鐵路電氣設備損壞分析與預防范文

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摘要：

青藏鐵路是世界上目前海拔最高、線路最長的高原鐵路，相對而言青藏鐵路機車車載電器設備故障率也較高。通過自行開發制造的車載環境參數記錄儀對青藏鐵路機車車內環境與平原車對比分析，發現車內高濃度二氧化碳是導致問題出現的主要原因，并提出利用超氧化物對二氧化碳進行中和的方法。供同行參考。

關鍵詞：

青藏鐵路；高原電器；高原環境；二氧化碳；超氧化物

我國的青藏線大部分處于高海拔地區，因此要克服高原缺氧、天氣惡劣等環境因素。目前，高原鐵路及火車機車上車載電器系統的參考資料很少，只有在青藏鐵路建設以及近幾年的通車運行過程中逐步積累了一些高原電器相關經驗和標準，對高原電器故障研究還存在欠缺。

1電氣設備損壞的研究方向

相對于平原車，高原環境對電氣設備的影響是導致青藏車高故障率的主要原因。青藏車長時間運行在高原地區，車廂密閉性較強，高原地區停靠站較少，從而導致車廂與外部空間的空氣對流減少，車廂空氣質量變差。高原氣壓低導致空氣熱容量降低，因此對電器設備的散熱要求相對較高。針對這些特殊高原情況我們有必要從環境及設備散熱方面進行研究分析，以找出根本原因，進而有效解決。

2電氣系統環境參數的采集

青藏車進藏后長時間運行在高海拔地區，由于氣壓低、晝夜溫差大、外部環境復雜，車廂內部逐漸形成一個獨立的環境系統。⑴通過檢測車廂內的環境數據來分析電氣設備的故障原因，并對相關的環境參數進行監測記錄。⑵通過采集車廂內大氣壓力、CO2濃度、O2濃度，空氣溫度、空氣相對濕度這些與平原車有差異或是最重要的參數進行監測，同時標記測試點的海拔高度，經緯度等位置信息并加蓋時間戳。⑶為了記錄以上參數特開發設計一款列車綜合環境監測儀，對環境數據進行監測并實時記錄，并通過TF卡進行存儲。

2.1火車運行時的環境溫度火車運行時其環境溫度監測的記錄范圍為-40～80℃。由于配電柜內開關觸頭和母線排連接處處于高電壓、高溫度、高磁場以及極強的電磁干擾環境中，傳統的測溫儀表如熱電偶、光纖傳感器等易受到這些因素的干擾和影響，因而無法對這些位置進行直接接觸測量，在此采用遠紅外熱成像儀拍攝照片，并結合計算機軟件對電氣柜元器件發熱進行測量并對散熱情況進行分析。結果表明：電纜連接點松動是導致過熱故障發生的主要原因之一，一般連接點超過70℃或是高于環境溫度30℃，即認為有隱患存在。在等連接或是多相連接如三相接排時，在正常負載下，若最大溫差超過20%，則預示可能有隱患存在。同時電容器溫度一般不得超過80℃，過熱容易導致器件損壞甚至爆炸。通過熱圖像分析可以發現電氣柜中有不少元器件溫度過高，需要改進散熱情況或是改變元器件選型。

2.2火車車廂內大氣壓力數據室外環境大氣壓力與海拔高度成反比，本系統中主要是用于對比海拔高度與火車內大氣壓力關系，車廂內部與外部大氣壓力。同時大氣壓力可以與GPS數據中的海拔高度互補，測試范圍0～120kpa。

2.3火車車廂內的CO2濃度監測并記錄CO2濃度數據，單位ppm，量程范圍0～10000ppm。

2.4火車車廂內的O2濃度監測并記錄O2濃度數據，單位為百分比（%），量程范圍0～60%。

2.5火車運行時的環境濕度相對濕度單位%RH，量程范圍為10%～90%RH。

3采集數據的綜合分析

3.1測試數據的選取測試數據選取從北京開始到拉薩乘坐T27次特快列車，T27次特快列車從北京西站出發，中間有十個上下站總共運行42小時42分鐘，于第三天14:42分到達拉薩。到達西寧后已進入青藏高原，從西寧西到拉薩1960公里，運行23小時11分鐘。路線長度和運行時間是全路程的52%和54%。

