31.5kV電力機車牽引斷路器用真空滅弧室的研制

王帥

摘 要：在電力機車牽引斷路器中，真空滅弧室起著電氣連通、分斷的重要作用，真空滅弧室的可靠運行是電力機車安全運行的根本。本文介紹一種機械壽命高、電壽命長、絕緣水平高的31.5 kV真空滅弧室。首先介紹了31.5 kV真空滅弧室的工作原理并主要從真空滅弧室的機械壽命高、真空滅弧室的電壽命長和真空滅弧室絕緣水平高3個方面分析了其關(guān)鍵技術(shù)。最后介紹了31.5 kV真空滅弧室的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝。

關(guān)鍵詞：機械壽命；電壽命；絕緣性能

中圖分類號：TM56 文獻標志碼：A

0 引言

電力機車所用電能從接觸網(wǎng)獲得， 再由裝在車頂?shù)氖茈姽瓕?dǎo)入車體，然后經(jīng)過主斷路器進入牽引變壓器的原邊，降壓后輸入特殊形式的整流器和電抗器，使之成為電壓可以平滑調(diào)節(jié)的直流電流，供給牽引電動機。

牽引斷路器是電力機車的一個重要電氣部件，安裝在機車頂蓋上，它是整車與接觸網(wǎng)之間電氣連通、分斷的總開關(guān)，是機車上最重要的保護設(shè)備，當機車發(fā)生各種嚴重故障時能迅速、可靠、安全地切斷機車總電源，從而保護電力機車。

機車行駛20 km～25 km要進行過分相操作，從而要求牽引斷路器頻繁操作，機械壽命達到25萬次以上。

真空滅弧室是真空斷路器的核心組件，對其電氣性能可靠性、抗環(huán)境變化能力要求極高，“機械壽命”“電壽命”遠遠高于常規(guī)配電斷路器用真空滅弧室的要求，為滿足該領(lǐng)域產(chǎn)品需求，東芝白云真空開關(guān)管（錦州）有限公司依托多年制造真空滅弧室的經(jīng)驗及技術(shù)基礎(chǔ)，自主研制開發(fā)出SVB-30L25M型真空滅弧室。

1 31.5 kV電力機車牽引斷路器用真空滅弧室工作原理

真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)：其外殼由陶瓷等無機絕緣材料制成，兩端用金屬蓋板封接組成一個密閉容器，用高真空作為絕緣介質(zhì)。由于動導(dǎo)電桿和金屬蓋板之間密封有波紋管，所以動導(dǎo)電桿可以沿軸向運動從而帶動觸頭完成合、分動作。在觸頭和波紋管周圍都設(shè)有屏蔽罩。當動、靜觸頭在操動機構(gòu)作用下合閘時，動、靜觸頭閉合，電源與負載接通，電流流過負載。反之當動、靜觸頭在操動機構(gòu)作用下帶電分閘時，觸頭間產(chǎn)生真空電弧，真空電弧依靠觸頭上蒸發(fā)出來的金屬蒸汽維持，直到工頻交流電流接近零時，金屬蒸汽將接近停止蒸發(fā)，同時真空電弧的等離子體很快向四周擴散，電弧就被熄滅，觸頭間隙的介質(zhì)迅速由導(dǎo)電體變?yōu)榻^緣體，于是電流就被分斷。

2 31.5 kV電力機車牽引斷路器用真空滅弧室的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 真空滅弧室的機械壽命高

真空滅弧室的機械壽命高，其關(guān)鍵技術(shù)在于真空開關(guān)管的波紋管結(jié)構(gòu)和真空開關(guān)管導(dǎo)電桿的機械強度2個方面。

（1）波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮“拉伸壽命”和“抗腐蝕能力”，因為牽引斷路器安裝在電力機車車頂，長期在鹽霧、潮濕的環(huán)境中使用。

材料方面：由于該領(lǐng)域產(chǎn)品要求機械壽命高達30萬次，長期在鹽霧潮濕的環(huán)境下運行使用，我們選擇了鎳鉻鉬鈮合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SUS316L材料，拉伸壽命、抗腐蝕能力均優(yōu)于SUS316L。

波紋管加工工藝選擇了帶底結(jié)構(gòu)旋壓一體成型的無縫波紋管，與卷焊波紋管對比，其優(yōu)點是不存在氬弧焊縫，材料厚度均勻，產(chǎn)品一致性好。

通過軟件對機械壽命進行仿真計算，最終確定選用14個波能夠滿足產(chǎn)品性能要求，如果設(shè)計的波紋管拉伸壽命不能滿足要求，當壽命終了時會因波紋管開裂導(dǎo)致真空開關(guān)管漏氣失效。

由于產(chǎn)品使用環(huán)境的特殊性，對波紋管表面增加鍍鎳工藝，尤其是波紋管內(nèi)壁的電鍍質(zhì)量控制，因為波紋管內(nèi)壁與大氣環(huán)境直接接觸，從而提高波紋管的耐腐蝕能力。

（2）導(dǎo)電桿機械強度方面設(shè)計時考慮動桿變形發(fā)生卡滯和動桿彎曲變形的不良，因為機械壽命250 000次遠遠大于常規(guī)真空滅弧室30 000次，傳統(tǒng)無氧銅材料機械強度不能滿足使用要求。

動導(dǎo)電桿加強結(jié)構(gòu)，在無氧銅導(dǎo)電桿中間增加不銹鋼芯，用來增加導(dǎo)電桿的機械強度，雖然在導(dǎo)電性能方面有影響，但能夠滿足1 000 A額定電流的使用要求。

