□ 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(jì)背景

軌道交通車輛作為在大中型城市中一種快速、大運(yùn)量、采用電力牽引的公共交通工具,軌道交通車輛的電氣動(dòng)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(biāo),受到越來(lái)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(dān)了主電路的保護(hù)、檢測(cè)、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(shí)現(xiàn)既定的電氣功能,而且需要滿足電氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于爬電距離和電氣間隙的規(guī)定,同時(shí)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(yùn)行過(guò)程中,對(duì)車輛自身及其安裝設(shè)備帶來(lái)的沖擊與振動(dòng)不可避免,箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)軌道交通車輛的安全運(yùn)營(yíng)十分關(guān)鍵。因此,高壓電器箱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)包含電氣設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)相結(jié)合的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)工作。

2 軌道交通車輛電氣原理設(shè)計(jì)

以國(guó)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(dòng)電阻,Motor為電機(jī),CCS為受流靴,M為電機(jī),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(kāi)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(yùn)行時(shí)提供牽引動(dòng)力,同時(shí)在車輛制動(dòng)時(shí)提供電制動(dòng)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(kāi)關(guān)、高速斷路器、牽引逆變器、牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻。

圖1所示的中間車是通過(guò)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(jìn)入主熔斷器F及避雷器。主熔斷器實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛主電路的過(guò)流保護(hù),受流靴滿足軌道交通車輛的良好取流性能及安全通過(guò)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(shí)避雷器接地端與軌道交通車輛接地母排相連,實(shí)現(xiàn)可靠接地。

圖2 高壓電器箱原理

主電路配置隔離開(kāi)關(guān),當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)手柄調(diào)至受流靴位置點(diǎn)時(shí),直流750 V供電電流經(jīng)過(guò)隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器F1、流入高速斷路器,最后進(jìn)入牽引逆變器。高速斷路器可以對(duì)牽引逆變器進(jìn)行過(guò)流保護(hù),牽引逆變器作為軌道交通車輛交流傳動(dòng)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(shí)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(jī)供電。

圖1所示中間車一臺(tái)牽引逆變器同時(shí)給四臺(tái)并聯(lián)的電機(jī)供電,電機(jī)為三相鼠籠式異步交流電機(jī),額定功率為190 kW。此外,中間車牽引逆變器設(shè)置有一臺(tái)電阻制動(dòng)裝置,在電制動(dòng)過(guò)程中,再生制動(dòng)優(yōu)先。隨著再生吸收條件的變化,再生制動(dòng)與電阻制動(dòng)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(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、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(jī)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(gè)相同且獨(dú)立的逆變單元模塊,每個(gè)模塊輸出容量為110 kVA。直流750 V供電電流由供電軌通過(guò)受流靴、隔離開(kāi)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(duì)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(duì)輔助逆變器回路進(jìn)行保護(hù)。

同時(shí),每臺(tái)輔助逆變器箱內(nèi)部設(shè)置有兩臺(tái)蓄電池充電機(jī),蓄電池充電機(jī)給直流110 V車輛設(shè)備供電的同時(shí),還可對(duì)軌道交通車輛蓄電池進(jìn)行充電。每臺(tái)蓄電池充電機(jī)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(jì)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(dòng)范圍為直流500～900 V,車輛再生制動(dòng)時(shí)輸入電壓允許達(dá)到直流1 000 V。

高壓電器箱采用模塊化設(shè)計(jì),主要部件包括避雷器、車間電源插座、隔離開(kāi)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(shí),避雷器具有高阻抗,相當(dāng)于絕緣體;電網(wǎng)發(fā)生雷擊時(shí),網(wǎng)絡(luò)電壓急劇升高,避雷器瞬時(shí)導(dǎo)通,將電擊能量導(dǎo)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(fēng)冷散熱。

