地鐵車輛高壓電器箱的設計與結構仿真

丁 杰

（南車株洲電力機車研究所有限公司 南車電氣技術與材料工程研究院，株洲 412001）

地鐵車輛高壓電器箱的設計與結構仿真

丁 杰

（南車株洲電力機車研究所有限公司 南車電氣技術與材料工程研究院，株洲 412001）

高壓電器箱的設計需要考慮電氣功能與安裝維修的便利性，還需對箱體的疲勞壽命進行校核。以地鐵牽引系統用高壓電器箱為例，介紹電氣原理與功能、關鍵器件選型與計算、內部器件布置和對外連接，并運用ANSYS軟件進行了隨機振動疲勞壽命分析，試驗驗證了仿真結果的準確性。研究方法與結果對高壓電器箱的產品開發有一定的指導意義。

地鐵車輛；高壓電器箱；設計；選型；結構仿真

地鐵已成為城市軌道交通中越來越受到重視的交通工具之一，對城市軌道交通裝備的需求也越來越大。

高壓電器箱作為地鐵車輛牽引系統的重要組成部分，承擔了牽引主電路的保護、檢測、支撐電容充放電、線路短接和續流等工作。由于箱體內部有較多的高壓器件，不僅需要實現既定的功能且滿足電氣安規爬電距離的要求，還需要考慮是否便于組裝、維修。此外，高壓電器箱懸掛于車體底部，其結構疲勞壽命對安全行車非常關鍵，因此，對高壓電器箱的設計提出了較高要求。

本文以某地鐵車輛高壓電器箱為例，從電氣原理與功能、關鍵器件選型與計算、內部器件布置和對外電氣連接等方面闡述產品設計的實現，并通過結構仿真方法和振動試驗驗證箱體結構設計的合理性。

1 電氣原理與功能

某地鐵車輛電氣牽引系統的主電路原理如圖1所示。電氣牽引系統按照功能大致可分為：高壓電器及能量釋放單元（1F01、QS1、1Q02、F1、V1、R2）、電容器充放電單元（KM1、KM2、QS11、R1、R3、R4）、濾波單元（L、C）、電阻制動斬波及過電壓抑制單元（斬波IGBT模塊、1R01、1R02）、逆變器單元（INVMK1、INVMK2）、異步牽引電動機（1M01-1M04）及檢測單元（LH1-LH8、VH1和VH2）等組成。這些功能單元基本上分屬于高壓電器箱、線路電抗器箱、制動電阻箱、牽引逆變器箱、牽引電機等不同的設備箱體中[1～2]。

高壓電器及能量釋放單元由主隔離開關（QS1）、高速斷路器（1Q02）、浪涌吸收器（F1）及RD回路（R2、V1）等組成。主隔離開關用于主電路的隔離以及通過機械聯鎖放電隔離開關（QS11）將支撐電容（C）的放電回路短接，以保證安全。高速斷路器可在主電路出現嚴重故障（如 ：主電路電器部件故障、網壓或直流電壓過壓、直流側電流過流、主電路接地、IGBT元件故障、網絡通信故障、傳動控制單元故障、110 V控制電源失電等）時，快速斷開以實現主電路的故障保護，還可快速響應檢測出的過電流來實現主電路短路瞬時保護。浪涌吸收器及RD回路主要用于主電路故障情況下釋放線路電抗器的蓄存能量，以避免主電路器件的二次損壞。

電容器充放電單元由接觸器（KM1、KM2）、充電電阻（R1）和放電電阻（R3）組成，用于支撐電容的充放電。當列車牽引準備好，主電路高速斷路器閉合后，閉合KM2接觸器，電網電源通過受電弓、隔離開關、高速斷路器、充電電阻給支撐電容充電，當支撐電容電壓在一定時間且上升到一定值時，KM1接觸器閉合，支撐電容充電完成。當電路出現故障或列車進段整修，放電電阻與主隔離開關形成支撐電容的快速放電回路，從而使支撐電容通過放電電阻快速放電。支撐電容亦可通過與其并聯的電阻R4及開通斬波器進行放電。

檢測單元由LH1～LH8電流傳感器和VH1、 VH2電壓傳感器組成，其中LH1為差動電流傳感器，根據進出兩路電流差值來實現主電路接地故障保護。

圖1 地鐵車輛牽引系統主電路原理圖

2 關鍵器件選型與計算

根據地鐵車輛牽引系統的方案，可以確定高壓電器箱的電氣參數：額定輸入電壓為DC1 500 V、輸入電壓范圍為DC1 000 V ～ DC1 800 V、額定輸入電流為DC600 A。

