動車組高壓設備箱新技術應用可行性研究*

楊斯泐，郭旭剛，郭晨曦,2，王 坤

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路與城軌交通系統(tǒng)技術國家工程研究中心， 北京100081）

隨著我國鐵路事業(yè)快速發(fā)展，動車組高壓供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性是運行安全的重要組成部分，是保證列車運行高速、安全、可靠的關鍵系統(tǒng)之一。既有動車組高壓設備大多數(shù)安裝在車頂，無法避免地受到雨雪、污穢和氣流等影響，造成了高壓設備故障率的提高和壽命的縮短。

動車組采用高壓設備箱這種布置方式，通過密閉空間的設備箱體隔離了外界環(huán)境因素的影響，從而使列車的整個高壓系統(tǒng)的適應能力大大增強，能夠運用于各類線路，適應我國大范圍的運營現(xiàn)狀。

高壓設備箱內包含避雷器、互感器、主斷路器、高壓接地開關、高壓隔離開關等。箱體內空間較為局促，各高壓設備的布局和電磁場情況較為復雜，還涉及到高壓電纜的出線布置方式和連接情況。目前高壓設備箱主要采用戶外高壓部件的戶內布置方式，獨立的高壓部件在滿足現(xiàn)有戶外運用絕緣水平的基礎上進行戶內化設計和布局。因箱體內部絕緣間隙較小，局部位置通過增加絕緣涂層或絕緣板的方案來滿足要求，并經過高壓設備箱的絕緣試驗驗證，空氣絕緣方式室內空間已達到極限，無法滿足更高絕緣強度和小型化的需求。文中在研究既有高壓設備箱發(fā)展、技術條件、布置方式基礎上，提出C-GIS（氣體絕緣封閉開關）等新技術方案，分析其可行性，并對其可能存在的風險進行研究，在明確高壓設備箱的技術條件和要求基礎上，提出關鍵技術的解決方案，對后續(xù)動車組高壓設備箱的研制提供參考。

1 動車組高壓設備箱綜述

1.1 動車組高壓設備箱的發(fā)展

目前我國運營早期動車組高壓電氣設備仍采用車頂戶外安裝方式，結構簡單，成本較低，但受天氣、環(huán)境情況影響較大，也增加了維護成本和時間，縮短了高壓電氣設備的使用壽命。中國標準動車組開始采用了自主化高壓設備箱方案，通過合理安排設備布局，能夠初步滿足現(xiàn)有動車組高壓系統(tǒng)的運營需求［1-2］。

國內早期運用的動車組采用高壓設備箱方式為CRH2 型、CRH380A 型和CRH380D 型動車組，其高壓設備箱設計思想并不相同。其中CRH2 型、CRH380A 型動車組高壓設備箱內包含真空斷路器和避雷器等部分高壓設備，并不是完全意義上的高壓設備理想安裝方式，此種高壓設備箱布置方式為過渡型方案，通過部分高壓部件放置于箱體內，但相對于其他國內動車組戶外布置方式，CRH2 型、CRH380A 型動車組車頂高壓設備布置簡潔、緊湊［3］。

某型動車組為使其在高速運行過程中最大限度地減少空氣阻力、降低氣動噪聲，動車組將受電弓布置于車頂?shù)陌疾蹆龋茈姽⒔^緣子和網(wǎng)側避雷器之外的高壓設備均集中布置于密閉的設備箱內，此設備箱采用戶內化設計，內部高壓電器部件進行了適應性設計，箱體外形與車體平齊，其技術指標絕緣要求較低，能夠有效減少高速運行產生的風阻及噪音并便于維護和運用。

1.2 動車組高壓設備箱頂層技術條件

高壓設備采用集成高壓設備箱方案，將除受電弓、絕緣子、網(wǎng)側避雷器外的其余高壓部件放置于集成高壓設備箱內。

高壓設備箱的電氣性能試驗內容和方法符合GB/T 21413.1—2018《軌道交通 機車車輛電氣設備 第1 部分：一般使用條件和通用規(guī)則》的規(guī)定，主要技術參數(shù)應符合表1 規(guī)定。高壓設備箱方案應考慮浸水防護功能。