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

(3) 隔離開(kāi)關(guān)。高壓電器箱內(nèi)設(shè)置有一套三位置手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān),三個(gè)位置分別為受流靴位、接地位、車間電源位。隔離開(kāi)關(guān)配有人工操作的閉鎖,在手動(dòng)切換隔離開(kāi)關(guān)至另一位置前,需要進(jìn)行手動(dòng)解鎖。一旦該閉鎖被手動(dòng)操作,裝在隔離開(kāi)關(guān)上的微型輔助開(kāi)關(guān)將閉合觸點(diǎn)。刀開(kāi)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(kāi)關(guān)將牽引逆變器,輔助逆變器與受流靴連接起來(lái),供電軌通過(guò)受流靴對(duì)軌道交通車輛進(jìn)行直流750 V輸入供電。

接地位:刀開(kāi)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(lái),確保人員在車庫(kù)進(jìn)行軌道交通車輛無(wú)電檢修作業(yè)的安全。

車間電源位:刀開(kāi)關(guān)將輔助逆變器與車間供電電源插座連接起來(lái),地面車間電源向軌道交通車輛輔助系統(tǒng)進(jìn)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(dǎo)體串聯(lián)在電路中,當(dāng)電路中電流超過(guò)一定數(shù)值或線路短路時(shí),熔斷器自身會(huì)產(chǎn)生熱量使熔體熔化,從而斷開(kāi)電路,達(dá)到保護(hù)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(dāng)高速斷路器閉合時(shí),軌道交通車輛將獲得由受流靴引入的直流750 V電源。當(dāng)軌道交通車輛主電路發(fā)生短路、過(guò)載、接地等故障時(shí),故障信號(hào)通過(guò)車輛控制電路使高速斷路器即刻自動(dòng)斷開(kāi),切斷總電源,對(duì)牽引逆變器提供保護(hù)。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(dú)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?jǐn)嗫倳r(shí)間約為15 ms。

4 高壓電器箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備布置

高壓電器箱的設(shè)計(jì)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(jìn)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(guò)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(guò)機(jī)加工形成。箱體與兩根安裝吊梁之間通過(guò)鉚接的方法,連接成一個(gè)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(shí)行就近原則,按照電流流過(guò)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(guò)銅母排導(dǎo)通,銅母排位置固定。對(duì)于箱體與軌道交通車輛其它設(shè)備的電氣連接,當(dāng)外部電纜進(jìn)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(jìn)一步彎曲、回轉(zhuǎn),降低了組裝的工作難度。

布置電纜時(shí),高壓電纜與低壓電纜分開(kāi)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(gè)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(kāi)式的結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備的安裝與維護(hù)十分便捷。

5 高壓電器箱有限元仿真

高壓電器箱通過(guò)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(qiáng)度螺栓連接的方法,實(shí)現(xiàn)懸掛于車輛底部。軌道交通車輛在日常運(yùn)營(yíng)時(shí),受力狀態(tài)取決于車輛的載荷、加速、減速、制動(dòng),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(dòng)是很正常的。在設(shè)計(jì)中,采用基于有限元仿真的動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)箱體進(jìn)行沖擊與振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)值模擬,驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,確定設(shè)計(jì)方案的合理性。

5.1 有限元模型

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

圖4 箱體有限元模型

5.2 計(jì)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(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)要求,沖擊和振動(dòng)分析工況參數(shù)見(jiàn)表1和表2,高壓電器箱試驗(yàn)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)EN 12663—2000《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)要求,在對(duì)材料受力位置進(jìn)行屈服強(qiáng)度考核時(shí),安全因數(shù)取值為1.15,焊縫處的屈服強(qiáng)度按母材的80%考慮。計(jì)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(dòng)分析工況參數(shù)

圖5 高壓電器箱試驗(yàn)方向

高壓電器箱箱體材質(zhì)為X5CrNi18-10不銹鋼,材料特性見(jiàn)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(jiàn)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(dòng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)EN 12663—2000《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)要求,高壓電器箱箱體在三個(gè)相互垂直的方向上,每個(gè)方向進(jìn)行5 h的有限元仿真加速度振動(dòng)試驗(yàn),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(xì)仿真結(jié)果見(jiàn)表5,由表5可以看出,所有工況下,材料實(shí)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(dòng)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(dòng),高壓電器箱箱體振動(dòng)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(dòng)工況1箱體振動(dòng)疲勞壽命分布云圖

