淺談DF7C型機車電器柜的設計

(1.資陽中車電氣科技有限公司，四川 資陽 641300；2.中車資陽機車有限公司，四川 資陽 641300)

0 引言

DF7C型內燃機車是由原中車二七公司在DF7型、DF7B型機車基礎上，換裝12V240/275系列柴油機，為適用于大型編組站及大型工礦企業的編組及調車作業以及小運轉作業要求設計的內燃機車。2017年，中車資陽公司承接該型機車相關業務，并對柴油機、電器柜、操縱臺、微機等主要零部件進行設計改進和優化。在電器柜的改進設計過程中，主要對柜內設備布置、線纜布置、高壓安全防護、高壓銅排結構等做了系統性分析和研究。

1 電器柜內部結構

DF7C型機車電器柜主要由高、低壓兩部分組成。高壓部分如圖1(a)視圖所示，主要安裝有機車主傳動系統的電器元件。低壓部分如圖1中(b)(c)視圖所示，安裝了機車輔助系統、微機控制系統和司乘操作人員操控元件等。在柜內設備布局設計過程中，大致提出了以下基本原則，這些布局原則亦可在其他機車電器柜設計中推廣。

1.1 高、低壓分開原則

將主傳動系統的所有高壓元器件集中安裝于電器柜左側，如圖1中(a)視圖所示。這既有利于內部銅排連接，在安全絕緣防護設計時也可作統一考慮。

1.2 人機工程學原則

人機工程學原則涵蓋領域較廣，涉及內容較多，本次設計主要考慮元器件操控的可達性和防誤操作方面。電器柜內需要經常操作的元器件包括微型斷路器、萬轉開關、閘刀開關等，安裝位置距地面高度均不超過1 600 mm，且均設置有對應功能銘牌。

1.3 工藝性原則

工藝性主要包括組裝和檢修施工工藝性，具體需要考慮施工過程中操作人員的舒適性和工具的可達性等。所有元器件安裝部位均直接暴露在外，少數狹窄區域設備(如無級調速驅動器、電壓調整器等)設置有過渡結構。因涉及大量銅排和機車大線安裝連接，高壓側的方向轉換開關設置于電器柜最下部。

1.4 通風散熱原則

大功率發熱元件及部分不需經常操作維護的元件，如充電電阻、磁削電阻、管形電阻、二極管組件等被設置于電器柜頂部，以充分利用頂部兩側百葉窗進行自然通風散熱，維持電器柜內部熱平衡。

(a) (b) (c)

2 電氣安全防護設計

機車電氣柜設計過程中，必須充分考慮內部設備系統的可靠性和人身安全性，并采取必要措施以確保出現過電壓時電氣系統的穩定運行，消除各種安全隱患防止出現電擊事故。DF7C型機車電器柜的電氣安全防護設計措施主要包括幾方面。

2.1 絕緣防護

電器柜內除接線端子連接處，其余主要的帶電裸露部位為高壓銅排結構，為了增加安全性以及縮減銅排之間的間距，在銅排上吹MPG熱縮管對銅排進行絕緣防護。通過使用熱縮管，可杜絕小動物及其他雜物等造成的短路事故，并增加電氣柜內相間絕緣，有效地縮小電氣柜的體積，降低銅排溫升，防止污閃和凝露閃絡，從而維持系統穩定運行，同時可有效避免司乘人員或其他人員誤觸帶電銅排發生電擊事故。

2.2 通過防止接近進行防護

根據GB/T 21414-2008標準要求，電壓等級在Ⅰ級～Ⅲ級(U≤DC 1 500 V)的帶電設備，通過使用封閉的電氣操作區域進行防護。電器柜所有電器元件被封閉于機車電器室模塊內部，操作人員僅能通過電器室門接近電器柜內部區域。直接裸露的端子或銅排連接處，設置防護板對直接接觸進行有限度的防護，如圖1中(a)視圖所示，避免發生誤觸電擊。

2.3 設置警示牌

電氣隱患已經確認存在的位置，在所有的防護措施起作用后，安裝警示牌用以標識電氣隱患的存在和提供防止人員傷害所應有的補充信息。警示牌安裝在防護板外側，清晰可見，如圖1中(a)視圖所示。

3 爬電距離與絕緣間隙

電氣間隙和爬電距離的確定主要基于GB/T 21413.1-2008標準所要求的預期過電壓和電器環境條件。

3.1 污染等級

設備安裝在不同的地方，所受污染等級也不同。DF7C電器柜內元器件安裝于機車電器室模塊內部，根據機車運用環境情況被定義為PD3污染等級，即“導電性污染，或干性、不導電的污染但可能因壽命期間污染堆積而導電”。

3.2 過電壓分類

DF7C型機車為直流傳動內燃機車，所有電路均不直接與接觸網相連，但高壓側元器件在特殊情況將出現較高電壓，因此被確定為“2類過電壓(OV2)”，即“電路不直接與接觸網相連且有過電壓保護”。

