軌道交通車輛高壓電器箱的設(shè)計、仿真與試驗

□ 徐 君

西門子交通技術(shù)(北京)有限公司上海分公司 上海 200082

1 設(shè)計背景

軌道交通車輛作為在大中型城市中一種快速、大運量、采用電力牽引的公共交通工具,軌道交通車輛的電氣動力性能及可靠性作為衡量軌道交通車輛品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)指標,受到越來越多的關(guān)注。

高壓電器箱作為軌道交通車輛電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,承擔了主電路的保護、檢測、支撐電容充放電、系統(tǒng)接地和電源模式轉(zhuǎn)換等工作。由于箱體內(nèi)部包含各種類型的高壓器件,不僅要實現(xiàn)既定的電氣功能,而且需要滿足電氣相關(guān)標準中關(guān)于爬電距離和電氣間隙的規(guī)定,同時考慮是否便于組裝和維修。此外高壓電器箱安裝于軌道交通車輛底部,軌道交通車輛在運行過程中,對車輛自身及其安裝設(shè)備帶來的沖擊與振動不可避免,箱體的結(jié)構(gòu)強度對軌道交通車輛的安全運營十分關(guān)鍵。因此,高壓電器箱設(shè)計是一項包含電氣設(shè)計與機械設(shè)計相結(jié)合的系統(tǒng)性設(shè)計工作。

2 軌道交通車輛電氣原理設(shè)計

以國內(nèi)某城市軌道交通車輛為例,車輛的電氣系統(tǒng)主電路部分原理如圖1所示,包括牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng),高壓電器箱原理如圖2所示。圖1、圖2中,APS為輔助逆變器,TIC為牽引逆變器,BR為制動電阻,Motor為電機,CCS為受流靴,M為電機,F為主熔斷器,SA為避雷器,WPS為車間電源插座,Earth為接地,Shop supply為車間電源,Locker為鎖閉裝置,D為二極管,F1為熔斷器,F2為熔斷器,HSCB為高速斷路器,KS為隔離開關(guān),DC為直流,AC為交流。

圖1 電氣系統(tǒng)主電路部分原理

2.1 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)是軌道交通車輛電氣系統(tǒng)的核心部分,牽引系統(tǒng)為軌道交通車輛運行時提供牽引動力,同時在車輛制動時提供電制動力。牽引系統(tǒng)主要由以下設(shè)備構(gòu)成:受流靴、避雷器、熔斷器、隔離開關(guān)、高速斷路器、牽引逆變器、牽引電機、制動電阻。

圖1所示的中間車是通過受流靴與供電軌接觸受電,直流750 V供電電源流經(jīng)受流靴進入主熔斷器F及避雷器。主熔斷器實現(xiàn)軌道交通車輛主電路的過流保護,受流靴滿足軌道交通車輛的良好取流性能及安全通過供電軌電分段區(qū)的要求。為防雷擊等浪涌電壓的侵襲,軌道交通車輛設(shè)置避雷器,將受流靴與避雷器相連,同時避雷器接地端與軌道交通車輛接地母排相連,實現(xiàn)可靠接地。

圖2 高壓電器箱原理

主電路配置隔離開關(guān),當隔離開關(guān)手柄調(diào)至受流靴位置點時,直流750 V供電電流經(jīng)過隔離開關(guān)、熔斷器F1、流入高速斷路器,最后進入牽引逆變器。高速斷路器可以對牽引逆變器進行過流保護,牽引逆變器作為軌道交通車輛交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分,可以完成從直流高壓形式的電能向交流形式的電能的轉(zhuǎn)換,并且實現(xiàn)車輛變頻調(diào)速的功能。直流750 V供電電流經(jīng)牽引逆變器逆變之后,變?yōu)槿嘟涣麟娤驙恳姍C供電。

圖1所示中間車一臺牽引逆變器同時給四臺并聯(lián)的電機供電,電機為三相鼠籠式異步交流電機,額定功率為190 kW。此外,中間車牽引逆變器設(shè)置有一臺電阻制動裝置,在電制動過程中,再生制動優(yōu)先。隨著再生吸收條件的變化,再生制動與電阻制動將能連續(xù)調(diào)節(jié),且平滑轉(zhuǎn)換。

2.2 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)是軌道交通車輛上的關(guān)鍵電氣部分,它可以為車輛的空調(diào)、通風機、空氣壓縮機、蓄電池及照明等設(shè)備提供供電電源,核心部件就是輔助逆變器。

