一種集成式高壓柜設計及強度仿真

杜加亮

摘 要：高壓柜作為城市軌道車輛中重要組成部分，其性能直接影響到車輛的正常運轉。本文從主電路分析計算、結構設計、安全性等方面詳細介紹了一種集成式設計的高壓柜。

關鍵詞：城軌；高壓柜；設計；仿真

高壓柜是電氣牽引系統主電路的前級構成部分， 是牽引高壓回路的保護開關，給車輛上的牽引設備提供過流和短路保護，同時也為輔助系統提供過流保護以及車間電源供電。針對上述對高壓柜的特殊需求，設計了一種集成式高壓柜。

1 主要參數及整體方案

1.1 主要參數

高壓柜的主要參數：

a.額定輸入電壓：DC1500V b.輸入電壓范圍：DC1000V～DC1800V c.牽引支路額定輸出電流：2×DC450A d.輔助支路額定輸出電流：2×DC147A e.高速斷路器脫扣值ids：1500A f.質量：420kg。

1.2 主電路原理圖

高壓柜原理圖如圖1。正常運行時，DC1500V電源從受電弓，經過三位置轉換開關（BQS）、高速斷路器（HB1＼HB2），將電源輸送到本＼它車牽引逆變器；經過三位置轉換開關（BQS）、隔離二極管（1D01）、輔助熔斷器（F1＼F2），將電源輸送到本＼它車輔助逆變器；庫內調試時DC1500V電源從車間電源插座（WXP）將電源輸送到本＼它車輔助逆變器。停車檢修時三位置轉換開關使高壓電路在無電的狀態下可靠接地，避免人身危險。隔離二極管（1D03＼1D02）用于隔離車間電源插座。

1.3 主電路參數計算

1） 輔助熔斷器。輔助逆變器采用分散供電，F1與F2支路電流相同，平均電流值為：

PSIV—輔助逆變器額定功率

UM—額定輸入電壓

過載系數：一般取1.2～1.6

溫度降容系數：0.88 （45℃）

熱連接降容系數：0.85 （連接母排載流量2～3A/mm2）

分散式供電：In=147×1.2/0.88/0.85≈236（A）

城軌線路時間常數取15ms

故采用2000V/315A的熔斷器。

2） 高速斷路器。每一個高速斷路器給每輛動車的牽引逆變器（VVVF）提供保護，高速斷路器僅用于牽引回路，其動作由牽引控制單元（DCU）或過流脫扣裝置觸發。牽引逆變器的主要參數：a.額定電流DC450A b.額定電壓DC1500V c.最大工作電流DC1070A，考慮到最大工作電流為DC1070A，乘以保護系數K，取脫扣值ids=1500A。故采用1800V/1000A/ids=1500A的高速斷路器。

3） 隔離二極管。隔離二極管主要用于隔離輔助、牽引回路。考慮車輛帶兩個輔助逆變器工況，故采用ZP8-600-36元件的二極管，其額定電流為600A，反向峰值電壓為3600V。

4） 三位置轉換開關。三位置轉換開關用于主電路的轉換，需要手動操作。車輛投入運行前，應將三位置轉換開關置“運行”位，接通相應的牽引、輔助電路；車輛車間電源供電時，將三位置轉換開關置“車間電源”位，在插入車間電源插頭后，先供電庫用插座，再控制地面的直流接觸器，將車間電源送入輔助逆變器；在列車檢修時，必須將三位置轉換開關置“接地”位。三位置轉換開關功能見圖1。根據上述功能，可以確定三位置轉換開關的額定參數：額定電壓DC1800V，額定電流1400A（運行）、500A（車間電源、接地）。

5） 車間電源插座。考慮車輛庫內工作帶兩個輔助逆變器調試或動車，故采用1500V/ 530A的車間電源插座。

2 高壓柜設計分析

2.1 結構設計分析

高壓柜通過6個吊耳安裝在車輛底架上，由于高壓柜縱向和車輛運行方向相同，故吊耳采用貫穿梁方式。

高壓柜的結構采用不銹鋼板材焊接，設計時盡量簡化結構，減少焊接點。

在組裝時，為了固定絕緣子，采用了焊接不銹鋼螺柱的方式，結構簡單牢固可靠。

高壓柜在鋼結構焊接時，設計了扎線桿，以方便線纜的捆扎和布置。在器件的安裝板上，設置有固定元寶線托的孔，可以用于固定線纜。

2.2 電氣設計分析

高壓柜采用高、低壓器件分開布置，充分考慮組裝和維護的影響，并且按照功能單元將器件設計為組件，方便裝卸。高壓柜內主電路連接采用銅母線，個別器件的連接用電纜實現。對外電氣連接統一設計在柜體背面，高壓通過功率電纜連接，低壓控制繼電器單元通過矩形連接器連接。電氣設備布置如圖2所示。