2.2 真空滅弧室的電壽命長

“電壽命”方面，要求在額定電流下滿足30 000次，關(guān)鍵技術(shù)在于真空開關(guān)管觸頭耐燒蝕率，設(shè)計時考慮電極結(jié)構(gòu)及觸頭材料的選擇。

電極結(jié)構(gòu)方面， 我們對縱磁電極和橫磁電極進行對比，電弧形式：縱磁場為擴散行電弧，弧壓低，改善了觸頭表面的電流密度分布，觸頭燒損??；橫磁場為集聚型電弧，弧壓相對縱磁要高，觸頭燒損嚴重，因此縱磁電極結(jié)構(gòu)在電壽命方面較橫磁場有優(yōu)勢。

對觸頭材料提出如下要求：開斷性能好、耐壓性能高、含氣量低、導(dǎo)電性能優(yōu)、抗熔焊性能好及電侵蝕率低。由于使用條件為頻繁開斷，因此將觸頭材料的含氣量、抗熔焊性能、電侵蝕率3個方面作為首要條件。

2.3 真空滅弧室絕緣水平高

由于產(chǎn)品安裝在機車頂上，在戶外使用時，由于機車行程復(fù)雜，因此要求真空滅弧室能夠滿足高海拔、雷雨天氣等惡劣環(huán)境。屏蔽罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計，除了考慮其對產(chǎn)品開斷能力、弧后絕緣以及電場等影響外，還要考慮長期進行“合、分”操作后電弧的金屬蒸汽對瓷殼內(nèi)壁的蒸發(fā)，導(dǎo)致真空開關(guān)管沿面絕緣的降低，因此產(chǎn)品的屏蔽罩結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮遮擋金屬蒸汽，減少對瓷殼內(nèi)壁的污染。

3 31.5 kV電力機車牽引斷路器用真空滅弧室關(guān)鍵生產(chǎn)工藝

真空滅弧室生產(chǎn)工藝流程：零件經(jīng)過工藝處理進行部件組裝、整管組裝，整管焊接完成后的電氣試驗（包括X射線檢測、電流老煉、電壓老煉、無負荷開閉），經(jīng)過靜放置后進行發(fā)貨試驗。

關(guān)鍵生產(chǎn)工藝如下。

3.1 X射線檢驗

X射線檢驗主要用來檢測整管焊接出爐后內(nèi)部零部件釬焊狀態(tài)是否有異常，例如零件位置傾斜或脫落、釬焊焊縫不良、焊料噴濺等不良問題，通過X射線能夠檢測出產(chǎn)品釬焊異常。

3.2 旋轉(zhuǎn)式電流老煉工藝

其工藝原理是觸頭間通過直流電弧高溫燒蝕，去除表面贓物、氧化物，提高觸頭表面清潔度去除尖端毛刺，起到了凈化觸頭表面，去除表層吸附氣體作用；同時使合金觸頭表面熔融，重熔層Cr顆粒分布均勻，從而提高了產(chǎn)品開斷性能及可靠性。

3.3 組合式電壓老煉工藝

真空開關(guān)管觸頭拉開一定開距，兩端施加高電壓導(dǎo)致間隙擊穿放電，真空間隙的擊穿可以由電極表面微觀突起處的強場發(fā)射引起，也可以由松散的黏附在電極表面的金屬微粒的釋放或電極表面吸附氣體層的解吸引起。

利用電子和離子轟擊固體表面以消除因加工過程導(dǎo)致的電極、屏蔽罩零件表面尖端毛刺和異物，改善真空滅弧室的耐壓特性；隨著老煉時間的增加，零件間的高壓放電趨于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品的擊穿電壓，在觸頭表面形成均勻分布的擊穿點，觸頭表面的放電痕跡基本上覆蓋了整個觸頭表面，改善了觸頭和屏蔽罩表面狀態(tài)。

4 型式試驗驗證

該公司通過對牽引斷路器用真空滅弧室設(shè)計方案和生產(chǎn)工藝進行反復(fù)論證，在2015年成功研制出SVB-30L25M型單斷口牽引斷路器用長壽命真空開關(guān)管。

2016年8月，該公司生產(chǎn)的SVB-30L25M型真空滅弧室配合用戶在國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，依據(jù)GB/T21413.4—2008鐵路應(yīng)用機車車輛電氣設(shè)備交流斷路器規(guī)則，IEC 61373：2010鐵路應(yīng)用機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗等相關(guān)標準，一次性順利通過全部型式試驗。

5 結(jié)語

東芝白云真空開關(guān)管（錦州）有限公司自主研制了31.5 kV高參數(shù)、高可靠性的電力機車牽引斷路器用真空滅弧室。對其機械性能、絕緣性能及相關(guān)生產(chǎn)工藝的研究表明：

（1）通過對波紋管材料的選擇及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，滿足其機械性能要求。

（2）通過對電極結(jié)構(gòu)設(shè)計及觸頭材料的選擇，滿足其電壽命要求。

（3）通過對屏蔽罩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，減少金屬蒸汽對瓷殼內(nèi)壁的污染，滿足絕緣性能要求。

（4） “X射線檢驗”“旋轉(zhuǎn)式電流老煉”“組合式電壓老煉”等關(guān)鍵生產(chǎn)工序是真空滅弧室高可靠性的保障。

（5）SVB-30L25M型真空滅弧室在國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心順利通過了型式試驗，進一步驗證了其性能的安全可靠。

參考文獻

[1]王季梅.真空滅弧室設(shè)計、制造及其應(yīng)用[M].北京：西安交通大學(xué)出版社，1993.

[2]王季梅，苑舜.大容量真空開關(guān)理論及其產(chǎn)品開發(fā)[M].西安交通大學(xué)出版社，2001.