動車組用牽引變壓器散熱器壽命的研究

蘭日輝，李大偉，王惟丹，劉豆

（大同ABB 牽引變壓器有限公司，山西 大同 037000）

牽引變壓器是用來把接觸網標稱25kV 高壓電轉換為牽引系統所需的低電壓，其在額定運行時會產生負載損耗，從而會產生熱量。冷卻單元的功能是把變壓器內部產生的熱量轉移到外部空間的裝置，它通過冷卻風機提供必需的氣流來冷卻循環油，保證牽引變壓器在合適的溫度下工作。因此，冷卻單元是機車車輛設備安全、可靠、高效運行的重要保障。

圖1 國內某動車組牽引變壓器冷卻系統

基于國內動車組檢修周期延長的背景下，即五級修由原480 萬km 或12 年延長至660 萬km 或15 年。散熱器作為冷卻單元的關鍵部件，目前也是動車組五級修的必換件，隨著國內動車組大批量投入運用，提高其使用壽命已經成為各方共同關注的關鍵技術問題。而影響散熱器壽命最突出的故障為滲漏油，滲漏油不僅會污染環境，而且還會影響牽引變壓器的安全運行。

1 散熱器組成結構

散熱器按照型式分類主要板翅式、管翅式和板式，管翅式換熱器主要應用于空調等制冷行業內，板式換熱器主要應用于化工及海上等高鹽霧環境。由于板式換熱器主要用于兩種液體間的熱交換散熱，不太適用于軌道交通這種空液換熱，而相對管翅式散熱器而言，板翅式散熱器的傳熱效率更高、體積更加緊湊，因此，從型式上選擇了板翅式。目前，國內機車和動車組上變壓器用散熱器一直采用板翅式換熱芯體結構，主要由隔板、翅片、封條和導流片等零件堆疊釬焊而成，具有結構緊湊、傳熱效率高、適應性強和可靠性高等特點。

圖2 板翅式散熱器結構示意

板翅式散熱器內油通道主要由進油腔、散熱器芯體（分上部和下部2 個油通道）、散熱器后端油腔、散熱器出油腔等構成，散熱器前端油腔中間設置了進出油腔隔板，將進油腔和出油腔分隔成2 個腔室，從變壓器箱體出來的高溫油，通過進油口、芯體、油室、芯體、出油口，完成變壓器油的熱交換。考慮到加工成本和制造效率，翅片由磨具沖制而成（沖壓），材質為3 系和5系鋁合金，并在其外表面增加涂層提高其耐腐蝕能力，涂層的應用和選型主要根據實際運行的數據確定。目前，動車組散熱器均采用的是較成熟的電泳處理，電泳的膜厚結合實際工藝要求、不能堵塞芯體翅片的前提和不影響散熱性能的原則，膜厚一般確定在15 ～40μm。

2 散熱器故障模式

2.1 機械損傷

（1）翅片倒伏。除外觀質量問題外，翅片倒伏會引起散熱器風阻增加，影響散熱性能。

（2）磕碰變形。除外觀質量問題外，可能會引起散熱器局部滲油或影響安裝接口尺寸。

2.2 散熱性能下降

（1）空氣通道堵塞。翅片表面附著大量臟污，風阻增大，導致換熱效率降低。

（2）變壓器油滲漏。輕微的滲油不會引起散熱性能下降，當滲油嚴重時，會導致變壓器主油箱油位降低，不能及時帶走繞組產生的熱量，導致變壓器高溫報警或燒損。

（3）電泳涂層太厚。太厚的電泳涂層會影響翅片的熱交換效率，導致散熱性能下降。

3 壽命限制因素

散熱器框架結構設計強度較好，產品焊接滿足工藝要求的情況下強度設計滿足全壽命周期，散熱器失效因素主要為腐蝕滲漏。

3.1 腐蝕滲漏原因

腐蝕滲漏包括內因和外因兩部分：內因主要包括散熱器表面防腐層工藝質量、散熱器隔板耐腐蝕程度和散熱器隔板厚度三方面因素。外因主要包括日常運用維護方法、運行路線環境兩方面因素。內因和外因共同影響個體散熱器的使用壽命。通過調研，相同散熱器在不同線路運用后散熱器檢修時滲漏率有很大差別，不同防腐工藝的散熱器在相同運用環境下使用壽命差異較大。除上述影響因素外，引起散熱器滲漏的其他因素是清洗散熱器時操作不規范，清洗后未按規定用壓縮空氣吹干散熱器表面，清洗液較長時間附著在散熱器表面，同樣導致隔板上發生電化學反應而產生電化學腐蝕。其中基材（尤其是原子態Al）、環境（大氣，或純粹的自然環境如露水或雨水，或人造環境如清洗液殘留，或者是兩者或三者的交叉）中的O2和H2O，是腐蝕反應的重要原料。三水鋁石則是腐蝕反應的主要產物。主要腐蝕過程涉及電極反應如下：