高壓電器箱箱體振動(dòng)疲勞壽命仿真結(jié)果見(jiàn)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(dòng)疲勞壽命仿真結(jié)果

6 高壓電器箱沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證有限元仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)高壓電器箱進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為了真實(shí)體現(xiàn)軌道交通車輛在運(yùn)營(yíng)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(biāo)準(zhǔn),訂制特殊的工裝夾具,將高壓電器箱固定在振動(dòng)臺(tái)上。

根據(jù)IEC 61373—2010《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》中按1類A級(jí)設(shè)備安裝于車身為標(biāo)準(zhǔn),在三個(gè)相互垂直的方向上進(jìn)行箱體的沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)。每個(gè)方向試驗(yàn)項(xiàng)目順序?yàn)殚L(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)方向順序?yàn)榇瓜?、橫向、縱向。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表7和表8。

表7 長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)

表8 沖擊試驗(yàn)參數(shù)

以高壓電器箱垂向試驗(yàn)過(guò)程為例,說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程。高壓電器箱垂向試驗(yàn)安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示,高壓電器箱垂向長(zhǎng)壽命試驗(yàn)振動(dòng)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(yàn)沖擊加速度曲線如圖12所示。

試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)高壓電器箱進(jìn)行以下項(xiàng)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(cè)試;

(3) 直流750 V高壓電路絕緣耐壓測(cè)試;

(4) 高速斷路器控制回路邏輯測(cè)試;

圖10 高壓電器箱垂向試驗(yàn)安裝現(xiàn)場(chǎng)

圖11 高壓電器箱垂向長(zhǎng)壽命試驗(yàn)振動(dòng)加速度功率譜密度曲線

圖12 高壓電器箱垂向沖擊試驗(yàn)沖擊加速度曲線

(5) 隔離開(kāi)關(guān)監(jiān)視回路邏輯測(cè)試。

檢查結(jié)果,箱體及設(shè)備無(wú)變形、裂紋,設(shè)備安裝正常無(wú)松動(dòng),電氣功能測(cè)試正常,判定高壓電器箱通過(guò)沖擊與振動(dòng)試驗(yàn)考核。

7 高壓電器箱水密性試驗(yàn)

軌道交通車輛在日常運(yùn)營(yíng)及維護(hù)時(shí),面對(duì)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(jìn)水故障,將造成線路短路、燒壞電氣元件,甚至導(dǎo)致嚴(yán)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(hù)等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)要求,高壓電器箱的設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為IP54。

為了考核高壓電器箱的防水性能,按如下程序進(jìn)行了水密性試驗(yàn):① 將高壓電器箱按試驗(yàn)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(yàn)淋雨裝置,設(shè)置孔徑為φ5.0±0.5 mm的噴嘴七個(gè);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(kāi)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(duì)準(zhǔn)箱體持續(xù)噴射10 min;⑥ 檢查確認(rèn)箱體所有的測(cè)試表面均已完全淋水;⑦ 淋雨試驗(yàn)結(jié)束5 min后,打開(kāi)箱體兩個(gè)檢查門進(jìn)行檢查。

經(jīng)過(guò)目視檢查,箱體內(nèi)部無(wú)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(yàn)結(jié)果達(dá)到EN 60529標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)等級(jí)IP 54的要求,判定為合格。

8 結(jié)束語(yǔ)

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(jì)與設(shè)備布置等方面闡述高壓電器箱的設(shè)計(jì),并通過(guò)有限元仿真沖擊、振動(dòng)試驗(yàn),淋雨試驗(yàn)驗(yàn)證了箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)了車輛系統(tǒng)的電氣功能測(cè)試,車輛投入正式載客運(yùn)營(yíng)后性能穩(wěn)定、可靠。同時(shí),上述設(shè)計(jì)方法和流程亦可作為軌道交通車輛類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)的參考。