軌道交通接觸網電動刀閘設計技術

樊 帆，曾谷元

（珠海優特電力科技股份有限公司，廣東珠海 519080）

0 引言

在軌道交通牽引供電領域，可視化隔離接地設備替代傳統的人工倒閘，實現遠程可視化操作。電動刀閘作為可視化隔離接地設備的核心模塊，用于接觸網對軌道機車牽引供電及接地檢修，其可靠性至關重要。當前接觸網電動刀閘的設計技術主要集中在歐美等電力企業。國內技術主要集中刀閘的狀態監測[1-3]、故障診斷[4-6]、二次控制回路[7-8]等。對于刀閘設計技術還需要進行探討。本文分析了電動刀閘部件設計選型。觸頭作為電動刀閘的核心部件，提出動穩性和熱穩性兩個方面的力學校核計算方法。另外，還結合有限元電熱耦合分析，校核了觸頭的載流能力，最后對電動刀閘的可靠性測試進行總結。

1 設計選型

接觸網刀閘零部件的選型至關重要，關系著刀閘的使用性能及可靠性等，也是保證接觸網牽引供電與接地檢修的關鍵。電動刀閘主要包括觸頭、直流減速電機、絕緣子及導電油脂等。

（1）觸頭材料。觸頭是電流載體，且需要頻繁分合閘運動，所用材料需要綜合考慮導電性、耐磨性、力學性能及經濟性等，目前常用的電觸頭材料主要包括T2 紫銅、鉻銅、鉻鋯銅等。其中，紫銅的導電性好、成本低，但是硬度、耐磨性、屈服強度較差；鉻鋯銅的硬度、耐磨性、屈服強度較好，但導電性較差、成本較高；鉻銅的性能均介于二者之間。觸頭材料的選擇，需要考慮應用環境、經濟性等綜合因素。

（2）直流減速電機。直流減速電機是刀閘分合閘的動力源，電機參數主要包括工作電壓、額定功率、減速比、輸出扭矩、輸出轉速等。通過計算出動靜觸頭之間的夾緊力，可計算出刀閘分合閘所需扭矩，結合輸出轉速等參數確定額定功率。根據已知的刀閘分合閘時間t，動觸頭完成一次分閘或合閘主軸轉動的圈數為n，可計算出電機的輸出轉速為t/n，進步一可確定減速比等參數。由于渦輪蝸桿具有自鎖性，可確保刀閘觸頭位置不會因振動等外力因素出現偏移的情況，因此電機機構的減速器選型以蝸輪蝸桿為最佳。

（3）絕緣子。絕緣子是支撐刀閘觸頭的結構件，也是隔絕電觸頭與外部導電體的絕緣件。絕緣子的材料以UL94V-0 阻燃等級的BMC 不飽和聚酯為最佳。在機械性能方面，根據設計要求選擇合適直徑、高度的絕緣子，同時絕緣子的抗扭、抗彎、抗拉性均需要滿足設計的要求。在電氣性能方面，應選擇足夠大的爬電距離，以保證良好的絕緣性。

（4）導電油脂選型。導電油脂不僅對動靜觸頭的分合閘運動起到潤滑作用，而且還會填補動、靜觸頭接觸面之間的微小間隙，提高導電性。導電油脂的選型需要考慮兩個因素，一是導電率、黏度，導電性越高的油脂，越有助于觸頭導電，而油脂黏度過低會加快油脂滴落損耗；二是要考慮潤滑油脂耐高低溫的能力，避免出現環境溫度過高潤滑油脂熔化為液態出現滴落等情況，但環境溫度太低潤滑油脂凝結成固體，會導致無法正常分合閘。

2 刀閘觸頭設計校核

2.1 觸頭受力校核

刀閘的觸頭在合閘情況下，遇到強大的短路故障電流必須要有一定的承載能力。一旦無法承受大電流的，就會出現動觸頭彈跳、熔焊等故障，造成嚴重的安全事故。為避免發生此類情況發生，在設計過程中需要對觸頭的受力進行校核分析。

動觸頭由兩片平行的銅排組成，依靠自身的彈性變形產生接觸力Fj，與靜觸頭接觸并夾緊。當動觸頭通過短路故障大電流時，會產生電動力Fd與電動斥力Fp，因此在機械力與電磁場力的作用下，觸頭的受力情況比較復雜。本文將從熱穩性和動穩性兩個方面對受力校核方法進行分析。

2.1.1 熱穩性受力校核

熱穩性受力校核主要分析在大電流作用下動觸頭被拉開弧隙的可能性。觸頭的受力情況如圖1 所示，其中接觸力Fj是依靠動觸頭材料本身變形產生的彈力，接觸力越大、動觸頭越不容易發生彈跳，但是過大的接觸力會導致機構無法正常拉動觸頭進行運動。

圖1 觸頭熱穩性受力

根據《機械設計手冊（單行本）彈簧 起重運輸件 五金件》，接觸力Fj的計算公式為：

式中 fc——動觸頭觸點撓度，mm

E——觸頭材料彈性模量，MPa

n——動觸頭層數

h——動觸頭寬度，mm

b——動觸頭厚度，mm

ε——撓度增加系數，等強度梁約為1.5

l——動觸頭變形長度，mm

動觸頭由兩塊平行的導體組成，當通過同向電流時會產生磁場，在電與磁的作用下產生電動力Fd。Fd是有用的力，有助于動觸頭夾緊靜觸頭。根據畢奧沙伐爾定律，當任意截面的兩根平行導體分別通有電流i1和i2時，兩導體間最大的電動力Fd應采用公式（2）進行計算：