表1 高壓設備箱主要技術參數(shù)

2 動車組高壓設備箱布置方案研究

復興號動車組高壓設備箱主要分為車下和車頂2 種安裝方式，主要受限于車頂安裝空間、車下安裝空間、高壓電纜接頭、車端過橋電纜方案。

2.1 車下方案高壓設備箱

某型標準動車組高壓設備箱車下方案延續(xù)了CRH2 型動車組車下設置設備箱安裝的經驗，采用內絕緣結構的高壓連接頭以及貫穿車間的高壓電纜實現(xiàn)車端連接，具體方案如下圖1 所示。

圖1 高壓設備箱車下布置方案示意圖

此平臺標動采用車頂方案箱體高度530 mm，而車下方案箱體高度640 mm，較大的箱體電氣間隙能夠保證箱內高壓電氣設備的優(yōu)化布局，承受更大的外絕緣強度。此外CRH2 型動車組安裝的電纜接頭和車端過橋電纜及內絕緣電纜連接器有成熟的產品進行匹配，能夠在成熟產品的基礎上完成設備升級迭代工作，故選用車下布置方案。

2.2 車頂方案高壓設備箱

某型標準動車組高壓系統(tǒng)主電路型式采用成熟的CRH380 系列動車組車頂高壓設備主電路基本架構，在3 車和6 車車頂二位端布置了受電弓和高壓設備箱，通過位于4 車和5 車的高壓電纜連接，車頂高壓電氣布置如圖2 所示。

圖2 高壓設備箱車頂布置方案示意圖

高壓設備箱的尺寸為1 500 mm×2 000 mm×370 mm，高壓設備箱自帶頂蓋，頂蓋為絕緣材質。某型標準動車組車頂高壓設備電氣布局設計將斷路器、互感器、絕緣子、高壓電纜頭等高壓設備集中封裝在一個高壓設備箱體內。通過高壓設備箱體隔離了外界雨霧、污穢、氣流等因素的影響，有效地改善了高壓電氣設備的工作環(huán)境，提高了其線路適應能力。

3 C-GIS 型高壓設備箱

3.1 必要性和意義

基于某型動車組高壓設備箱的要求及動車組高壓系統(tǒng)模塊化需求，進行針對性研發(fā)設計。目前動車組的高壓電器設備主要集中布置在車頂，受到車頂高度的局限，目前中國動車組使用的，基于高壓電器的外絕緣強度的高壓設備箱已無法得到進一步優(yōu)化。

為解決此問題，采用電力行業(yè)中高壓電力設備成熟的C-GIS 技術，將主要高壓電器部件密閉于高壓設備箱內，其內部充六氟化硫（SF6）氣體。極強的負電性使SF6具有優(yōu)良的絕緣特性和優(yōu)良的熄弧能力，減小高壓部件的電氣間隙，提高高壓開關性能，達到高壓設備箱小型化的目的。同時將動車組高壓電器設備與大氣隔絕，最大限度地減少了空氣污染帶來的異常放電的系統(tǒng)故障，進而提高了車頂高壓絕緣的環(huán)境適應能力［4］。

3.2 C-GIS 型高壓設備箱方案及可行性分析

對高壓設備箱進行模塊化設計，一共分為4 類模塊：高壓開關模塊、電壓互感器模塊、電流互感器模塊、避雷器模塊。高壓開關模塊包括由斷路器、隔離開關、接地開關組成，密封在充有SF6氣體的箱體內。其余模塊均采用全絕緣插接式設計，電纜連接，無任何裸露帶電體，設備箱布置如圖3所示。各個功能單元能實現(xiàn)模塊化拼接和生產，更換快捷，滿足箱體小型化的設計要求。