A-受電弓進線；B-輸出到車間電源箱；C-輸出到本車輔助逆變器；D-輸出到它車輔助逆變器；E-三位置開關接地位輸出；F-低壓矩形連接器；G-輸出到它車牽引逆變器；H-輸出到本車牽引逆變器；I-高壓柜體接地點x4；J-高壓柜吊耳x6；

2.3 安全設計

高壓柜主電路的電氣元件電壓等級高，其安全設計必須采取可靠的接地，不帶電操作及安全提示等。

a）三位置轉換開關操作區域無強、弱電，操作手柄為絕緣手柄保證了操作、安裝及檢修人員的人身安全。

b）輔助熔斷器前設置有透明觀察板，既可以隔離高壓帶電部分，又可以方便觀察輔助熔斷器狀態。

c）高壓柜兩側各焊接2個不銹鋼接地螺柱，用軟銅絞線將高壓柜與車體可靠連接。

d）柜內的設備安裝板、柜門都與高壓柜骨架采用銅絞線或不銹鋼板材等實現可靠接地。

3 高壓柜的仿真計算

利用HyperMesh、ANSYS仿真軟件，對高壓柜進行仿真分析。

3.1 有限元模型

高壓柜柜體結構不完全對稱，故取整體結構建立有限元力學模型，離散時采用四邊形為主，極少數為三角形的板殼單元，電氣部件劃分為六面體為主，極少數為棱柱體的體單元。x方向是車體行進方向，y方向是垂向，z方向是橫向。

3.2 靜強度仿真分析

不同載荷情況的計算過程如圖3左所示。

通過仿真結果可以看出，高壓柜在各個方向上的抗沖擊強度滿足要求。

3.3 模態分析

模態分析可以得到結構的固有振動頻率及相應的振型，可以判斷結構在外界激勵作用下是否會發生共振。為避免設備在裝車運行過程中在外部激勵的作用下產生共振導致結構破壞，有必要對其模態進行分析。在重力作用下對其前6階模態進行分析：高壓柜前6階固有頻率分別為：35.6、36.3、37.0、42.1、43.7、46.6（Hz）。可以看出高壓柜的前6階固有頻率都遠高于一般車輛底架結構固有頻率，可以有效避免產生共振的風險。

3.4 隨機振動疲勞仿真分析

隨機振動分析采用GB/T 21563-2008《軌道交通 機車車輛設備沖擊和振動試驗》規定的ASD 頻譜。設備應該經受總共15h的試驗，三個互相垂直的方向分別做5h。根據高壓柜重量小于500kg，選取f1=5Hz、f2=150Hz。疲勞分析是在隨機振動分析得到結構1σ、2σ、3σ Von Mises 最大應力的基礎上，利用材料的P-S-N 曲線，并根據Steinberg 理論（結構在隨機載荷作用下的響應是基于高斯分布）和Miner線性疲勞累計損傷理論進行計算，從而對高壓柜柜體的疲勞壽命進行預估。假設材料為各向同性材料。在上述分析類型中為小變形、彈性分析類型。垂向、橫向、縱向隨機振動時1σ應力分布見圖3右。通過上面靜強度、模態和隨機振動疲勞分析結果可以看出：

（1）靜強度分析最大應力大小為148.8MPa，靜強度設計滿足要求；

（2）第一階振動頻率為35.6Hz，頻率較高；

（3） 垂向、橫向和縱向三個方向的隨機振動1σ應力分別為：66.6MPa、26.7MPa、52.8MPa，垂向、橫向和縱向的隨機疲勞的振動損傷小于1，設計滿足要求。

4 結語

本文對高壓柜從主電路分析計算、結構設計、電氣設計和安全性等方面作了詳細的分析，高壓柜采用集成式設計，提高了產品的簡統性。通過HyperMesh、ANSYS仿真軟件對高壓柜的結構強度、模態及隨機振動疲勞進行仿真計算，可以指導產品設計，降低科研成本，縮短設計和試驗周期，提高產品的可靠性。

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