一種電動(dòng)車組用真空斷路器的設(shè)計(jì)開發(fā)

陳 富， 趙志強(qiáng)

(長春軌道客車股份有限公司， 吉林長春 130062)

?

一種電動(dòng)車組用真空斷路器的設(shè)計(jì)開發(fā)

陳 富， 趙志強(qiáng)

(長春軌道客車股份有限公司， 吉林長春 130062)

從電動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)用需求出發(fā)，參照絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)，選取絕緣材料，確定絕緣方案并完成電動(dòng)車組用新型真空斷路器的設(shè)計(jì)開發(fā)。運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明新型真空斷路器符合設(shè)計(jì)要求。

電動(dòng)車組； 真空斷路器； 絕緣設(shè)計(jì)

在霧霾、凍雨等惡劣天氣情況下，電動(dòng)車組的真空斷路器易出現(xiàn)污閃、拉弧等故障，影響其安全可靠運(yùn)行。根據(jù)中國氣候條件的實(shí)際情況，需要設(shè)計(jì)開發(fā)絕緣性能更好的新型真空斷路器來保證電動(dòng)車組的可靠性。本文進(jìn)行了幾種典型絕緣材料的物理性能和電性能橫向?qū)Ρ确治觯_定了真空斷路器絕緣材料和高壓絕緣方案，采用同類型真空斷路器的成熟原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)，最終完成新型真空斷路器的設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 比較分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]中關(guān)于部件的電氣間隙和爬電距離選取原則，文獻(xiàn)[4-5]中關(guān)于電動(dòng)車組用真空斷路器需要達(dá)到額定雷電沖擊耐受電壓為185 kV、工頻濕耐受電壓為85 kV，并且電動(dòng)車組車頂高壓帶電部分對(duì)地絕緣間隙一般情況下應(yīng)大于360 mm的技術(shù)要求，最終確定新型真空斷路器電氣間隙不小于380 mm、爬電距離不小于1 150 mm。

目前，在國內(nèi)外鐵路行業(yè)，還沒有以上所述技術(shù)參數(shù)的真空斷路器產(chǎn)品在電力機(jī)車和電動(dòng)車組上應(yīng)用的業(yè)績，需要對(duì)真空斷路器重新進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。由于采用了同類型真空斷路器的成熟原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)，新型真空斷路器的設(shè)計(jì)開發(fā)工作主要集中在絕緣材料的選取和絕緣設(shè)計(jì)上。電力機(jī)車和電動(dòng)車組高壓部件使用的絕緣材料有特種橡膠、樹脂基復(fù)合材料、陶瓷等幾種，具有各自獨(dú)特的性能特點(diǎn)。下面簡要對(duì)比分析絕緣材料的物理性能和電性能。

乙丙橡膠具有優(yōu)良的耐電暈性、耐游離放電的能力，和突出的耐熱老化、氣候老化、臭氧老化性能，對(duì)各種極性的化學(xué)藥品和酸、堿有較大的抗耐性。乙丙橡膠用于制作35～275 kV的中壓、高壓電線電纜，其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 乙丙橡膠的電性能

目前，已被公認(rèn)為耐熱90℃絕緣材料和良好的高壓絕緣橡膠，在許多電纜產(chǎn)品上全部或部分取代傳統(tǒng)的丁苯橡膠和丁基橡膠[6]。

環(huán)氧樹脂是主要熱固性復(fù)合材料的樹脂基材料。高性能熱固性樹脂，它帶有高活性基團(tuán)的低分子量的聚合物或預(yù)聚體或低聚體，多數(shù)是通過縮聚反應(yīng)來合成的。環(huán)氧樹脂是由雙酚A和環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行縮聚而得，粘附力大、機(jī)械強(qiáng)度高，具有較好的耐寒性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐老化性及耐熱性。具有固化成型收縮率低，尺寸穩(wěn)定性好，同時(shí)具有較好的介電性能。環(huán)氧樹脂電性能如表2。

表2 環(huán)氧樹脂的電性能

目前，環(huán)氧樹脂材料多用作電動(dòng)車組電壓互感器和電流互感器的絕緣材料。由環(huán)氧樹脂所制造的部件多為一次性模鑄成型結(jié)構(gòu)，不適合作為需要裝配工序的真空斷路器外絕緣材料。