圖1中,在帶司機室車頭上設(shè)置有輸出容量為220 kVA的集成式輔助逆變器箱,輔助逆變器箱內(nèi)部有兩個相同且獨立的逆變單元模塊,每個模塊輸出容量為110 kVA。直流750 V供電電流由供電軌通過受流靴、隔離開關(guān)、二極管、熔斷器F2,經(jīng)輔助逆變器的逆變后,變?yōu)殡妷簽?80 V頻率為50 Hz三相交流電,對車輛設(shè)備供電。其中二極管可抑制電流流向牽引設(shè)備,高壓熔斷器F2可對輔助逆變器回路進行保護。

同時,每臺輔助逆變器箱內(nèi)部設(shè)置有兩臺蓄電池充電機,蓄電池充電機給直流110 V車輛設(shè)備供電的同時,還可對軌道交通車輛蓄電池進行充電。每臺蓄電池充電機額定輸出功率為12 kW。

3 高壓電器箱內(nèi)部關(guān)鍵部件選型

根據(jù)軌道交通車輛電氣系統(tǒng)設(shè)計方案,可以確定高壓電器箱內(nèi)部子部件的選型與電氣參數(shù)。高壓電器箱額定輸入電壓為直流750 V,輸入電壓波動范圍為直流500～900 V,車輛再生制動時輸入電壓允許達到直流1 000 V。

高壓電器箱采用模塊化設(shè)計,主要部件包括避雷器、車間電源插座、隔離開關(guān)、二極管、熔斷器、高速斷路器。

(1) 避雷器。避雷器與受流靴相連,供電網(wǎng)絡(luò)正常時,避雷器具有高阻抗,相當于絕緣體;電網(wǎng)發(fā)生雷擊時,網(wǎng)絡(luò)電壓急劇升高,避雷器瞬時導通,將電擊能量導入大地。避雷器為金屬氧化物型的鐵路應(yīng)用產(chǎn)品,殼體為聚合材料,額定電壓為直流1 000 V,額定放電電流為10 kA,自然風冷散熱。

(2) 車間電源插座。當軌道交通車輛靜止在車間或車庫,需要進行通電作業(yè)或靜態(tài)調(diào)試時,車間電源插座用于地面車間電源向車輛輔助系統(tǒng)進行直接供電。車間電源插座參數(shù):主觸點額定電壓為直流750 V,主觸點額定電流為350 A;輔助觸點額定電壓為直流110 V,輔助觸點額定電流為23 A。

(3) 隔離開關(guān)。高壓電器箱內(nèi)設(shè)置有一套三位置手動隔離開關(guān),三個位置分別為受流靴位、接地位、車間電源位。隔離開關(guān)配有人工操作的閉鎖,在手動切換隔離開關(guān)至另一位置前,需要進行手動解鎖。一旦該閉鎖被手動操作,裝在隔離開關(guān)上的微型輔助開關(guān)將閉合觸點。刀開關(guān)處于不同的位置狀態(tài),有不同的工作模式,如下所述。

受流靴位:刀開關(guān)將牽引逆變器,輔助逆變器與受流靴連接起來,供電軌通過受流靴對軌道交通車輛進行直流750 V輸入供電。

接地位:刀開關(guān)將切斷牽引逆變器、輔助逆變器與受流靴的回路,并將高速斷路器部分回路與地面連接起來,確保人員在車庫進行軌道交通車輛無電檢修作業(yè)的安全。

車間電源位:刀開關(guān)將輔助逆變器與車間供電電源插座連接起來,地面車間電源向軌道交通車輛輔助系統(tǒng)進行直流750 V輸入供電,軌道交通車輛牽引系統(tǒng)被隔離。

(4) 二極管。二極管由二極管組件和散熱器組成。二極管防止高壓電路上的電流在軌道交通車輛、受流器和電網(wǎng)之間形成回路。

(5) 熔斷器。熔斷器由熔體和熔管構(gòu)成,作為金屬導體串聯(lián)在電路中,當電路中電流超過一定數(shù)值或線路短路時,熔斷器自身會產(chǎn)生熱量使熔體熔化,從而斷開電路,達到保護效果。熔斷器額定電流為315 A。

(6) 高速斷路器。高速斷路器為單極電磁式直流斷路器,當高速斷路器閉合時,軌道交通車輛將獲得由受流靴引入的直流750 V電源。當軌道交通車輛主電路發(fā)生短路、過載、接地等故障時,故障信號通過車輛控制電路使高速斷路器即刻自動斷開,切斷總電源,對牽引逆變器提供保護。高速斷路器僅用于軌道交通車輛牽引系統(tǒng)回路,輔助系統(tǒng)獨立于牽引系統(tǒng)回路。高速斷路器必須豎直安裝,自然冷卻。高速斷路器電氣參數(shù):額定電流為1 000 A,額定電壓為直流1 000 V,分斷總時間約為15 ms。

