電力機車新型智能真空主斷路器的研制

孔祝英

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電力機車新型智能真空主斷路器的研制

孔祝英

福建鐵路機電學校

針對現有電力機車主斷路器的不足，研制一種新型電力機車真空主斷路器，以“1+1”方式安裝，在某主斷路器發生故障時，司機可通過開關切換到另一臺主斷路器，保證機車不因為主斷路器故障而發生機破。

“1+1” 電力機車 智能 真空主斷路器

主斷路器是用來接通和分斷電力機車的高壓電路，是機車的電源總開關，同時，當機車發生故障時它又可迅速切斷機車總電源以保護其他設備，是機車最主要的保護裝置，所以主斷路器具有控制和保護的雙重功能，其可靠性直接影響機車的安全運行。

目前，電力機車安裝的主斷路器分空氣斷路器和真空斷路器。由于空氣斷路器結構復雜、故障率高而不被新型機車采用，但普通真空斷路器也存在絕緣強度薄弱等不足，因此我們于2008年9月立項研制一種電力機車新型真空主斷路器，以“1+1”安裝方式，即兩臺主斷路器安裝在同一底座上，控制裝置也相互獨立。實現一臺機車上有兩臺主斷路器交替工作，避免因單臺主斷路器發生故障而引起的機破，保證機車安全運行。

1 設計思路

1.1 兩臺主斷路器、兩套裝置

圖1 電力機車車頂單開關聯線示意圖

目前，電力機車上主斷路器只有一臺，無論是空氣斷路器還是真空斷路器，在運行中一旦主斷路器發生故障，則機車只能停止運行等待救援。因此我們設計增加一臺主斷路器，當一臺主斷路器發生故障時可以有另一臺替代使用，確保機車正常運行。同時為了不過多地改變機車原有的構造和尺寸，我們設計將兩臺主斷路器放置在同一臺底座固定板上，以便于安裝。

圖2 “1+1”雙主斷路器車頂聯線示意圖

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，我們取消原空氣斷路器的隔離開關，并把滅弧室改用真空滅弧室。真空滅弧的電性能和機械性能高，絕緣強度比大氣的絕緣強度要高得多，同時由于采用真空滅弧，所需的間隙很小，可以實現提高使用壽命和減小體積的設想。

1.3 采用永磁機構

為保證主斷路器分合閘動作的可靠性，我們將傳統的電空機械裝置改成永磁機構，使整個操動機構結構簡單可靠、工作壽命長、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構。

2 結構和原理

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

圖3 新型智能真空主斷路器結構示意圖

滅弧室單元由長壽命真空滅弧室和復合絕緣材料組成，通過固體絕緣密封技術和連接件組成一體，永磁機構通過連接螺桿直接安裝在開關體上，通過控制得電動作，控制連接螺桿上推和下拉。合閘時，連接螺桿上推，壓動開關體內絕緣拉桿，帶動觸頭彈簧和傳動件，使真空滅弧室動觸頭閉合，并以恒定壓力壓緊，使動靜觸頭緊密接觸；分閘時，連接螺桿下拉，同樣通過開關體內絕緣拉桿和傳動件拉開滅弧室動觸頭，使開關打開。在開關動作的同時，安裝在永磁機構上的聯鎖撥桿同時上下移動，帶動直線凸輪，使聯鎖開關打開或閉合。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—磁力線分布圖；

永磁機構處于合閘位置，永久磁鐵產生的磁力線如圖中Ⅰ。這時，下部磁路磁阻遠大于上部磁路，動鐵芯②保持在合閘位置。分閘時，分閘線圈⑤通電，分閘線圈中的電流產生磁場，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生的磁場方向與永久磁鐵所產生的磁場方向相反。當分閘線圈中的電流達到某一值時，機構上端的磁力線被抵消殆盡，動鐵芯開始在觸頭簧（或分閘簧）及少量電磁力的作用下向下運動。隨著底部氣隙的減小，氣隙磁阻也逐漸減小，當下部氣隙的磁感應強度遠遠大于上部氣隙的磁感應強度時，動鐵芯向下將呈加速運動。當動鐵芯運動至行程一半后，線圈電流和永久磁鐵產生的合成磁場，其方向是向下的，于是，又進一步加速了動鐵芯的運動，直到斷路器分閘到位。斷路器分閘到位后，連鎖裝置將信號返回控制器，自動切斷分閘線圈⑤中的電流，動鐵芯保持在分閘位置上。