式中 i1——通過導體1 電流的最大值，A

i2——通過導體2 電流的最大值，A

L——平行導體長度，mm

a——兩個平行導體的軸線間距，mm

Kf——形狀系數

形狀系數與導體截面形狀以及導體的相對位置有關，其確定過程較復雜。根據《工業與民用配電設計手冊》（第4 版）中的矩形母排截面形狀系數曲線，可查找不同截面形狀母排的形狀系數。

在動觸頭與靜觸頭接觸的位置，導電面積局部變小，當觸頭流過電流時會在該部位產生電流線收縮，使得觸頭間會產生互相排斥的電動斥力Fp即Holm 力[9]。且觸頭間電動斥力大小與觸頭實際接觸點的數量有關，接觸點數越少，電流收縮的現象越顯著。Holm 力計算公式可以有效計算觸頭間的電動斥力，且得到相應的驗證[10]：

式中 I——每片動觸頭流過的電流，A

μ0——真空中的磁導率，（W·b）/（A·m）

A——動靜觸頭接觸面積，mm2

ξ——觸點接觸系數，一般取值0.45

H——觸點材料的布氏硬度

Fj——接觸力，N

通過對Fj、Fd以及Fp的計算分析，結合圖1 的受力情況，當動觸頭合閘時不出現熱穩失效的必要條件是：Fj+Fd-Fp＞0。如果在熱穩性受力校核計算中，無法滿足以上的條件，觸頭將會較大可能在電動斥力的作用下拉開弧隙、產生電弧，使觸頭燒壞。

2.1.2 動穩性受力校核

動穩性受力校核主要在通過某一大電流時，在電動力的作用下，分析被拉開發生觸頭彈跳的可能性。在熱穩性的計算中，Fd是有用的力，有助于增加動觸頭與靜觸頭之間的夾緊。但是在動穩性受力分析中，Fd是有害的力，作用在動觸頭上使其發生彈跳（圖2）。

圖2 觸頭動穩性受力

通過以上對Fj、Fd以及Fp的計算分析，結合圖2 可知，動觸頭合閘時不會出現動穩失效的必要條件是：2×（Fj-Fp）×μ-Fd＞0。其中μ 為動、靜觸頭之間的摩擦因數。

如果動穩性受力校核計算無法滿足以上條件，觸頭合閘后在Fd的作用下可能會出現彈跳偏位，產生重大安全隱患。

2.2 觸頭電熱校核

電動刀閘在牽引供電系統的實際應用過程中，會承載接觸網上的額定電流。當日間列車正常運行時，刀閘的觸頭會有持續不斷的電流通過，并產生大量的熱量，使得觸頭溫度不斷升高。當溫度超過一定數值后，刀閘的觸頭材料會出現軟化，使得力學性能惡化，還會對刀閘開關柜內的其他電子元器件造成損傷，因此有必要對觸頭表面的發熱溫升情況進行分析。

首先，由于不同城市地鐵以及不同軌道運行線路的額定電流不同，刀閘觸頭的熱設計首先需要確定承載的電流參數。然后根據銅排厚度與載流系數對應關系，確定觸頭的層數以及銅排截面尺寸。

其次，選擇導電性良好的金屬作為觸頭的加工材料如T2 紫銅，并在表面進行電鍍銀處理。

最后，利用有限元進行電熱耦合仿真計算，對觸頭的發熱溫升情況進行模擬仿真，并且將計算結果作為觸頭電熱校核的依據（圖3）。

圖3 電觸頭溫度場分布

3 刀閘可靠性測試

電動刀閘需要通過有效的試驗方式對其可靠性進行檢測。主要包括電氣安全距離、電阻、壽命、短時耐受電流、溫升、高低溫等測試。

（1）電氣安全距離測試是測量觸頭斷口、一次主回路對地以及爬電的距離，足夠的電氣距離可以保證刀閘不會出現空氣絕緣擊穿的情況。

（2）電阻測試則是將觸頭合閘后，利用電阻測試儀測量觸頭回路兩端的電阻值，通常是微歐級。電阻越小則導電性越好，觸頭發熱量會越少。

（3）壽命測試是利用壽命測試儀器，給刀閘通電使觸頭不間斷地進行分合操作，在設計的壽命周期內不能出現機械、電氣等故障。

（4）短時耐受電流測試在觸頭合閘狀態下，在0.25 s 等時間內，通過80 kA 或其他數值的電流，觸頭不出現熔焊或彈跳等現象。同時，還要測試在峰值電流下觸頭不出現熔焊或彈跳等現象。此項是考查刀閘在遇到短路大電流時的抵御故障的能力。

（5）溫升測試是在觸頭合閘狀態下，在刀閘觸頭四周布置一定數量的熱電偶，熱電偶將數據傳遞給溫度測試儀。將觸頭兩端施加額定電流，當溫度達到穩態時讀取溫度值。

（6）高低溫測試是考核刀閘在惡劣高溫和低溫環境下的可靠性。將刀閘放置在高低溫箱內，將箱內的溫度升至一定溫度（如70 ℃）持續16 h 后，通電測試刀閘能否正常運動。然后，將箱內溫度降低到一定溫度（如-40 ℃），同樣持續16 h 后通電測試刀閘能否正常運動。只有合格地完成以上技術參數的測試，刀閘產品才能應用到工程現場。

4 結束語

刀閘在應用過程中，受到電磁力、機械力等錯綜復雜的受力，化繁為簡提出了刀閘觸頭受力校核計算的方法。對觸頭載流能力的計算，利用了電熱耦合仿真模擬觸頭在額定電流作用下的溫度場分布情況。刀閘產品最終的實際應用需要通過各種測試方法進行檢測，只有合格的產品才能進入實際的工程現場進行應用。本文為軌道交通電動刀閘的設計提供了參考方法，合理的刀閘設計能保證城市軌道交通牽引供電與接地檢修的安全與可靠。