以安全可靠為原則，器件選型時需要有一定的富裕量，由此可確定主隔離開關的工作參數為電壓DC1 800 V、電流800 A；放電隔離開關的工作參數為電壓DC1 800 V、電流100 A；差動電流傳感器型號為NCA5-1000；浪涌吸收器的工作電壓為DC1 500 V，最大電流為1 750 A，通流量50 kA，殘壓≤2 600 V，流通容量≥25 kJ；KM1接觸器選擇BMS15.06型產品，工作電壓DC1 500 V、電流600 A，具有較高的可靠性和高壓電氣性能；高速斷路器選用UR型產品，為電維持、電控制和直接瞬態過流釋放型，工作電壓DC2 000 V、電流1 000 A。

充電電阻和放電電阻的阻值和工作時間有一定的要求，選型時需要進行計算來確定。根據技術規定，充電電阻必須在規定的時間內將支撐電容上的電壓充到工作電壓的80%，即，放電電阻必須在規定的時間內將支撐電容電壓降到人體安全電壓（Usafe=36 V）以下來保障工作人員的人身安全，即，其中Ud為電網電壓，Udp為支撐電容最大直流峰值電壓，C為支撐電容值，R1為充電電阻值，R3為放電電阻值，t1為充電時間，t3為放電時間。以1 500 V供電制為例，支撐電容值為16.6 mH，選用75 Ω與800 W充電電阻時，可知充電時間t1≥ 2 s；選用300 Ω與300 W放電電阻時，可知放電時間t3≥ 18.6 s。

3 內部器件布置與箱體對外連接

高壓電器箱的電氣原理圖是產品結構設計的主要依據，因此，內部器件基本上按照電氣原理圖實行就近原則來布置，即依照電流流過高壓器件的順序擺放，并考慮組裝和維修的方便性[3]。高壓電器箱內的器件布置如圖2所示。電網正極通過受流器經車體電纜連接到主隔離開關后部的銅母排上，再依次連接至高速斷路器、差動電流傳感器和KM1接觸器，然后經過KM1接觸器的出線銅母排由車體電纜連接到線路電抗器。這是沿電流流入牽引逆變器方向來布置。另一路為電流流出牽引逆變器方向，通過車體電纜連接到差動電流傳感器的另一根接線端，再連接到主接地開關，然后向外與車體電纜連接。浪涌吸收器、RD回路和放電回路（R3和QS11組成）則并聯在電流流出端和流入端的銅母排之間。

圖2 高壓電器箱的內部器件布局

布線時將高低壓線纜分開布置，以滿足電磁兼容的要求。低壓線纜沿門邊敷設，然后沿箱體右側經42芯的HARTING控制接頭與牽引逆變器連接。高壓線纜則沿另一側的門邊敷設，減少對低壓線纜的干擾。高壓電器箱共設置3個門，可以非常方便的實現內部器件的組裝與更換。

箱體對外的連接可分為電氣連接和機械連接。控制線對外連接采用HARTING接頭，可實現連接的方便與可靠。大線徑的電纜難以彎折與安裝，因此箱體與車體的電氣連接設計主要體現在8根150 mm2大線徑的電纜上。為方便電纜連接時的操作，采用電纜進入箱體后直接與固定母排相連，避免進一步彎曲，可以有效減小組裝工作強度和提高工作效率[4]。高壓電器箱對外的機械連接為吊耳，吊耳數目與具體安裝尺寸是與車體設計人員一同協商確定的。本文所述高壓電器箱有6個吊耳，通過M16螺栓將吊耳與車體底部的安裝梁固定在一起。

4 結構仿真與試驗驗證

高壓電器箱屬于車下懸掛設備，其結構的疲勞壽命對行車安全至關重要。對于軌道交通的車載設備而言，通常采用GB/T 21563—2008《軌道交通 機車車輛設備沖擊和振動試驗》（等同采用IEC 61373:1999，下文簡稱標準）規定的長壽命隨機振動試驗來進行考核[5]。標準規定了長壽命隨機振動試驗的ASD頻譜，通過檢查被試設備分別在垂向、橫向和縱向進行5 h的隨機振動試驗后是否出現斷裂、裂紋、脫落等故障，并通過性能測試進行驗證，從而判斷被試設備的疲勞壽命是否滿足設計要求。