3.2測試數據的分析經過跟車測試后將原始數據導入軟件，通過軟件分析繪圖得到下面的參數折線圖。如圖1所示，火車運行時GPS所測的海拔數據，因采用GPS測量火車運行時部分區間會因角度或外部環境原因丟失GPS信號，在丟失部分采用插值法進行插值平滑處理。通過對比發現，大氣壓力與海拔高度變化正好成反比，幾乎是一一對應的。車廂內CO2變化：CO2濃度波動較大，CO2濃度與海拔高度變化對應無明顯關系。圖中出現多個波峰波谷，可以發現波峰上升曲線相對較緩下降曲線比較陡。波峰緩慢上升是因為火車在運行時車廂內CO2在緩慢積累，迅速下降則是因為火車到站有乘客上下車開關車門實現車內外對流使CO2濃度迅速下降。火車內CO2規定最高為1500PPM，超過這個數值就必須通風換氣。車廂內O2變化：O2濃度劇烈變化出現在兩個點，可以看到制氧機在快到唐古拉山口時進行增量制氧，快到拉薩時制氧機停止工作。車廂溫度變化：溫度變化也成波浪形，其與CO2濃度變化有一定相似性，且相互反向變化，在圖中“左側”完全遵守這一規律。這與車廂開門上下客頻率有關，溫度上升CO2濃度下降。但左側以后相關性消失，在到達青藏高原后外界溫度已低于車內溫度。同時溫度還受外界溫度變化影響，在過唐古拉山口時因車廂外海拔高、寒冷導致車廂內溫度也相應下降。濕度變化：濕度波動范圍較大但總體始終維持在較高水平。根據經驗判斷，高濃度的CO2加上車廂內濕度較大，在環境中比較容易形成碳酸從而對設備形成腐蝕；高海拔大氣壓下降，導致電氣設備散熱效率大幅度下降；大氣壓下降導致通風效率下降更容易形成污穢；通過紅外熱圖發現電氣柜內有部分元器件溫度偏高。綜上所述發現，經常被忽略的CO2在其中起到重要作用。CO2腐蝕又可稱為甜蝕，其腐蝕最典型特征是呈現局部點蝕、輪癬、狀腐蝕和臺面狀坑蝕。其中，臺面狀坑蝕過程是最嚴重的一種情況。在青藏線上運行的火車車廂由于高原運行需要加壓供氧，始終處在全密封狀態，完全依賴空調換氣，因而導致車廂內換氣效率較低，空氣中CO2濃度偏高濕度大，加上青藏線日夜溫差大，容易導致車廂內凝露。

3.3CO2導致腐蝕CO2一直以來便被認為是產生腐蝕的一個重要因素。CO2干氣本身不具有腐蝕性，但當其溶于水時，對部分金屬材料有極強的腐蝕性。在相同的PH條件下，CO2水溶液的腐蝕性比鹽酸還要強，通過水可以在金屬與金屬接觸的水之間產生電化學反應。CO2極易溶于水，溶于水后得到碳酸并釋放出氫離子。氫離子是強去極化劑，極易奪取電子還原，促進陽極溶解而導致腐蝕。因此，可以通過加強通風來改善CO2濃度過高的問題，還可以采用超氧化物來濾除過高的CO2，對于電氣件的保護可考慮噴涂三防漆將元器件與空氣隔離。在密閉車廂中由于同時存在高濃度的CO2和O2，加之濕度大，導致銅質材料在空氣中也容易發生銹蝕，電路板進水腐蝕之后出現的淡綠色的堿式碳酸銅（銅在潮濕的空氣中生銹的反應方程式為2Cu+O2+CO2+H2O=Cu2(OH)2CO3），其對于高濃度O2導致的問題主要發生在線路板和銅質導線上，線路板可以噴涂三防漆解決，銅電線在壓制時完成后可考慮在壓制頭內側噴三防漆。

4預防電氣設備損壞的辦法

由于青藏車長時間運行在青藏高原上，高原氣溫低，溫差大，大氣氣壓低，列車需要長期處于密閉環境中，僅空調控制車廂內溫度，導致濕度較大且CO2濃度高，容易形成碳酸腐蝕電氣設備，氣壓低散熱差。針對以上情況，提出以下幾點建議：電氣設備加強散熱措施以傳導散熱為主；設備的非觸點部分加噴三防漆可以起到防潮，防腐蝕，防污穢的作用；對于發熱量較大的器件合理安排位置，并加大設備冗余合理優化線路，加大散熱能力，抑制熱量產生；加強車廂內的換氣，加裝類似潛艇上的超氧化物對CO2捕捉設備如過氧化物。

5結語

通過分析研究發現，將實際測試和驗證中發現的問題反饋到生產開發環節，使其在今后的開發生產過程中能夠起到有價值的參考作用，從而為企業和社會帶來效益。

作者：楊海 趙君梅 王鵬 單位：南車集團青島四方有限公司 青島中青電子軟件有限公司