4 高壓電器箱結(jié)構(gòu)設(shè)計與設(shè)備布置

高壓電器箱的設(shè)計采用模塊化的形式,由箱體、檢查門、安裝吊梁、電器設(shè)備、電纜、進線板、出線板等組成。箱體和檢查門材質(zhì)為X5CrNi18-10不銹鋼,以不銹鋼鈑金件通過焊接的方法,組焊而成。安裝吊梁材質(zhì)為6005A-T6鋁合金型材,通過機加工形成。箱體與兩根安裝吊梁之間通過鉚接的方法,連接成一個整體。高壓電器箱的箱體結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置如圖3所示。

圖3 箱體結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置

電器設(shè)備的布置,根據(jù)電氣原理圖實行就近原則,按照電流流過設(shè)備的順序布置,并考慮組裝和檢修的方便性。在箱體內(nèi)部,設(shè)備之間的電氣連接通過銅母排導通,銅母排位置固定。對于箱體與軌道交通車輛其它設(shè)備的電氣連接,當外部電纜進入箱體后,直接與銅母排相連即可,避免了電纜在箱體內(nèi)部的進一步彎曲、回轉(zhuǎn),降低了組裝的工作難度。

布置電纜時,高壓電纜與低壓電纜分開布置,以滿足電磁兼容的要求。高壓電纜沿著箱體頂部布置,低壓電纜沿著箱體底部布置。

高壓電器箱有兩個檢查門,分別位于箱體的前部和后部,圖3中的檢查門位于前部,雙向敞開式的結(jié)構(gòu)對設(shè)備的安裝與維護十分便捷。

5 高壓電器箱有限元仿真

高壓電器箱通過頂部安裝梁與軌道交通車輛底架設(shè)備安裝座之間用M16高強度螺栓連接的方法,實現(xiàn)懸掛于車輛底部。軌道交通車輛在日常運營時,受力狀態(tài)取決于車輛的載荷、加速、減速、制動,外部空氣阻力、軌道平順等因素,因此車輛自身及其懸掛的設(shè)備受到?jīng)_擊與振動是很正常的。在設(shè)計中,采用基于有限元仿真的動力學分析方法對箱體進行沖擊與振動試驗數(shù)值模擬,驗證其結(jié)構(gòu)強度,確定設(shè)計方案的合理性。

5.1 有限元模型

在有限元建模中,對高壓電器箱箱體結(jié)構(gòu)主要采用殼單元進行離散,內(nèi)部設(shè)備使用質(zhì)量單元模擬。同時高壓電器箱箱體通過頂部安裝梁懸掛在車輛底部,在分析中將四個安裝座通過剛性單元連接,在剛性單元處施加三個方向的沖擊和振動載荷。有限元模型如圖4所示。

圖4 箱體有限元模型

5.2 計算工況

根據(jù)IEC 61373—2010《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》標準要求,沖擊和振動分析工況參數(shù)見表1和表2,高壓電器箱試驗方向示意圖如圖5所示。

表1 沖擊分析工況參數(shù)

5.3 沖擊驗收標準

根據(jù)EN 12663—2000《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標準要求,在對材料受力位置進行屈服強度考核時,安全因數(shù)取值為1.15,焊縫處的屈服強度按母材的80%考慮。計算應(yīng)力的數(shù)值必須小于材料的許用應(yīng)力,方為合格。

表2 振動分析工況參數(shù)

圖5 高壓電器箱試驗方向

高壓電器箱箱體材質(zhì)為X5CrNi18-10不銹鋼,材料特性見表3。高壓電器箱箱體安裝梁材質(zhì)為6005A-T6鋁合金型材,材料特性見表4。

表3 X5CrNi18-10不銹鋼材料特性

表4 6005A-T6鋁合金型材材料特性

5.4 振動驗收標準

根據(jù)EN 12663—2000《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標準要求,高壓電器箱箱體在三個相互垂直的方向上,每個方向進行5 h的有限元仿真加速度振動試驗,分析顯示箱體的焊縫疲勞壽命大于18 000 s,即為合格。

5.5 高壓電器箱箱體沖擊有限元仿真

根據(jù)表1定義,高壓電器箱箱體在工況1的情況下,在垂向承受30 m/s的沖擊加速度,安裝梁、箱體母材、箱體焊縫的應(yīng)力分布云圖依次如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 沖擊工況1安裝梁應(yīng)力分布云圖

圖7 沖擊工況1箱體母材應(yīng)力分布云圖

圖8 沖擊工況1箱體焊縫應(yīng)力分布云圖

詳細仿真結(jié)果見表5,由表5可以看出,所有工況下,材料實際仿真應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力,判定合格。