3 各部件的設計

3.1 滅弧室的設計

普通真空滅弧室還不能直接應用到電力機車上。因為普通滅弧室的壽命為1萬次，而電力機車上斷路器分合動作頻繁，1萬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，可提高分斷高電壓的能力；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，設計采用特殊的傳動機構，使不同步度小于1ms，小于2ms的安全值。另外，我們還采用特殊結構的波紋管，以配合小開距，使滅弧室的壽命>30萬次。大量的動態分析試驗證明，本文所述的真空斷路器的機械壽命達到20萬次以上。

我們設計分斷最大短路電流為10kA，但滅弧能力為20kA，實際裕度為l倍之多。滅弧室中，動靜觸頭材料選擇鉻銅合金，截斷電流為5A以下，可有效防止操作過電壓的發生。

3.2 操作機構及傳動的設計

在各種條件下都應可靠地分、合閘，是主斷路器對操動機構的基本要求之一。目前廣泛使用的操動機構有電磁、彈簧、氣動、液壓電動，但其機械故障率占主斷路器總故障的70%左右。為此，我們采用無磨耗件精密型永磁機構，不但保證了主斷路器長期動作的可靠性，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，永磁機構閉合力設計為3300kN，足以確保機構的正常動作，傳動中的觸頭彈簧壽命>500萬次，機構動作安全可靠。

我們采用釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁體，因為它有高的剩余磁感應強度，Br可以達到1.4T（退磁曲線上磁場強度H為零時，相應的磁感應強度，也成為剩磁）以及高的矯頑力，使永磁體很不容易退磁。永磁機構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。

永磁機構通過電磁機構和永磁鐵的特殊結合實現傳統機構的功能，電磁線圈和磁路為靜止機構，只要設計合理，沒有外力破壞，一般它不會損壞。大量試驗證明，只要選材合理，精心設計，永磁機構本身機械壽命可以達到100萬次以上。

永久磁鐵與分、合閘線圈相配合，較好地解決了合閘時需要大功率能量的問題，因為永久磁鐵可以提供磁場能量，作為合閘之用。永磁機構工作時，只需瞬時供電，一般小于60ms，在分、合閘狀態時，線圈沒有電流通過，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，永磁操動機構可以做到真正意義上的免維修、少維護、長壽命。

3.3 絕緣設計

高壓開關的絕緣設計至關重要。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良、價格便宜，但聯接須采用金屬連接件，體大物重，不耐碰撞，內外溫差大時容易開裂。根據電力機車上的使用環境條件，我們選用粘接力強，機械強度高，有較高的耐寒、耐熱、耐化學穩定性的APG工藝復合絕緣材料，雙斷口上進上出，在空氣濕度100%飽和情況下，空氣間絕緣距離>400mm，電壓等級27.5kV，外爬距1.2m、內爬距0.9m，對地耐壓80kV/lmin，斷口間耐壓85kV/lmin。APG工藝復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生。

3.4 智能控制器及聯鎖設計

永磁操動機構必須在控制器的驅動下才能實現開關的分合操作，因此，控制器的性能優劣對斷路器的性能有很大的影響，要保證斷路器的可靠工作，就必須要有一個可靠的控制器。

3.4.1 系統組成的原理

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、驅動模塊。我們采用復雜可編程邏輯器件CPLD作為智能控制部件，借助于計算機，在EDA工具軟件quartus II平臺上，以硬件描述語言VHDL為系統邏輯描述手段，自動完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結構綜合、以及邏輯優化和仿真測試，直至實現規定的電子線路系統功能。這種純硬件的實現方式在工作可靠性方面有很大的優勢，這是因為硬件電路不管受到什么干擾，其電路結構不會發生變化。采用EDA技術的全硬件實現方式，由于非法狀態的可預測性以及進入非法狀態的可判斷性，從而確保了從非法狀態恢復到正常狀態的各種措施的可行性。