圖3 C-GIS 型高壓設備箱示意圖

設備箱需采用的可插拔式無間隙金屬氧化物避雷器；可插拔式干式電壓互感器；低壓穿心式干式電流互感器；包括可插拔式內錐連接器，這些技術在中壓C-GIS 上早已開始應用，效果理想。高速鐵路對動車組高壓電氣設備的工作可靠性要求日益提高，免維護要求是高壓設備箱設計的指導思想之一。由于鐵路的安全要求，產品的長期運行可靠性成為設備設計的第一目標。

C-GIS 型高壓設備箱需要解決整體電氣的可靠性和整體機械的可靠性問題。

整體電氣可靠性包括：滅弧箱體內真空斷路器開斷和關合性能，主導電回路電接觸可靠性，短路電流沖擊下電熱及電動穩(wěn)定性，高壓部件內外絕緣可靠性等。

產品機械可靠性包括：隔離開關、真空斷路器等操作機構及傳動機構分合操作可靠性及其壽命長短，運行振動及工作頻度要求等［5］。

對于高壓開關模塊，目前電力系統(tǒng)廣泛應用40.5 kV 等級C-GIS 設備，并且開發(fā)的40.5 kV C-GIS 在全國如安徽、寧夏、福建、四川、陜西等地，尤其是青海、西藏這種高海拔地區(qū)都取得了相當豐富的成功運行經驗。結合到動車組實際運行狀況，不僅有普通線路1 500 m 海拔以下，還有新蘭線這樣3 500 m 的高海拔線路。研制的40.5 kV C-GIS 與本項目的高壓開關模塊技術要求基本類似，所以將采用相對成熟的真空永磁技術，直動隔離開關技術，作為研發(fā)的有力技術支撐。中壓CGIS 技術經歷了近半個世紀的發(fā)展，目前在中壓領域得到廣泛應用和認可，技術已相對成熟可靠，但其設計最終應該通過試驗來驗證，不能依賴產品的實際運行考核。

產品完成型式試驗要求是基礎要求，此外進行電壽命試驗、機械強度試驗、高低溫環(huán)境下操作試驗等可靠性試驗也是十分必要的。

4 C-GIS 型高壓設備箱風險分析

與目前使用的動車組高壓電器設備對比分析，動車組C-GIS 型高壓設備箱風險點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

SF6氣箱防爆設計；高壓氣箱的密封性保障；振動、沖擊對主斷路器合分的影響；振動、沖擊對插拔件密封和絕緣性能的影響。

4.1 SF6 氣箱的防爆分析

C-GIS 設備內部故障電弧持續(xù)時間較長時，電弧能量使箱體內SF6氣體升溫增壓，可能使箱體內薄弱環(huán)節(jié)產生爆炸風險。多年以來SF6開關的實際運行狀況來看，還未發(fā)生過SF6氣箱爆炸事件。盡管SF6氣箱爆炸的幾率極低，但是潛在的風險是存在的，應針對風險可能發(fā)生的條件進行分析，做相應的預防措施。

低壓配置的SF6氣體作為絕緣介質，斷路器仍利用真空滅弧室進行開斷動作。絕緣強度的提升和真空滅弧分斷技術二者的優(yōu)點可有效地結合起來。真空斷路器在正常開斷過程中不產生壓力變化，因而爆炸的危險性較小，同時依靠低壓力的SF6作絕緣介質，可以充分發(fā)揮SF6絕緣性能特點。如果萬一發(fā)生故障造成氣壓驟增，為了保護車內人員的人身安全，將在每個氣箱側面薄弱處安裝防爆膜，通過防爆膜的首先破裂，提供壓力釋放通道迅速排入大氣中，因有車頂蓋板的隔離，SF6氣體無法進入車內。

影響SF6氣體間隙絕緣特性最重要的因素是電場的均勻性，電場均勻程度對氣體間隙擊穿電壓影響遠大于空氣絕緣。在設計時，通過零部件圓角處理，避免棒—板間隙結構，通過電場仿真和實際試驗相結合的手段，來達到優(yōu)化電場設計的目的。