5.6 高壓電器箱箱體振動有限元仿真

根據(jù)表2定義,高壓電器箱箱體在工況1情況下,承受垂向振動,高壓電器箱箱體振動疲勞壽命分布云圖如圖9所示。

表5 箱體沖擊應(yīng)力仿真結(jié)果

圖9 振動工況1箱體振動疲勞壽命分布云圖

高壓電器箱箱體振動疲勞壽命仿真結(jié)果見表6。由表6可以看出,所有工況下,高壓電器箱箱體的焊縫疲勞壽命均大于18 000 s,判定合格。

表6 箱體振動疲勞壽命仿真結(jié)果

6 高壓電器箱沖擊、振動試驗

為驗證有限元仿真計算結(jié)果的準確性,對高壓電器箱進行試驗驗證。為了真實體現(xiàn)軌道交通車輛在運營工況下的環(huán)境,以高壓電器箱箱體懸掛于車輛底部的安裝方式為標準,訂制特殊的工裝夾具,將高壓電器箱固定在振動臺上。

根據(jù)IEC 61373—2010《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》中按1類A級設(shè)備安裝于車身為標準,在三個相互垂直的方向上進行箱體的沖擊和振動試驗。每個方向試驗項目順序為長壽命振動試驗、沖擊試驗。試驗方向順序為垂向、橫向、縱向。試驗參數(shù)見表7和表8。

表7 長壽命振動試驗參數(shù)

表8 沖擊試驗參數(shù)

以高壓電器箱垂向試驗過程為例,說明試驗過程。高壓電器箱垂向試驗安裝現(xiàn)場如圖10所示,高壓電器箱垂向長壽命試驗振動加速度功率譜密度曲線如圖11所示,高壓電器箱垂向沖擊試驗沖擊加速度曲線如圖12所示。

試驗結(jié)束后,對高壓電器箱進行以下項目檢查:

(1) 箱體及設(shè)備目視檢查;

(2) 直流電壓110 V電路絕緣耐壓測試;

(3) 直流750 V高壓電路絕緣耐壓測試;

(4) 高速斷路器控制回路邏輯測試;

圖10 高壓電器箱垂向試驗安裝現(xiàn)場

圖11 高壓電器箱垂向長壽命試驗振動加速度功率譜密度曲線

圖12 高壓電器箱垂向沖擊試驗沖擊加速度曲線

(5) 隔離開關(guān)監(jiān)視回路邏輯測試。

檢查結(jié)果,箱體及設(shè)備無變形、裂紋,設(shè)備安裝正常無松動,電氣功能測試正常,判定高壓電器箱通過沖擊與振動試驗考核。

7 高壓電器箱水密性試驗

軌道交通車輛在日常運營及維護時,面對在雨天、積水路段、清洗車輛等環(huán)境,一旦車下電器設(shè)備發(fā)生進水故障,將造成線路短路、燒壞電氣元件,甚至導致嚴重安全事故。因此車下電器設(shè)備的防水性能非常重要,根據(jù)EN 60529 《外殼防護等級》標準要求,高壓電器箱的設(shè)計防護等級為IP54。

為了考核高壓電器箱的防水性能,按如下程序進行了水密性試驗:① 將高壓電器箱按試驗要求裝配密封,確保箱體的所有電纜出線孔已密封;② 檢查試驗淋雨裝置,設(shè)置孔徑為φ5.0±0.5 mm的噴嘴七個;③ 檢查水流量,滿足7.5 t/h的要求,并且能夠形成大于10 L/min·m2的有效噴射區(qū)域,水壓為0.3 MPa;④ 將高壓電器箱放置在距離噴嘴1±0.2 m的位置;⑤ 打開水源,調(diào)整水壓和流量至規(guī)定值,操作噴嘴,以入射角60°對準箱體持續(xù)噴射10 min;⑥ 檢查確認箱體所有的測試表面均已完全淋水;⑦ 淋雨試驗結(jié)束5 min后,打開箱體兩個檢查門進行檢查。

經(jīng)過目視檢查,箱體內(nèi)部無水跡和水印,僅有因內(nèi)外溫差引起的少許薄霧。箱體的水密性試驗結(jié)果達到EN 60529標準防護等級IP 54的要求,判定為合格。

8 結(jié)束語

筆者以軌道交通車輛高壓電器箱為例,從車輛電氣原理與功能、高壓電器箱關(guān)鍵器件選型、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計與設(shè)備布置等方面闡述高壓電器箱的設(shè)計,并通過有限元仿真沖擊、振動試驗,淋雨試驗驗證了箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。目前此款高壓電器箱已裝配在軌道交通車輛上,并通過了車輛系統(tǒng)的電氣功能測試,車輛投入正式載客運營后性能穩(wěn)定、可靠。同時,上述設(shè)計方法和流程亦可作為軌道交通車輛類似產(chǎn)品設(shè)計的參考。