圖6 智能控制板

3.4.2可靠性設計

3.4.2.1電磁兼容性設計

永磁操動機構在運行中由于開關大電流而產生很大的電磁干擾，永久磁鐵和線圈均會產生很大的磁場干擾，另外，開通和關斷過程中，電容充放電亦會產生幅值很大的脈沖電壓和脈沖電流，會通過電源通道耦合到控制器自身，所以抗干擾問題對于控制器來說非常重要。我們在設計中采取的措施主要有：①電源輸入加有性能優良的電源濾波器，可以防止通過電源線的傳導干擾；②專用芯片通過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行；③模擬電路濾波和專用芯片數字濾波同時使用，確保不會發生誤動的情況；④電路板精心設計，精心布線，避免線路之間的串擾。

3.4.2.2電力電子電路的可靠性設計

電力電子電路是控制器的另一個關鍵部件，它的負載是一個大的電感，在開通和關斷過程中會產生很大的動態dv/dt，加之工作電流很大，使器件有可能同時受到大電流、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定可靠的工作亦很關鍵。

①在設計中使用抗沖擊能力強、dv/dt性能好的IR公司生產的IGBT和IGBT控制芯片；

②精心設計電路參數,反復測試，保證輸出波形好；

③精心設計和調試吸收電路，保證驅動電路穩定工作；

④過流保護電路，確保電力電子電路的安全運行；

⑤為防止長時間通電，采用的控制算法是：正常時采用最短時間與開關位置信號控制，在位置信號失效時采用最長時間控制。

3.4.2.3智能自診斷、自檢測設計

控制器采用全硬件狀態機作為整個系統的工作調度，這就使其可以充分發揮全硬件電路容錯技術的優勢，在運行中可以對各種狀態進行跟蹤，可以監視各種非法狀態，由非法狀態轉入正常狀態只需要幾個微秒，因而不會因進入非法狀態而對系統造成影響，確保在運行中不會出現死機現象，即確保控制器永遠保持在運行狀態。

3.4.2.4零位斷合

利用電子操控計算機的多余功能和精密性永磁結構優勢，設計零電流打開和零電壓閉合的智能控制技術，即適時采樣，計算發令，自適應修正等，使斷合點在零位正負2ms以內。經模擬試驗表明，該項技術達到了預期效果，較好地抑制了過電壓的產生。

3.4.2.5傳動關節點的固體潤滑技術

為了使斷路器實現其真正意義上的少維護、不檢修，甚至不維護，斷路器的幾個轉動關節，采用了二硫化鋁加石墨的固體潤滑技術，壽命試驗的結果基本達到了預期的目標。

4 主要技術指標

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；

開關動作反應時間：≤20ms；

開關動作時間：≤50ms；

開關動作控制器永磁機構通電時間：≤25ms。

5 執行標準

TB/T1333.4-2005/IEC6007-4-2003(機車車輛電氣設備、第四部分，電工器件交流斷路器規則)

TB/T2055-1999 （機車真空斷路器技術條件）

TB/T3021-2001 （鐵道機車車輛電子裝置）

GB/T17626.5-2008 （電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗）

6 主要技術特點

①采用先進的復合絕緣材料，具有抗老化、防紫外線、高強度及優良的電氣絕緣性能；

②斷路器主體采用先進的APGP注射成型工藝加工技術；

③專門研制的長壽命的真空滅弧室；

④國家專利技術的永磁操動機構；

⑤開關內部結構簡潔、穩定性好；

⑥可靠性高；

⑦與機車原有主斷路器有互換性。

7 結束語

“1+1”電力機車智能真空主斷路器于2009年5月19日在福州機務段的SS3B4045機車上安裝試用，運用至今僅出現過一次真空斷路器控制預備中間繼電器聯鎖線斷，導致繼電器不得電，機車無壓無流。但正因為這種斷路器有兩臺斷路器，運行中司機通過切換，啟用另一臺斷路器，照常運行，回段處理，不造成機破。這也正體現了這種斷路器的優越性。