陶瓷材料利用精密控制工藝成形燒結(jié)制成，對(duì)酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。線膨脹系數(shù)比金屬低，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性。具有良好的電絕緣性，大量用于制作各種電壓等級(jí)的絕緣器件。陶瓷材料是工程材料中剛度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1 500 HV以上，但抗拉強(qiáng)度較低，塑性和韌性差。由于電動(dòng)車組高壓絕緣間隙要求大于360 mm和電氣間隙應(yīng)大于380 mm的技術(shù)需求，真空斷路器的絕緣體將達(dá)到近400 mm高度。以目前的材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝水平，使用陶瓷材料制作400 mm高度的絕緣體機(jī)械強(qiáng)度難以滿足要求，一旦使用容易出現(xiàn)底部開裂。

硅橡膠是由有機(jī)硅氧烷及其他有機(jī)硅單體在酸或堿性催化劑存在下，聚合而成的一類線狀高分子彈性體[6]。屬于半有機(jī)半無機(jī)的高分子聚合物，有許多優(yōu)異的性能。具有較高的耐熱性和優(yōu)異的耐寒性，優(yōu)良的耐電暈、抗電弧性等電絕緣性、阻燃性、耐臭氧老化、熱老化、紫外光老化和大氣老化性能，具有較好的耐油性和耐溶劑性能。對(duì)硅橡膠材料進(jìn)行試驗(yàn)檢測，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

表3 硅橡膠材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 技術(shù)方案

目前，電力機(jī)車和電動(dòng)車組使用的真空斷路器多數(shù)采用陶瓷材料作為其主絕緣體。由于陶瓷材料固有的物理特性，國內(nèi)外尚未開發(fā)出高于或接近本文所述文件要求的車載真空斷路器。并且電氣間隙不小于380 mm的真空斷路器陶瓷絕緣子的可靠性還需要驗(yàn)證。

考慮到硅橡膠、環(huán)氧樹脂和玻璃纖維材料的成熟性和經(jīng)濟(jì)性，本文所設(shè)計(jì)的真空斷路器外絕緣采用內(nèi)部為環(huán)氧樹脂浸漬玻璃纖維管，外護(hù)套采用硅橡膠材料的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)。利用環(huán)氧樹脂浸漬玻璃纖維管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足真空斷路器的機(jī)械強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，利用硅橡膠優(yōu)良的電氣特性滿足真空斷路器的電氣性能的設(shè)計(jì)要求。依據(jù)文獻(xiàn)[7]中關(guān)于污穢環(huán)境下復(fù)合材料絕緣子傘裙、傘傾角、傘伸出等關(guān)于外絕緣外形結(jié)構(gòu)的界定，并結(jié)合文獻(xiàn)[8]中關(guān)于復(fù)合材料絕緣子技術(shù)要求進(jìn)行真空斷路器外絕緣的設(shè)計(jì)，達(dá)到電氣間隙不小于380 mm、爬電距離不小于1 150 mm的技術(shù)要求。依據(jù)文獻(xiàn)[9-12]中有關(guān)真空斷路器的各項(xiàng)規(guī)定，并采用同類型產(chǎn)品的真空包、法蘭等零部件和相同的工作原理來完成真空斷路器其他機(jī)械和電氣方面的設(shè)計(jì)開發(fā)。

新型真空斷路器采用立式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度明顯高于其他類似產(chǎn)品，所以非常有必要運(yùn)用軟件仿真分析真空斷路器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足需求。按照文獻(xiàn)[13]中1類A級(jí)振動(dòng)及沖擊等級(jí)要求，利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析計(jì)算。新型真空斷路器的應(yīng)力分布仿真計(jì)算結(jié)果見圖1。ANSYS軟件的分析結(jié)果表明最大應(yīng)力分布在底板處，數(shù)值為21.02 Mpa，小于鋁合金材料屈服強(qiáng)度，表明該型真空斷路器的強(qiáng)度滿足技術(shù)要求。

