孔祝英

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電力機(jī)車新型智能真空主斷路器的研制

孔祝英

福建鐵路機(jī)電學(xué)校

針對(duì)現(xiàn)有電力機(jī)車主斷路器的不足，研制一種新型電力機(jī)車真空主斷路器，以“1+1”方式安裝，在某主斷路器發(fā)生故障時(shí)，司機(jī)可通過(guò)開關(guān)切換到另一臺(tái)主斷路器，保證機(jī)車不因?yàn)橹鲾嗦菲鞴收隙l(fā)生機(jī)破。

“1+1” 電力機(jī)車 智能 真空主斷路器

主斷路器是用來(lái)接通和分?jǐn)嚯娏C(jī)車的高壓電路，是機(jī)車的電源總開關(guān)，同時(shí)，當(dāng)機(jī)車發(fā)生故障時(shí)它又可迅速切斷機(jī)車總電源以保護(hù)其他設(shè)備，是機(jī)車最主要的保護(hù)裝置，所以主斷路器具有控制和保護(hù)的雙重功能，其可靠性直接影響機(jī)車的安全運(yùn)行。

目前，電力機(jī)車安裝的主斷路器分空氣斷路器和真空斷路器。由于空氣斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高而不被新型機(jī)車采用，但普通真空斷路器也存在絕緣強(qiáng)度薄弱等不足，因此我們于2008年9月立項(xiàng)研制一種電力機(jī)車新型真空主斷路器，以“1+1”安裝方式，即兩臺(tái)主斷路器安裝在同一底座上，控制裝置也相互獨(dú)立。實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)車上有兩臺(tái)主斷路器交替工作，避免因單臺(tái)主斷路器發(fā)生故障而引起的機(jī)破，保證機(jī)車安全運(yùn)行。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 兩臺(tái)主斷路器、兩套裝置

圖1 電力機(jī)車車頂單開關(guān)聯(lián)線示意圖

目前，電力機(jī)車上主斷路器只有一臺(tái)，無(wú)論是空氣斷路器還是真空斷路器，在運(yùn)行中一旦主斷路器發(fā)生故障，則機(jī)車只能停止運(yùn)行等待救援。因此我們?cè)O(shè)計(jì)增加一臺(tái)主斷路器，當(dāng)一臺(tái)主斷路器發(fā)生故障時(shí)可以有另一臺(tái)替代使用，確保機(jī)車正常運(yùn)行。同時(shí)為了不過(guò)多地改變機(jī)車原有的構(gòu)造和尺寸，我們?cè)O(shè)計(jì)將兩臺(tái)主斷路器放置在同一臺(tái)底座固定板上，以便于安裝。

圖2 “1+1”雙主斷路器車頂聯(lián)線示意圖

1.2 采用真空滅弧

為提高主斷路器的使用壽命和減小主斷路器的體積，我們?nèi)∠諝鈹嗦菲鞯母綦x開關(guān)，并把滅弧室改用真空滅弧室。真空滅弧的電性能和機(jī)械性能高，絕緣強(qiáng)度比大氣的絕緣強(qiáng)度要高得多，同時(shí)由于采用真空滅弧，所需的間隙很小，可以實(shí)現(xiàn)提高使用壽命和減小體積的設(shè)想。

1.3 采用永磁機(jī)構(gòu)

為保證主斷路器分合閘動(dòng)作的可靠性，我們將傳統(tǒng)的電空機(jī)械裝置改成永磁機(jī)構(gòu)，使整個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、工作壽命長(zhǎng)、操作功率小、作用特性與斷路器的反力特性很好匹配，且能做到合閘速度較小而分閘速度較高的理想結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)和原理

“1+1”電力機(jī)車智能真空斷路器以底座為界，分為高壓和低壓兩部分。高壓部分位于機(jī)車頂部，由引出線和斷路器主體組成。低壓部分由永磁機(jī)構(gòu)和智能控制裝置組成。永磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)，具有合閘、分閘兩種狀態(tài)。永磁機(jī)構(gòu)的拉桿帶動(dòng)真空滅弧室作直線運(yùn)動(dòng)。

