准关于绝缘性能的要求完全一致,在标准第5.6节提到了绝缘性能试验,但仅提到了绝缘试验条件以及二次试验要降压试验等定性要求,未提出绝缘试验的指标要求,无实际的参考意义。

2.2 绝缘电阻试验分析

2.2.1GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016试验要求

针对绝缘电阻阻值判定标准,铁路客车的标准GB/T 32587—2016规定了新造客车的绝缘电阻检测标准,同时还引入了运用列车空气的检测标准,尤其界定了空气相对湿度对绝缘值的影响修订因素(表2),主要是为了解决高湿度天气以及雨雪天气下铁路客车车辆出库前绝缘监测或静态测试时绝缘性能会发生较大幅度的短时下降,影响运营秩序,通过地面试验论证和运用时间累计,确定了85%湿度时最低绝缘电阻值为0.22 MΩ,具有一定的合理性;TJ/CL 454—2016试验要求与GB/T 32587—2016基本相同,关于绝缘电阻值运用列车600 V线间电阻值规定为10 MΩ,与GB/T 32587—2016规定的2 MΩ存在差异。

表2 GB/T 32587-2016、TJ/CL 454-2016绝缘电阻试验要求

TB/T 1759—2016规定了新造客车的绝缘电阻试验要求,标准中AC 380 V的绝缘电阻试验电压为DC 500 V,与GB/T 32587—2016中DC 1 000 V的规定存在差异,具体规定如表3所示。

表3 TB/T 1759—2016绝缘电阻试验要求

GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016关于绝缘电阻试验的标准规定是基本一致的,均规定了新造和检修客车在不同电压等级和不同湿度条件下的绝缘电阻试验标准,仅在运用列车湿度小于60%的标准值存在较大的差异。

TB/T 1759—2016仅规定了铁路新造客车的绝缘电阻试验,其他标准要求同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试验要求

动车组、机车和城轨的绝缘电阻试验电压值主要依据EN 50343:2014、GB/T 34571—2017以及TB/T 3153—2007为基础进行,IEC 62995:2018目前还在试用阶段,以上各个标准规定的绝缘电阻试验要求见表4所示,标准之间无实质差别。

表4 EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007绝缘电阻试验要求

2.2.3 APTA PR-E-S-001-98试验要求

美国APTA PR-E-S-001-98绝缘完整性标准中规定最高湿度下绝缘电阻值不能小于1 MΩ,比目前的客车标准要求严格一些,具体要求如表5所示。

表5 APTA PR-E-S-001-98绝缘电阻试验要求

2.3 耐压测试

2.3.1GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016试验要求

GB/T 32587—2016耐压值规定如表6所示,规定了DC 110 V线路耐压值为AC 1 500 V,AC 380 V和DC 600 V线路耐压值为AC 2 500 V。

表6 GB/T 32587—2016耐压值规定 V

TJ/CL 454—2016耐压值和GB/T 32587—2016规定基本一致,DC 110 V线路耐压值为AC 1 000 V,其仅规定了AC 380 V和DC 600 V线路耐压值为AC 2 500 V,具体如表7所示。

表7 TJ/CL 454—2016耐压值规定 V

TB/T 1759—2016和GB/T 32587—2016耐压值规定基本一致,直流配线耐压值为AC 1 000 V,其仅规定了AC 380 V和DC 600 V线路的耐压值为AC 2 500 V,具体如表8所示。

表8 TB/T 1759—2016耐压值规定 V

GB/T 32587—2016、TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016均规定了客车的耐压试验要求,GB/T 32587—2016中关于DC 110 V耐压试验的要求为AC 1 500 V,高于TJ/CL 454—2016和TB/T 1759—2016规定的AC 1 000 V。

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

EN 50343:2014、GB/T 34571—2017、IEC 62995:2018以及TB/T 3153—2007的基础标准均来自EN 50343:2014,EN 50343:2014和IEC 62995:2018的耐压值没有完全按照GB/T 21413.1—2018的额定电压分级和试验电压的要求(线路试验电压为设备电压的0.85倍)进行线路的试验电压的规定,而是单独建立了耐压标准,试验电压要求如表9所示。