4.2 高壓氣箱的密封結構分析

密封結構設計是C-GIS 設備的基本要求，密封性能的優(yōu)劣對高壓設備箱性能有著重要影響。采用完善實用的SF6開關內殼焊接工藝流程保證高壓氣箱的密封性，重點解決泄露和防漏的問題。

在保證產品電氣性能的前提下，盡量降低充氣壓力，也是保證氣密性和減少漏氣點的有效辦法。使用真空箱氦檢漏控制系統(tǒng)進行等壓抽真空、充氦檢漏，進行嚴格的檢漏操作。

考慮到動車組實際運行情況，采用動密封設計，增加緩沖裝置減少振動、沖擊對箱體密封性的影響，并保證密封部位的防水和防腐措施。通過研究性試驗，驗證高壓氣箱的抗振動、沖擊能力。每個氣箱還可根據(jù)需要配備密度繼電器，監(jiān)測CGIS 箱內氣體的密度變化，氣壓過高過低可及時報警。

4.3 環(huán)境溫度變化對設備箱的影響

高壓設備箱隨著動車組全國大范圍運行，存在從高溫地區(qū)至低溫地區(qū)的短時間運營，并安裝于車頂存在日照、高寒等環(huán)境影響。

產品設計時選用的絕緣材料應具有良好的耐熱老化性能，受日照溫升影響，產品設計的通流能力比產品的額定電流值應至少提升10%。

高寒地區(qū)運行時，其密封材料應具有良好的耐低溫性能，操作機構應有保溫結構。低溫會導致SF6液化而使氣體密度低于允許值，可采用低氣壓開關或選裝溫控加熱保護套，減少低溫的影響。

4.4 振動、沖擊對插拔件密封和絕緣性能的影響

動車組用高壓部件進行模塊化設計，4 大模塊之間采用全絕緣插接式拼接組裝。在產品底座和安裝基礎增設減震器或阻尼器，用來吸收部分振動能量，使設備阻尼增大10%～15%，從而提高抗振動、抗沖擊能力。并在設計中將模塊中的多個硬性連接設計為柔性連接；在安裝方面增加緩沖裝置，增加固定位置，消除模塊間的相對運動。

在絕緣性能方面，設計之初就考慮到在不影響外形尺寸的同時，加大絕緣裕度。確保達到要求絕緣性能的條件下，留有更大的安全空間。

全絕緣插接技術已是中壓C-GIS 的成熟技術，從設計和安裝進行優(yōu)化，借鑒成功經驗，能夠保證抗振動、沖擊的密封性和絕緣性能。

5 結 論

文中通過對動車組高壓設備箱的來源和發(fā)展進行介紹，對高壓設備箱的頂層技術條件進行了分析，并對現(xiàn)有標準動車組高壓設備箱的布置方案進行研究。提出了應用C-GIS 新技術作為未來動車組高壓設備的方案和可行性研究。從安全性、可靠性等方面對高壓設備箱設計的風險進行了分析。從模塊化設計的角度，高壓設備箱需依據(jù)機車頂部外形尺寸設計成小型化扁平箱體，達到小型化、強絕緣的要求，以滿足進一步降低列車高度和提升空氣動力學的要求。在維持原有車頂電器技術參數(shù)基礎上，需重新設計相關高壓設備和箱體，并采用全絕緣接插技術進行部件布置。由于密封箱體里的電器是免維護的，所以必須保證電器的使用壽命長、可靠性高等。這些對電器的研發(fā)及制作、原材料選用等提出了較高的要求。動車組C-GIS 型高壓設備箱的開發(fā)條件較為成熟，未來研制使用將可提高動車組運營的安全性，而標準化、小型化的高壓設備箱能夠為未來減重、降耗貢獻力量，可進一步應用在更高速等級動車組、雙層動車組等，進而提升機車車輛高壓系統(tǒng)的技術能力。