圖3 新型智能真空主斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

滅弧室單元由長(zhǎng)壽命真空滅弧室和復(fù)合絕緣材料組成，通過(guò)固體絕緣密封技術(shù)和連接件組成一體，永磁機(jī)構(gòu)通過(guò)連接螺桿直接安裝在開關(guān)體上，通過(guò)控制得電動(dòng)作，控制連接螺桿上推和下拉。合閘時(shí)，連接螺桿上推，壓動(dòng)開關(guān)體內(nèi)絕緣拉桿，帶動(dòng)觸頭彈簧和傳動(dòng)件，使真空滅弧室動(dòng)觸頭閉合，并以恒定壓力壓緊，使動(dòng)靜觸頭緊密接觸；分閘時(shí)，連接螺桿下拉，同樣通過(guò)開關(guān)體內(nèi)絕緣拉桿和傳動(dòng)件拉開滅弧室動(dòng)觸頭，使開關(guān)打開。在開關(guān)動(dòng)作的同時(shí)，安裝在永磁機(jī)構(gòu)上的聯(lián)鎖撥桿同時(shí)上下移動(dòng)，帶動(dòng)直線凸輪，使聯(lián)鎖開關(guān)打開或閉合。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—磁力線分布圖；

永磁機(jī)構(gòu)處于合閘位置，永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線如圖中Ⅰ。這時(shí)，下部磁路磁阻遠(yuǎn)大于上部磁路，動(dòng)鐵芯②保持在合閘位置。分閘時(shí)，分閘線圈⑤通電，分閘線圈中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁力線方向如圖中磁力線Ⅱ。分閘線圈在上部工作氣隙產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反。當(dāng)分閘線圈中的電流達(dá)到某一值時(shí)，機(jī)構(gòu)上端的磁力線被抵消殆盡，動(dòng)鐵芯開始在觸頭簧（或分閘簧）及少量電磁力的作用下向下運(yùn)動(dòng)。隨著底部氣隙的減小，氣隙磁阻也逐漸減小，當(dāng)下部氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上部氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，動(dòng)鐵芯向下將呈加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)至行程一半后，線圈電流和永久磁鐵產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)，其方向是向下的，于是，又進(jìn)一步加速了動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)，直到斷路器分閘到位。斷路器分閘到位后，連鎖裝置將信號(hào)返回控制器，自動(dòng)切斷分閘線圈⑤中的電流，動(dòng)鐵芯保持在分閘位置上。

3 各部件的設(shè)計(jì)

3.1 滅弧室的設(shè)計(jì)

普通真空滅弧室還不能直接應(yīng)用到電力機(jī)車上。因?yàn)槠胀缁∈业膲勖鼮?萬(wàn)次，而電力機(jī)車上斷路器分合動(dòng)作頻繁，1萬(wàn)次的壽命使用期限也就一年左右，所以我們采用雙斷口串聯(lián)，可提高分?jǐn)喔唠妷旱哪芰?；觸頭間距為小開距，可極大地提高滅弧室的壽命。為了保證斷口同步斷開，設(shè)計(jì)采用特殊的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使不同步度小于1ms，小于2ms的安全值。另外，我們還采用特殊結(jié)構(gòu)的波紋管，以配合小開距，使滅弧室的壽命>30萬(wàn)次。大量的動(dòng)態(tài)分析試驗(yàn)證明，本文所述的真空斷路器的機(jī)械壽命達(dá)到20萬(wàn)次以上。

我們?cè)O(shè)計(jì)分?jǐn)嘧畲蠖搪冯娏鳛?0kA，但滅弧能力為20kA，實(shí)際裕度為l倍之多。滅弧室中，動(dòng)靜觸頭材料選擇鉻銅合金，截?cái)嚯娏鳛?A以下，可有效防止操作過(guò)電壓的發(fā)生。

3.2 操作機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

在各種條件下都應(yīng)可靠地分、合閘，是主斷路器對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求之一。目前廣泛使用的操動(dòng)機(jī)構(gòu)有電磁、彈簧、氣動(dòng)、液壓電動(dòng)，但其機(jī)械故障率占主斷路器總故障的70%左右。為此，我們采用無(wú)磨耗件精密型永磁機(jī)構(gòu)，不但保證了主斷路器長(zhǎng)期動(dòng)作的可靠性，而且滿足主斷路器分、合閘及滅弧特性要求。滅弧室需要的閉合力為1000～1200kN，永磁機(jī)構(gòu)閉合力設(shè)計(jì)為3300kN，足以確保機(jī)構(gòu)的正常動(dòng)作，傳動(dòng)中的觸頭彈簧壽命>500萬(wàn)次，機(jī)構(gòu)動(dòng)作安全可靠。

我們采用釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁體，因?yàn)樗懈叩氖Ｓ啻鸥袘?yīng)強(qiáng)度，Br可以達(dá)到1.4T（退磁曲線上磁場(chǎng)強(qiáng)度H為零時(shí)，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，也成為剩磁）以及高的矯頑力，使永磁體很不容易退磁。永磁機(jī)構(gòu)的壓力和觸頭壓力相比，留了100%的裕量，以保證足夠的安全性。

