来源：机车电传动

作者：孔德东、宋加庆  

单位名称：株洲时菱交通设备有限公司

关键词：北京地铁 8 号线；逆变模块；烧损；接触电阻；压敏纸；电力复合脂 ; 导电膏；接头发热；防腐蚀；防发热；降电阻；抗氧化；20年免维护

摘要：

对北京地铁8号线主变流器逆变模块铜排烧损故障，通过对各种烧损原因的分析，对材料和工艺存在的问题进行了改善，解决了因设计缺陷导致的模块烧损问题。

1.问题的提出

主变流器（VVVF）的逆变模块是地铁车辆运行的动力源泉，而模块上的铜排则是动力输出的管道。一旦铜排烧损，逆变模块就会功能失效，整个 VVVF 将失去动力输出，导致地铁车辆晚点甚至救援。2014 年8 月到 9 月，北京地铁 8 号线牵引系统的主变流器接连发生了 3 起逆变模块铜排烧损故障，严重影响了车辆的正常运营。所以需要对铜排烧损进行原因分析，并从材料、工艺等方面提出改善措施。

2.故障现象

在逆变模块内部采用铜排连接的方式，将电容和低感母排连接起来，形成电流通路从而传递能量（图1）。将3台故障模块解体后发现，烧损部位一致，集中处于铜排、低感母排和电容的叠加紧固处。将各部件拆解后，确认连接电容P侧和N侧的铜排烧损变色，连接电容和铜排的低感母排接线柱烧损变色，电容P侧和N侧的接线柱烧损变色。

图1 各部件结构示意图

3.原因分析

3.1 紧固状态分析

紧固不良即组装作业时未将螺栓按照标准扭矩紧固，导致部件松动或发生了作业遗漏。但根据现场普查的结果看，超过80% 的模块都存在烧损的现象，发生如此大面积的作业不良几率很小，且如果螺栓有松动现象，则在该部位流入大电流时，温度会急剧上升，在短时间内就会导致烧损的发生，这与车辆运行2 年多后才发生烧损现象不符。

3.2 铜排尺寸分析

铜排尺寸不符，即铜排在生产加工过程中的尺寸偏差导致安装后不能可靠接触。对烧损的铜排进行了尺寸测量，所有测量数据都符合设计偏差要求。对同一模具生产的相同物料进行了重新检查，未发现铜排尺寸不符合设计要求的情况。

3.3 接触面积分析

各部件间的接触面积决定了接触电阻的大小，设计中的铜排、低感母排和电容接线柱间的接触面积也应满足电流值的要求。按照操作要领，用7 N·m 的扭矩进行紧固即可达到预计接触的状态，为此，采用压敏纸对实际情况下不同扭矩的接触状态进行确认。

图2 压敏纸放置位置图

通过以上的分析得出，在设计截面积完全满足电流密度容量的条件下，铜排、低感母排和电容之间的有效接触面积决定了接触电阻的大小，在通过额定电流的情况下，该部位因接触电阻大而发热严重，此处聚集了大量的焦耳热，最后导致铜排及螺栓的烧损。在产品正常的组装过程中，由此设计缺陷导致的接触面积不足并不能被发现，从而导致不合格产品的流出。

4.整改措施

为了弥补设计缺陷导致的模块烧损问题，通过以下3个方面制定了整改方案。

4.1 增加螺栓的紧固扭矩值

螺栓的扭矩值，是根据电容安装需要，由黄铜材质的短接螺栓决定。按照国外设计标准，强度等级为4.8的M8螺栓对应的扭矩值为7±0.5N·m。逆变模块在设计时把此值当做了电容接线柱的强度对应值。实际上烧损部位使用的螺栓为碳钢材质，相应的扭矩值应为13.7N·m。

4.2 改变铜排的形状设计

将单块截面积为15×35=525 mm2 的铜排变更为2×55×5 =550 mm2 的铜排（5 层叠加）。通过提高主电路铜排的柔韧性来改善通电部位接触面的接触状态，同时，提高铜排的载流量以加大安全裕量。由于搭接的铜排是用于导流的，所以采用层叠铜排后，并不对模块的强度造成影响。

4.3 组装作业时涂抹导电膏

机械部件无论加工面如何光洁，从细微结构来看，都是凹凸不平的，实际有效的接触面只占整个接触面的一小部分，各种金属在空气中还会生成一层氧化层，使有效接触面积更小。为更进一步地改善接触状态，在铜排与低感母排的接触面、低感母排和电容接线柱的接触面分别涂抹导电膏，这样导电膏中的锌、镍、铬等细粒填充在接触面的缝隙中，等同于增大了导电接触面，金属细粒在压缩力或螺栓紧固力作用下，能破碎接触面上金属氧化层，使接触电阻减小，相应地也降低了接触部位导电时的温升。

5.结语

经过验证，整改措施实施后有效地改善了原烧损部位的接触状态，增大了各部位间的接触面积，理论上杜绝了再次烧损的可能。改造后的逆变模块经过近10 万km 的运行后，以随机抽验的方式进行了实际的效果验证，确认改造处的铜排状态良好。通过对此次烧损事件的整个处理过程可以发现，扭矩值的设定在整个机械设计中，尤其是在多层次的部件贴合中，具有重要的意义。在对机械部件的组装过程中，要结合工艺的特点对关键点位设置必要的安全裕量，在设计的同时，有必要对这些点位进行充分的验证，才能够保证产品的质量。北京地铁8号线目前已经全面采用北京国网互联电力复合脂，有效提升连接部件的可靠性，降低发热腐蚀。