圖1 真空斷路器仿真計(jì)算結(jié)果

完成新型真空斷路器試制和設(shè)計(jì)試驗(yàn)后，樣品被送到鐵道部機(jī)車車輛檢驗(yàn)站按照文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[13-14]中真空斷路器的相關(guān)試驗(yàn)條款和試驗(yàn)方法進(jìn)行了全部型式試驗(yàn)項(xiàng)目檢驗(yàn)，其中一般檢查、電磁閥線圈電阻測量、干燥通風(fēng)試驗(yàn)、壓力開關(guān)調(diào)整試驗(yàn)、機(jī)械操作試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、時(shí)間與位移測量、主回路接觸電阻測量、絕緣電阻測量、工頻耐壓試驗(yàn)、工頻濕耐壓試驗(yàn)、沖擊耐壓試驗(yàn)、工作限制試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、機(jī)械耐久性試驗(yàn)、環(huán)境溫度變化試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)、外殼防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)、額定短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)全部合格通過。真空斷路器的沖擊耐壓、工頻耐壓、工頻濕耐壓水平分別達(dá)到了185，100，85 kV，并且該真空斷路器可以在-40℃～+70℃寬環(huán)境溫度范圍正常工作。

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的新型真空斷路器，在國內(nèi)首次采用環(huán)氧樹脂浸漬玻璃纖維管和硅橡膠復(fù)合絕緣體，并已成功運(yùn)用于CJ-1型動(dòng)車組。經(jīng)過例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)的驗(yàn)證考核，證明環(huán)氧樹脂浸漬玻璃纖維管與硅橡膠復(fù)合形式的外絕緣技術(shù)方案是可行的。新型真空斷路器的絕緣設(shè)計(jì)滿足最新的國內(nèi)鐵道行業(yè)技術(shù)要求，并且實(shí)現(xiàn)了在國內(nèi)電動(dòng)車組的應(yīng)用，為其他電力機(jī)車和電動(dòng)車組的研制開發(fā)提供一種不同的真空斷路器絕緣技術(shù)方案。

[1] EN 50124-1:2006. 鐵路應(yīng)用-絕緣配合 第一部分：基本要求-所有電氣和電子設(shè)備的電氣間隙和爬距[S].

[2] GB311.1-1997. 高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合[S].

[3] GB311.2-2002. 絕緣配合 第2部分：高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合使用導(dǎo)則[S].

[4] 郭晨曦. 電力機(jī)車/動(dòng)車組高壓絕緣設(shè)計(jì)問題探討[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2010，30(2):1-4

[5] 郭晨曦，張繼元. 牽引供電系統(tǒng)過電壓與電力機(jī)車、電動(dòng)車組絕緣水平的選擇[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2006，26(4)：65-68.

[6] 郭紅霞. 電線電纜材料-結(jié)構(gòu)·性能·應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[7] IEC 60815-3-TS, Ed. 1.0. 污染環(huán)境用高壓絕緣子的選擇和尺寸選定.第2部分:交流電系統(tǒng)用聚合物絕緣子[S].

[8] TB/T 3077.2-2006. 電力機(jī)車車頂絕緣子 第2部分：復(fù)合絕緣子[S].

[9] IEC 60077-1-1999. 鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛用電氣設(shè)備 第1部分:一般運(yùn)行條件和一般規(guī)則[S].

[10] IEC 60077-4-2003. 鐵路設(shè)施.機(jī)車車輛用電氣設(shè)備.電工元件.交流斷路器規(guī)則[S].

[11] UIC 797-2000. 變電所-牽引單元電氣保護(hù)的協(xié)調(diào)配合[S].

[12] EN 50153-2002. 中文版 歐洲標(biāo)準(zhǔn):鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛-電氣隱患防護(hù)的規(guī)定[S].

[13] IEC 61373-2010. 鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛設(shè)備沖動(dòng)和振動(dòng)試驗(yàn)[S].

[14] DIN 5510-2-2009. 鐵路車輛防止燃燒-第2部分：材料和構(gòu)件的燃燒特性和燃燒并發(fā)現(xiàn)象[S].

Design and Development of Vacuum Circuit Breaker for EMU

CHENFu,ZHAOZhiqiang

(CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062 Jilin, China)

According to the requirements of EMU operation, the standards of insulation coordination are referenced, an insulating material is selected from four insulating materials, the insulating scheme is confirmed and a new type of vacuum circuit breaker for EMU operation is designed. The simulation of vacuum circuit breaker is executed by software ANSYS, and the results of the simulation are satisfactory. The design tests and type tests of the new vacuum circuit breaker are executed, and the results of these tests are excellent.

EMU; VCB; insulation design

1008-7842 (2015) 03-0056-03

男，工程師(

2014-12-08)

U264.7

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.13