永磁機(jī)構(gòu)通過(guò)電磁機(jī)構(gòu)和永磁鐵的特殊結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的功能，電磁線圈和磁路為靜止機(jī)構(gòu)，只要設(shè)計(jì)合理，沒有外力破壞，一般它不會(huì)損壞。大量試驗(yàn)證明，只要選材合理，精心設(shè)計(jì)，永磁機(jī)構(gòu)本身機(jī)械壽命可以達(dá)到100萬(wàn)次以上。

永久磁鐵與分、合閘線圈相配合，較好地解決了合閘時(shí)需要大功率能量的問(wèn)題，因?yàn)橛谰么盆F可以提供磁場(chǎng)能量，作為合閘之用。永磁機(jī)構(gòu)工作時(shí)，只需瞬時(shí)供電，一般小于60ms，在分、合閘狀態(tài)時(shí)，線圈沒有電流通過(guò)，保持力由永磁鐵提供，不再消耗能量。這就使我們可以減小合閘線圈的尺寸和工作電流。因此，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)可以做到真正意義上的免維修、少維護(hù)、長(zhǎng)壽命。

3.3 絕緣設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)的絕緣設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于車頂空間的限制，絕緣距離不能很大。電瓷絕緣材料絕緣優(yōu)良、價(jià)格便宜，但聯(lián)接須采用金屬連接件，體大物重，不耐碰撞，內(nèi)外溫差大時(shí)容易開裂。根據(jù)電力機(jī)車上的使用環(huán)境條件，我們選用粘接力強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，有較高的耐寒、耐熱、耐化學(xué)穩(wěn)定性的APG工藝復(fù)合絕緣材料，雙斷口上進(jìn)上出，在空氣濕度100%飽和情況下，空氣間絕緣距離>400mm，電壓等級(jí)27.5kV，外爬距1.2m、內(nèi)爬距0.9m，對(duì)地耐壓80kV/lmin，斷口間耐壓85kV/lmin。APG工藝復(fù)合絕緣材料與水不親和，可防止因雨水絕緣放電，從而有效地防止瓷瓶放電事故的發(fā)生。

3.4 智能控制器及聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)必須在控制器的驅(qū)動(dòng)下才能實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分合操作，因此，控制器的性能優(yōu)劣對(duì)斷路器的性能有很大的影響，要保證斷路器的可靠工作，就必須要有一個(gè)可靠的控制器。

3.4.1 系統(tǒng)組成的原理

圖5 智能控制器方框圖

智能控制器主要由5部分組成：電源模塊、輸入模塊、輸出模塊、CPLD智能控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊。我們采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD作為智能控制部件，借助于計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件quartus II平臺(tái)上，以硬件描述語(yǔ)言VHDL為系統(tǒng)邏輯描述手段，自動(dòng)完成邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合、以及邏輯優(yōu)化和仿真測(cè)試，直至實(shí)現(xiàn)規(guī)定的電子線路系統(tǒng)功能。這種純硬件的實(shí)現(xiàn)方式在工作可靠性方面有很大的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)橛布娐凡还苁艿绞裁锤蓴_，其電路結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化。采用EDA技術(shù)的全硬件實(shí)現(xiàn)方式，由于非法狀態(tài)的可預(yù)測(cè)性以及進(jìn)入非法狀態(tài)的可判斷性，從而確保了從非法狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)的各種措施的可行性。

圖6 智能控制板

3.4.2可靠性設(shè)計(jì)

3.4.2.1電磁兼容性設(shè)計(jì)

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中由于開關(guān)大電流而產(chǎn)生很大的電磁干擾，永久磁鐵和線圈均會(huì)產(chǎn)生很大的磁場(chǎng)干擾，另外，開通和關(guān)斷過(guò)程中，電容充放電亦會(huì)產(chǎn)生幅值很大的脈沖電壓和脈沖電流，會(huì)通過(guò)電源通道耦合到控制器自身，所以抗干擾問(wèn)題對(duì)于控制器來(lái)說(shuō)非常重要。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采取的措施主要有：①電源輸入加有性能優(yōu)良的電源濾波器，可以防止通過(guò)電源線的傳導(dǎo)干擾；②專用芯片通過(guò)光電電路完全與外部I/O部分隔離，以保證專用芯片安全運(yùn)行；③模擬電路濾波和專用芯片數(shù)字濾波同時(shí)使用，確保不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)的情況；④電路板精心設(shè)計(jì)，精心布線，避免線路之間的串?dāng)_。

3.4.2.2電力電子電路的可靠性設(shè)計(jì)