表9 EN 50343:2014耐压值规定 V

GB/T 34571—2017是在EN 50343:2014基础上去除了牵引、辅助等系统的要求以及EN 50343:2014线路绝缘耐压试验的要求,重点留下了布线的内容,关于绝缘耐压规定了按照IEC 61133:2016[14]的要求进行,但是IEC 61133:2016又将耐压试验指向产品部件的标准IEC 60077-1:2017[15](GB/T 21413.1—2018)规定耐压值的0.85倍,TB/T 3153—2007的耐压要求同GB/T 34571—2017,具体要求如表10。

表10 GB/T 34571—2017、TB/T 3153—2007耐压值规定 V

2.3.3APTA PR-E-S-001-98试验要求

APTA PR-E-S-001-98规定的耐压值仅以AC 300 V作为分界点,试验电压与计算方法与欧洲标准体系均存在较大的不同,如表11所示。

2.4 高压局放和耐压测试

2.4.1 高压局放要求

高压线路车辆局放试验作为车辆出厂检验的必要内容目前没有明确的行业标准要求,机车目前参考TB/T 3444—2016高压电缆组件的试验要求,TB/T 3444—2016规定了高压部件组成局放试验标准为AC 45 kV,10 pc。

因为环境要求和线路条件的差异,部分国内动车组的局放试验执行技术引进时的规范值AC 37.5 kV,5 pc的要求。

2.4.2 高压耐压要求

目前国内干线铁路的供电工作电压为25 kV,高压布线交流耐压试验标准目前执行机车标准TB/T 3249—2010,GB/T 34571—2017和EN 50343:2014,TB/T 3249—2010标准规定了与母线连接的电压执行AC 64 kV,60 s,高压电缆组件执行AC 55 kV,60 s;GB/T 34571—2017规定引用GB/T 21413.1—2018,试验电压经过计算为AC 64 kV,60 s;而按照EN 50343:2014中的规定,工作电压AC 25 kV时耐压值为AC 55 kV。

2.5 线路导通测试

为了保证线束的导通,防止线束错接漏接,需要在线束完成终端连接后进行线束导通测试,导通测试目前没有国际、国家和行业标准,各个车辆公司目前采用的方式有两种,一种为欧姆表通断提示,另一种是电阻值判定,欧姆表测试就是依据欧姆表的通断预警功能判定线束的通和断,电阻值判定是规定一个合理的线路电阻值进行通断的判定。

3 标准合理性分析

3.1 绝缘电阻试验

客车绝缘电阻标准TJ/CL 454—2016与GB/T 32587—2016规定值存在差异,运用列车60%湿度绝缘电阻值规定10 MΩ不合理,分析认为标准存在错误,不建议引用。

客车绝缘电阻试验从标准的合理性和时效性综合考虑,电阻值建议按照GB/T 32587—2016的要求值进行规定。

针对绝缘电阻判定值,铁路客车的标准规定了湿度的影响,欧洲和国际标准没有明确规定湿度的影响值,建议参考GB/T 32587—2016引入湿度对绝缘电阻的影响,但考虑到运行环境的特殊性和不同体系的延续性,针对新造车辆不直接引用GB/T 32587—2016的标准修正要求,仅对环境湿度进行记录,如果绝缘电阻低于1 MΩ时需要进行故障查找和分析。

目前轨道车辆几乎所有的技术条件规定最大相对湿度值>95%,而现有的GB/T 32587—2016标准最大相对湿度规定为>85%,无法与车辆的运用需求相匹配,因此建议新造车辆的最大相对湿度进行调整,按照95%执行。

针对检修和运用客车按照GB/T 32587—2016公式进行绝缘电阻的湿度修正被证明是安全的,既有客车车辆可以继续采用。

动车组和城轨机车等车辆受制于平台标准体系制约,绝缘安全的设计理念与客车不同,并未设置独立的绝缘检测装置,无进行出库绝缘检测的要求和需求,且动车组运行环境相对洁净,通过运营和经验累积证明,现有的以欧洲标准为基础的动车组和城轨、机车等绝缘标准技术要求可以满足现有的产品需求,短期内无需按照客车的要求进行统型,建议补充湿度等基本要求,绝缘电阻判定标准不建议进行调整。

