一種高防護等級礦用電動輪變流器的柜門密封形式

高俊峰，周志宇，張利軍，張國營，付如愿，俞鵬程

（1.中國神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，鄂爾多斯 010300；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，株洲 412001）

引言

中國變流器市場目前正處于一個高速增長的時期，應用領域非常廣闊，目前已在在電力、冶金、造紙、石化、建材、油氣鉆采、市政、起重機械、紡織化纖、煤炭、電梯、軌道交通、船舶、暖通空調、風電、食品飲料包裝機械等工業傳動領域得到了廣泛應用。

面對繁多的應用領域，變流器的使用環境必然復雜多變，同時基于其作為電氣設備的固有屬性，對變流器的可靠性提出了更高的要求。變流器設備是否能夠可靠的工作，除取決于電氣系統及其部件本身的可靠性之外，與產品的環境適應性及設備的防護性能有著極其密切的關系。

礦用電動輪變流器一般直接安裝在車輛走臺上，屬于露天環境，環境的溫度、濕度、灰塵等都對產品防護有點重大的影響。針對這種情況，本文提出了一種高防護等級變流器的柜門密封形式，并通過試驗驗證了該方法的可行性，目前該密封形式已開始推廣應用到礦用電動輪變流器結構中。

1 防護需求與問題分析

1.1 IP65防護需求

目前礦用電動輪變流器應用場所粉塵或金屬粉末較多、污染較重及對防水要求較高，設計一種高防護等級的變流器成為一種必然[1]。礦用電動輪變流器應用環境中含有金屬粉塵等導電物質。若其進入變流器內部，會對主電路電位間的電氣間隙和爬電距離帶來較大影響，甚至帶來災難性后果。而柜門的密封是變流器防護的關鍵，為滿足這種應用工況，本文設計了一種可達IP65高防護等級的變流器柜門密封形式，通過前期的理論計算、設計分析和后期試驗驗證，結果表明這種結構形式簡單、可靠，很好地實現了IP65防護功能。

目前國內統一采用IP防護技術標準為：GB/T 4208-2008。IPXX表示設備防護等級，其中第一個X表示對固體異物的防護有IP0X～ IP6X共7個等級，表示從無防護到塵密級別；第二個X表示對水的防護有IPX0～ IPX8共9個等級，表示從無防護到垂直滴水再到各角度噴水直至達到潛水級別。

1.2 傳統密封形式

變流器柜體結構設計中，柜體結構一般采用整體焊接或搭接的形式，為了維護的方便性，柜門結構不可或缺，而正是這一結構形式給柜體的整體防護效果造成了極大地效果，因此如何有效的進行柜門密封是實現柜體防護的任務重點。

傳統的柜門密封形式主要有2種：①面壓緊密封；②開槽嵌入密封。

1）面壓緊密封

如圖2所示，門板與柜體作為兩個配合平面，在其中一方安裝面上布置（一般用膠粘結）密封墊/發泡橡膠，選用合適壓縮量，另一方施力緊固密封。見圖1。

圖2 開槽嵌入密封形式、失效形式

這種方法密封效果直接由密封墊性能決定，并且受材料剛度、緊固點間距、壓縮變形量等影響較大[2]。一方面：若一方剛度不夠出現平面翹曲，而附近緊固點較遠，則局部出現縫隙，造成密封失效；另一方面：金屬與橡膠材料間膠粘的連接模式，柜體為金屬材料，而密封橡膠普遍存在老化現象，因此極易出現密封條脫開開裂等問題，此時面與面的配合方式將完全不能阻止灰塵與水的進入，防護失效。故此種防護等級一般較低。

2）開槽嵌入密封

如圖2所示，在面壓緊密封的基礎上進行改進，在其中一方安裝面上設置專用槽，槽內嵌入密封材料，另一方施力緊固密封。

開設專用密封材料安裝槽，使密封材料有效定位，并防止其脫落，此方法優于直接面壓緊的方式，在各類產品中應用非常廣泛。但該方法仍無法避免直接面壓緊的配合模式，若密封材料出現回彈失效，或壓緊面水平度不足，則灰塵和水將直接經由面與面間的失效間隙進入柜體，密封失效[3]。

2 一種新型柜門密封形式

針對傳統密封形式存在的普遍問題，設計了一種高防護等級的柜門密封方式，主要通過密封結構、密封材料、密封形式三個方面進行了密封設計[4]。

1）密封結構：嵌套密封

結構形式：在門板與柜體配合處，設計迂回結構（見圖3），兩者相互嵌套，避免柜體內外縫隙直通，增加水/塵進入的行程及阻力，從結構上保證密封效果。

圖3 新型密封形式（密封結構、密封材料、雙重密封）

結構量值：選用一種密封材料進行試驗分析（見圖4），該密封條壓縮量≤55 %時，回彈力與壓縮量之間呈一定的線性關系，當壓縮量＞55 %后，回彈力急劇變大。回彈力由門板提供，若門板剛度不足，回彈力過大極易造成門板變形密封失效。因此本文密封結構壓縮量值根據試驗結果驗證取值。