電力電子電路是控制器的另一個(gè)關(guān)鍵部件，它的負(fù)載是一個(gè)大的電感，在開通和關(guān)斷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)態(tài)dv/dt，加之工作電流很大，使器件有可能同時(shí)受到大電流、高電壓和寄生電容中的位移電流的作用，所以確保這部分電路穩(wěn)定可靠的工作亦很關(guān)鍵。

①在設(shè)計(jì)中使用抗沖擊能力強(qiáng)、dv/dt性能好的IR公司生產(chǎn)的IGBT和IGBT控制芯片；

②精心設(shè)計(jì)電路參數(shù),反復(fù)測(cè)試，保證輸出波形好；

③精心設(shè)計(jì)和調(diào)試吸收電路，保證驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定工作；

④過(guò)流保護(hù)電路，確保電力電子電路的安全運(yùn)行；

⑤為防止長(zhǎng)時(shí)間通電，采用的控制算法是：正常時(shí)采用最短時(shí)間與開關(guān)位置信號(hào)控制，在位置信號(hào)失效時(shí)采用最長(zhǎng)時(shí)間控制。

3.4.2.3智能自診斷、自檢測(cè)設(shè)計(jì)

控制器采用全硬件狀態(tài)機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的工作調(diào)度，這就使其可以充分發(fā)揮全硬件電路容錯(cuò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在運(yùn)行中可以對(duì)各種狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，可以監(jiān)視各種非法狀態(tài)，由非法狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常狀態(tài)只需要幾個(gè)微秒，因而不會(huì)因進(jìn)入非法狀態(tài)而對(duì)系統(tǒng)造成影響，確保在運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，即確?？刂破饔肋h(yuǎn)保持在運(yùn)行狀態(tài)。

3.4.2.4零位斷合

利用電子操控計(jì)算機(jī)的多余功能和精密性永磁結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)零電流打開和零電壓閉合的智能控制技術(shù)，即適時(shí)采樣，計(jì)算發(fā)令，自適應(yīng)修正等，使斷合點(diǎn)在零位正負(fù)2ms以內(nèi)。經(jīng)模擬試驗(yàn)表明，該項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了預(yù)期效果，較好地抑制了過(guò)電壓的產(chǎn)生。

3.4.2.5傳動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的固體潤(rùn)滑技術(shù)

為了使斷路器實(shí)現(xiàn)其真正意義上的少維護(hù)、不檢修，甚至不維護(hù)，斷路器的幾個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，采用了二硫化鋁加石墨的固體潤(rùn)滑技術(shù)，壽命試驗(yàn)的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

工作電壓：AC25kV；最大工作電壓：AC30kV；

工作電流：ACl000A；最大工作電流：AC1250A；

工作頻率：50Hz；

額定短路開斷電流：ACl0kA；

額定峰恒耐受電流：AC31.5kA；

最大開斷電流：AC20kA；

控制器工作電壓：DC110V；

開關(guān)動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間：≤20ms；

開關(guān)動(dòng)作時(shí)間：≤50ms；

開關(guān)動(dòng)作控制器永磁機(jī)構(gòu)通電時(shí)間：≤25ms。

5 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

TB/T1333.4-2005/IEC6007-4-2003(機(jī)車車輛電氣設(shè)備、第四部分，電工器件交流斷路器規(guī)則)

TB/T2055-1999 （機(jī)車真空斷路器技術(shù)條件）

TB/T3021-2001 （鐵道機(jī)車車輛電子裝置）

GB/T17626.5-2008 （電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)）

6 主要技術(shù)特點(diǎn)

①采用先進(jìn)的復(fù)合絕緣材料，具有抗老化、防紫外線、高強(qiáng)度及優(yōu)良的電氣絕緣性能；

②斷路器主體采用先進(jìn)的APGP注射成型工藝加工技術(shù)；

③專門研制的長(zhǎng)壽命的真空滅弧室；

④國(guó)家專利技術(shù)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)；

⑤開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定性好；

⑥可靠性高；

⑦與機(jī)車原有主斷路器有互換性。

7 結(jié)束語(yǔ)

“1+1”電力機(jī)車智能真空主斷路器于2009年5月19日在福州機(jī)務(wù)段的SS3B4045機(jī)車上安裝試用，運(yùn)用至今僅出現(xiàn)過(guò)一次真空斷路器控制預(yù)備中間繼電器聯(lián)鎖線斷，導(dǎo)致繼電器不得電，機(jī)車無(wú)壓無(wú)流。但正因?yàn)檫@種斷路器有兩臺(tái)斷路器，運(yùn)行中司機(jī)通過(guò)切換，啟用另一臺(tái)斷路器，照常運(yùn)行，回段處理，不造成機(jī)破。這也正體現(xiàn)了這種斷路器的優(yōu)越性。