根據箱體的結構特點，可以將鈑金件抽取中面，劃分成四邊形為主、極少數為三角形的殼單元，將吊耳、器件劃分為六面體為主、極少數為棱柱體的實體單元。圖3是高壓電器箱的有限元模型，x方向是縱向（車體行進方向），y方向是垂向，z方向是橫向。

圖3 有限元模型

圖4是垂向、橫向和縱向隨機振動的1σ應力分布。垂向（如圖4（a）所示）隨機振動的最大1σ應力為66.2 MPa，位置出現在高速斷路器的安裝板上；橫向（如圖4（b）所示）隨機振動的最大1σ應力為59.7 MPa，位置出現在接觸器安裝板上的螺栓安裝孔；縱向（如圖4（c）所示）隨機振動的最大1σ應力為81.9 MPa，位置出現在高速斷路器的安裝板上。3個方向的隨機振動中，縱向的1σ應力最大，橫向的1σ應力最小。

圖4 隨機振動1σ應力分布

為進一步了解高壓電器箱依次分別進行5 h的垂向、橫向和縱向隨機振動后產生的疲勞損傷情況，利用自主開發的疲勞顯示計算程序，得到如圖5所示的總體疲勞損傷云圖。由圖5可知高速斷路器的安裝板處的疲勞損傷為0.8 379，該值小于1，可以說明高壓電器箱能夠經受3個方向總共15 h隨機振動的考核，箱體的結構滿足設計要求。

圖5 3個方向隨機振動之后的總體疲勞損傷

為驗證仿真結果的準確性，對高壓電器箱進行了試驗驗證工作。圖6是高壓電器箱通過振動試驗夾具固定在振動臺上的情況。試驗過程中，控制譜曲線基本上在參考譜的極小范圍內波動，沒有出現明顯的毛刺與偏差，表明振動臺的能量基本上未失真地傳遞給了高壓電器箱，亦可表明高壓電器箱在試驗過程中沒有出現共振的異常情況。試驗結束后，對高壓電器箱進行了仔細檢查，未發現斷裂、裂紋、螺栓脫落等故障，隨即進行的性能測試表明可以實現產品的相關功能，因此，檢測機構給出了順利通過隨機振動試驗考核的結論。

圖6 樣機試驗

5 結束語

在進行高壓電器箱設計時，首先考慮了電氣功能的實現，并對關鍵器件進行選型，運用ANSYS軟件進行隨機振動疲勞壽命分析校核產品的結構設計，通過試驗驗證了結構仿真結果的準確性。開發出的高壓電器箱已在地鐵線路中得以應用，效果安全可靠，可為其它地鐵車輛高壓電器箱的產品設計提供參考。

[1] 張 安, 任天浩. 沈陽地鐵2號線地鐵車輛[J]. 機車電傳動，2010（4）：49-54.

[2] 解培金，劉 卓，閆 磊. 沈陽地鐵二號線車輛永磁同步牽引系統[J]. 大功率變流技術，2012（3）：8-11.

[3] 于慶禎，李 鋒. 電氣設備機械結構設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[4] 丁偉民，楊 文. 深圳地鐵2號線綜合檢測車組高壓電器柜內銅母線的設計[J]. 電力機車與城軌車輛，2012，35（2）：9-11.

[5] 丁 杰，忻 力，榮智林. 變流器器柜體隨機振動和沖擊試驗的數值模擬[J]. 機車電傳動，2012（1）：62-65.

責任編輯 方 圓

Design and structure simulation for high voltage cabinet of metro vehicle

DING Jie
(CSR Research of Electrical Technology & Material Engineering, CSR Zhuzhou Institute Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

The electrical function, the convenience of installation and reparation, and the fatigue life should to be considered in design work for high voltage electric box. Taking a high voltage electric box of metro vehicle as an example, the principle and function of the product, the selection and calculation of key devices, internal layout and external connection of the product were introduced. The random vibration analysis was carried out by using ANSYS software and then the accuracy of the simulation result was veri fi ed by experiment. Research methods and results could be drawn to support guiding signi fi cance of product development for high voltage electrical box.

metro vehicle; high voltage cabinet; design; selection; structure simulation

U266.2∶TP39

A

1005-8451（2014）07-0053-05

2013-12-24

丁 杰，高級工程師。