综合考虑国内运用经验和客户要求,总结分析国内外的标准体系的规定,依托动车、机车、城轨和客车的多平台产品体系,提出了适合国内运用的绝缘电阻技术要求建议,给我国轨道交通车辆的绝缘电阻试验提出了指导数据,具体建议如表12和表13所示。

表12 绝缘电阻值测试标准1

表13 绝缘电阻值测试标准2

3.2 耐压试验

GB/T 32587—2016针对客车的线路耐压试验做出了比较详细的规定,其中DC 110 V线路耐压试验值为AC 1 500 V高于其他标准AC 1 000 V的要求,按照铁路线路电缆选型基本要求,DC 110 V线路选型电缆最低可以选AC 300 V电缆,AC 300 V电缆的产品耐压值为AC 2 000 V,按照现在的行业惯例电缆出厂时均进行过耐压试验,第二次耐压试验应不超过80%,也就是AC 1 600 V,因此DC 110 V线路选择AC 1 500 V进行线路耐压安全性检测,从理论上没有超过合理范围,但是较为接近电缆产品的耐压上限,作为线路安全性检测有点偏高,不建议引用,建议仍然按照AC 1 000 V的要求执行。

各个标准关于绝缘耐压的试验电压规定存在较大的差异,基于现有的标准体系,对电线路的耐压试验进行了系统的分析和论证,给出了电线路耐压试验的推荐标准,如表14所示。

表14 交流耐压值试验标准 V

3.3 高压绝缘试验

3.3.1 局放试验

基于目前的厂房建设和条件、屏蔽局放试验室的建设情况以及产品的制作工艺保障能力、运营经验等,建议预置高压插头的高压组件执行AC 45 kV,10 pc的试验要求,针对检修车辆以及新造非预置接头的高压组件车辆级例行试验标准执行AC 37.5 kV,5 pc的试验要求。

3.3.2 交流耐压

结合目前高压组件在运营时的故障和绝缘失效分析,新造车辆为了更大幅度地检测车辆高压绝缘性能的安全性,建议执行AC 64 kV,60 s的标准要求。检修车辆建议执行EN 50343:2014的要求,耐压值AC 55 kV,60 s,可以满足轨道交通车辆的应用要求。

3.4 导通试验

目前行业内普遍存在的线路导通测试模式为利用万用表进行测试,万用表一般判定线路是否导通的原则是测量电阻值小于设定标准电阻值(通常为30 Ω),即R测≤R标,R标=l×R,根据电缆标准规定1 mm2的电缆标准规定电阻值约为R=0.020 Ω/m,电缆实际电阻值约为R=0.020 Ω/m,轨道交通布线一般线缆铺设时单车不超过50 m,Rl=0.02×50=1 Ω,通过分析论证,对于单车1 mm2电缆进行导通测试,只要万用表设定值大于1 Ω即可。如果在电缆故障模式下如90%导体断裂,那么50 m电缆的电阻值会达到10 Ω,那么采用现有的万用表测试(标称30 Ω)就无法测量出其中的缺陷。

经过大量的研究和统计分析,传统的万用表测试无法识别部分线缆虚联接的故障,因此需要针对导通测试设定更为严格的电阻值,以实现出更大范围的故障筛选,建议选用按照电阻值≤5 Ω进行线束是否导通的判定较为合理。

4 结束语

本文通过对国际、欧洲和国内的电线路绝缘试验相关标准和技术文件进行了详细的调研、对比分析和论证,结合我国轨道交通绝缘检测执行的实际情况,总结并提出了电线路绝缘试验合理的检测标准,为轨道交通电线路安全检验提供了重要的检测依据,对轨道车辆电线路安全保障具有重要意义。

目前国内轨道交通车辆标准等同采用或修改采用EN或IEC标准较多,国外和国际众多标准实施细节存在不确定性,仍需要持续地进行理解和研究,如耐压试验时漏电流的影响是否需要考量,考量指标如何确定,绝缘电阻试验时湿度是否强制考量,考量的标准是否完全合理,耐压试验时是否需要进行线间耐压测试,标准如何确定,试验时部分设备是否可拆除,试验电压、升压时间、保压时间等的选择都存在一定的理解差异,因此需要针对国际国内标准进行持续的研究和解读,在采用国外标准时减少复制标准不求甚解的情况,真正达到标准的实际消化吸收和再创新,为我国轨道交通车辆电线路的安全保驾护航。