陽極反應（鋁的陽極溶解）：Al=Al3++3e-

陰極反應（耗氧反應）：2H2O+O2+4e-=4OH-

陰、陽極反應產物發生近距離遷移，當[Al3+]、[OH-]離子濃度積達到Al(OH)3的溶度積時，發生以下沉淀反應，生成腐蝕產物。

總反應如下：

3.2 腐蝕速度影響因素

（1）成分。散熱器芯體材料中化學成分、組織結構等不均勻，導致電化學性能不均，是腐蝕失效的最根本原因。之所以產生材料中化學成分、組織結構不均勻現象，是因為材料固有特性（化學成分不均、熱處理工藝等）、散熱器芯體經過特殊的焊接制造過程，焊接接頭組織中存在O、Si、Fe 等元素富集現象。組織結構和化學成分不均帶來的直接后果是：一旦材料表面產生液膜，則形成大量腐蝕微電池，為濕腐蝕的誘發創造最有利的條件。

（2）結構。板翅式芯體的翅片凹槽結構，易吸附液體（因凝露、雨淋或清洗后干燥不徹底而在翅片凹槽結構中產生積液的情況），為液膜甚至“微型水池”的形成創造了條件，成為電化學腐蝕誘導、發展的溫床。

（3）涂層。散熱器隔板涂層分布不均，由于涂層的高電阻特性，能夠阻礙電子的傳導，因此，能夠有效阻斷腐蝕發生的傳質通道。此外，涂層的物理屏蔽作用也能有效避免侵蝕性介質和基體材料直接接觸。相比之下，非涂層區缺乏涂層的保護，裸露的基材更容易遭受環境介質的侵蝕。另一方面，非涂層區與涂層區還會形成電化學上的陰極保護效應，進一步加速非涂層區的腐蝕。

（4）維護。在服役期間，散熱器需要維護清洗，其中水洗、干燥是重要環節。清洗用水的水質控制不到位，干燥不充分，特別是大量高導電率用水的殘留，極易誘發電化學腐蝕。

（5）環境。散熱器的腐蝕與列車的運行環境、列車設備艙的密封性有至關重要的關系，列車長時間運行于高風沙、濕度較高的環境下，容易對散熱器翅片表面鍍層造成磨損，且濕度較高的環境下運行，更容易在散熱器空氣通道內部造成堵塞并形成電解質，加速散熱器的腐蝕。

（6）業內廠家實力。既有主流車型供應商主要包括中車大連所、時代金屬、天津馬勒和無錫金鑫，配裝變流器冷卻單元和變壓器冷卻單元散熱器覆蓋車型包括CRH1、CRH2、CRH380D、CRH380 平臺動車組、CRH5 及復興號平臺動車組，采用的散熱器防腐蝕方案按照時間先后順序為表面鈍化、單涂層、雙涂層和電泳處理。根據研究，鈍化涂層散熱器使用壽命為6 年，雙涂層散熱器使用壽命為8 年，新型電泳涂層使用壽命為12 年。

（7）進風方式。冷卻單元進風方式主要分為水平進風和垂直進風兩種方式，一般來講，在其他因素相同的情況下，垂直進風方式更加有利于雜質和水的排出，不易造成雜質和水的長時間積累。但是，具體進風方式除了考慮壽命影響因素外，還要考慮車體布局等特殊結構要求。

（8）介質溫度。散熱器介質溫度對散熱器壽命同樣存在影響，比如，頻繁的高低溫交替會導致散熱器涂層加速老化。在同樣的鹽霧環境下，環境溫度越高，涂層老化速率越快。但目前還未查到介質溫度與腐蝕老化速率的定量對比相關資料。

4 延長散熱器使用壽命措施

4.1 涂層增加二次電泳

為了提高散熱器的耐腐蝕能力，在對散熱器電泳程序時，分兩段進行施加電壓。具體如下：第一次電泳程序分三段進行施加電壓，第一段電壓200V，時間2 分鐘，第二段電壓300V，時間2 分鐘，第三段電壓360V，時間10 分鐘，第二次電泳程序為施加360V 電壓，持續10分鐘，合計進入電泳槽電泳2 次。具體如下，為第一次電泳程序分三段進行施加電壓，第一段電壓200V，時間2 分鐘，第二段電壓300V，時間2 分鐘，第三段電壓360V，時間10 分鐘，第二次電泳程序為施加360V 電壓，持續10 分鐘，合計進入電泳槽電泳2 次。

表1 參數對比表

4.2 驗證

散熱器進行二次電泳后進行工藝驗證及依據標準GB/T 10125 進行1000 小時酸性鹽霧試驗，確保可靠性。

5 結語

根據上述分析和調研，影響散熱器故障的因素較多，動車散熱器運行地域、氣候環境條件、列車運行速度、散熱器的通風結構形式和維護保養等方面的差異，無法完全通過仿真計算量化，需要運行數據支撐。在實施新的電泳工藝后，可以提高散熱器的耐腐蝕能力，對延長其使用壽命有一定的貢獻。