機車主傳動回路最高工作電壓DC1 000 V，查標準GB/T 21413.1-2008，確定額定沖擊耐受電壓為8 kV，進而查標準確定最小電氣間隙8 mm，并確定爬電距離14 mm。

4 高壓銅排結構設計

DF7C型機車電器柜高壓側主要由三部分組成，分別包括上部磁削電阻、組合接觸器組成的牽引電機磁場削弱控制回路，中部電磁接觸器、分流器組成的牽引電機起停控制回路，下部方向轉換開關等組成的機車行進方向切換控制回路，具體結構如圖2所示。

4.1 銅排材料的選擇

銅排材料的選擇首先應考量其電氣性能，例如電阻率、導電率等，其次應兼顧機械性能，例如抗拉強度、硬度等。本文電器柜銅排優先采用TMR銅母線，其20 ℃直流電阻率不超過0.017 241 Ω·mm2/m，導電率不小于100%ACS，機械性能指標如表1所示，配合合適的固定結構可滿足主回路短路時的動穩定性要求，同時也滿足沖壓加工強度要求，并最大程度提高材料利用率。下部方向轉換開關等組成的機車行進方向切換控制回路，因空間限制轉角處采用直角過渡，選用銅板材T2-M進行機加工實現，其材料力學性能如表1所示。

圖2 電器柜內銅排的設計

類別材質及狀態抗拉強度(N/mm2)斷后伸長率(%)硬度(hV或hB)銅板材T2-M≥205≥30≤70 hV銅母線TMR≥205≥30

4.2 銅排截面形狀與截面積的確定

電器柜工作時，主回路銅排均通入直流電，銅排截面上的電流均勻分布，不會發生交流電作用下的渦流現象，因而所有銅排無需采用異形截面結構，截面結構確定為30×8矩形。

本次設計將以經濟電流密度方式選擇和校核銅排截面積，式(1)為該方式的計算公式。

(1)

式中，Sn為經濟截面，In為工作電流，Jn為經濟電流密度。計算出30×8矩形銅排在環境溫度25 ℃條件下載流能力為720 A，而柜內銅排長期正常工作電流約為600 A，滿足設計要求。

4.3 銅排的連接與固定

為提升安裝、檢修等施工工藝性，銅排連接處均設計為螺栓連接的可拆卸連接方式。銅排連接段的設計主要應避免局部發熱現象，避免銅排過熱燒損。為此，需要從兩方面加以考慮，一是連接段應設計有足夠接觸面積，以獲得較小的接觸電阻；二是連接段接觸面應均勻貼合，并在長期運用中不會因機車振動而出現松動，從而使接觸面間電流始終分布均勻，消除銅排連接段內局部過熱現象。

式(2)為EN50343-2003《鐵路應用機車車輛布線規則》提供的銅排連接處最小有效接觸面積計算公式，本次設計根據式(2)計算校核連接段接觸面積。

S有效=S1-S2

(2)

式中，S1為銅排連接段最小接觸面積，S2為連接段安裝孔面積。首先計算出有效接觸面積為S有效=1 847.34 mm2。然后，根據式(3)計算出銅排連接段間實際電流密度為0.65 A/mm2，小于要求的最小電流密度1.4 A/mm2，滿足設計要求。

(3)

根據研究，如果銅排連接段螺栓安裝扭矩合適，螺栓內部預緊力可以使銅排連接面之間產生足夠大的壓力，從而克服接觸表面不平整產生的彈性力，使得連接段接觸面均勻貼合。然而，普通連接緊固件卻無法使銅排連接在機車長期運行振動條件下始終保持不松，所以本次設計的銅排連接采用了防松性能更佳的海闊防松墊圈。

海闊防松墊圈由兩片楔形墊圈組成，其內表面的摩擦系數μi顯著低于鋸齒狀外表面的摩擦系數μa，而其內表面的楔形坡度α大于螺栓的螺紋升角β，當被連接件在負載作用下發生位移時，2片楔形墊圈首先發生相對位移，并由于角度關系被限制相對位移繼續發生，從而有效防止連接松動。海闊防松墊圈依據DIN65151-2002標準規定的橫向負載條件下緊固件的鎖定特性的動態試驗，測試結果如圖3所示，其防松性能優于目前大量使用的普通彈簧墊圈，可確保銅排連接處在機車長期運行振動條件下始終保持不松。

圖3 海闊防松墊圈與其他緊固件的振動試驗對比

5 結語

在DF7C型內燃機車電器柜改進設計中，本文首先提出了內部結構設計的四項原則，并重點對高壓電器部分的電氣安全防護設計、爬電距離與絕緣間隙的確定、高壓銅排結構設計等方面作了分析研究。從產品試制情況看，上述設計完全達到預期要求，機車運用情況良好。目前，現行資料對機車電器柜，尤其是高壓電氣結構的研究成果較少，本文的研究經驗和方法也可在其他機車電器柜設計中運用推廣。