圖4 密封條回彈力與壓縮量試驗及結論

2）密封材料：借鑒汽車行業

針對密封材料難固定、易脫落老化的問題，借鑒了汽車行業車門密封的使用經驗。采用卡入式密封材料。

如圖3左2所示，密封條結構由金屬骨架、裝卡部位、密封部位組成。金屬骨架結構提升了安裝強度；“U型”安裝槽保證了密封條在工作狀態不出現脫落現象；密封部位的空心結構壓縮變形空間大，彌補了面部壓緊的門變形問題。密封條對插入力及拔出力均有明確要求[2]，詳見表1。

表1 密封條性能要求

3）密封形式：雙重密封

結合嵌套式密封結構，在迂回結構的入口處和內部正面配合處共兩處設置密封卡槽（圖3），安裝U型密封條，實現雙重密封。以確保在單層密封失效情況下，仍可為變流器提供高等級防護，可靠性提升一倍。

4）其它

緊固安裝方式：密封效果與配合面剛度密切相關；

現狀分析：目前變流器主要通過增設門鎖的方式（見圖5），實現門的多點固定，防止局部變形。此方法有3個明顯的缺點，首先門鎖的卡緊也是一種配合，間隙配合是常用方式，這個間隙的存在一定程度減少了密封材料的壓縮變形量，提高了局部失效率；其次門鎖一般安裝在密封條的內側，鎖芯等結構的存在使防護性能大大折扣，最后僅以固定為目的引入門鎖，成本過高。

圖5 門鎖固定方式、失效方式

本文采取了一種純機械式的安裝方法（見圖6），用螺栓緊固代替門鎖固定、從密封條內側固定更改為外側緊固、內部把手采用無縫隙的內嵌式焊接結構，最后合理的布置緊固點，保證門板有效密封。

3 試驗驗證與優化

基于以上的密封形式研究結果，我們在產品中進行了工程化應用，并通過試驗對該方法進行了有效性驗證。

3.1 IP防護試驗

試驗分為防塵與防水兩次進行。

IP6X防塵：在密閉的防塵箱中進行（見圖7（a）），柜體內部氣壓低于周圍大氣壓，用具為金屬方孔（金屬絲直徑50 μm，篩孔尺寸75 μm）篩濾過的滑石粉，用量2 kg/m3，抽氣速度為（40～60）V/h，試驗2 h。試驗效果如下圖，殼內無明顯灰塵沉積，滿足要求，試驗合格。

圖7 雙重密封試驗

IPX5防水：φ6.3噴嘴（見圖3）、流量12.5 L/min、噴嘴距外殼表面距離（2.5～3）m、試驗時間1 min/m2，總時間至少3 min（見圖7（b））。

針對本文密封結構分別進行了單層密封、雙重密封兩次試驗。

單層密封試驗：根據密封材料性能，密封材料壓縮量取8 mm，試驗后，柜體無進水現象，滿足試驗要求，壓縮量取值合適。但需注意密封條首尾對接處，連接不當可能會造成進水，可將其設置在柜門下面，也可使用整條型密封條。

雙重密封試驗：試驗效果如圖7，無進水現象，滿足試驗要求。

3.2 高低溫試驗

針對極端應用環境，產品對硅橡膠、EPDM兩種應用較為廣泛的密封材料進行了耐高低溫（標準GB/T 2423.1/2-2008）的試驗（如圖8）。

圖8 高低溫試驗

高溫性能試驗：高低溫交變濕熱試驗箱內溫度調至70 ℃，存放16 h保證產品熱平衡，之后打開柜門驗證密封條狀態。

低溫性能試驗：高低溫交變濕熱試驗箱內溫度調至-40 ℃，存放16 h保證產品熱平衡，之后打開柜門驗證密封條狀態。

試驗結果：

1）高溫試驗后，采用兩種密封條的柜門均打開正常，密封條壓縮、回彈及固定均無異常；

2）低溫試驗后，可耐-40 ℃的EPDM密封柜門出現冷凍粘連，柜門施大力仍無法打開，恢復至環溫25 ℃且靜置24 h后方可打開。而硅橡膠在-40 ℃時柜門可正常開關，恢復至環溫后無異常。

3.3 試驗分析

密封結構：單層嵌套結構即可實現IP65防護要求，但需重點關注密封條對接處，可將其放置在柜門底部，或采用整條密封材料避免接縫的存在。雙層結構雙重保證，可有效降低密封失效率。

結構量值：根據密封材料性能選擇合適的壓縮量，防止壓縮量過少造成的密封不嚴，或壓縮量過大柜門變形密封失效的問題。

材料類別：在超低溫如≤-40 ℃時，優先選用硅橡膠條，不易發生冷凍粘連問題，密封可靠。基于EPDM優良的機械性能，在非低溫要求場合，仍為優先選用密封材料。

4 結論

本文針對變流器復雜多變的應用環境，提出了一種高防護等級的柜門密封形式，從密封結構、密封材料、密封形式三個方面進行了研究，分析了傳統密封結構存在的問題，通過材料試驗求證出壓縮量與回彈力的關系，并在產品中進行工程化應用，并最終通過試驗驗證了密封形式的有效性。該方法結構簡單、效果較優，適合在高防護等級的工業屏柜中推廣應用。