軌道交通接觸網(wǎng)電動(dòng)刀閘設(shè)計(jì)技術(shù)

樊 帆，曾谷元

（珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司，廣東珠海 519080）

0 引言

在軌道交通牽引供電領(lǐng)域，可視化隔離接地設(shè)備替代傳統(tǒng)的人工倒閘，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化操作。電動(dòng)刀閘作為可視化隔離接地設(shè)備的核心模塊，用于接觸網(wǎng)對(duì)軌道機(jī)車牽引供電及接地檢修，其可靠性至關(guān)重要。當(dāng)前接觸網(wǎng)電動(dòng)刀閘的設(shè)計(jì)技術(shù)主要集中在歐美等電力企業(yè)。國內(nèi)技術(shù)主要集中刀閘的狀態(tài)監(jiān)測(cè)[1-3]、故障診斷[4-6]、二次控制回路[7-8]等。對(duì)于刀閘設(shè)計(jì)技術(shù)還需要進(jìn)行探討。本文分析了電動(dòng)刀閘部件設(shè)計(jì)選型。觸頭作為電動(dòng)刀閘的核心部件，提出動(dòng)穩(wěn)性和熱穩(wěn)性兩個(gè)方面的力學(xué)校核計(jì)算方法。另外，還結(jié)合有限元電熱耦合分析，校核了觸頭的載流能力，最后對(duì)電動(dòng)刀閘的可靠性測(cè)試進(jìn)行總結(jié)。

1 設(shè)計(jì)選型

接觸網(wǎng)刀閘零部件的選型至關(guān)重要，關(guān)系著刀閘的使用性能及可靠性等，也是保證接觸網(wǎng)牽引供電與接地檢修的關(guān)鍵。電動(dòng)刀閘主要包括觸頭、直流減速電機(jī)、絕緣子及導(dǎo)電油脂等。

（1）觸頭材料。觸頭是電流載體，且需要頻繁分合閘運(yùn)動(dòng)，所用材料需要綜合考慮導(dǎo)電性、耐磨性、力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性等，目前常用的電觸頭材料主要包括T2 紫銅、鉻銅、鉻鋯銅等。其中，紫銅的導(dǎo)電性好、成本低，但是硬度、耐磨性、屈服強(qiáng)度較差；鉻鋯銅的硬度、耐磨性、屈服強(qiáng)度較好，但導(dǎo)電性較差、成本較高；鉻銅的性能均介于二者之間。觸頭材料的選擇，需要考慮應(yīng)用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等綜合因素。

（2）直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)是刀閘分合閘的動(dòng)力源，電機(jī)參數(shù)主要包括工作電壓、額定功率、減速比、輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速等。通過計(jì)算出動(dòng)靜觸頭之間的夾緊力，可計(jì)算出刀閘分合閘所需扭矩，結(jié)合輸出轉(zhuǎn)速等參數(shù)確定額定功率。根據(jù)已知的刀閘分合閘時(shí)間t，動(dòng)觸頭完成一次分閘或合閘主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為n，可計(jì)算出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為t/n，進(jìn)步一可確定減速比等參數(shù)。由于渦輪蝸桿具有自鎖性，可確保刀閘觸頭位置不會(huì)因振動(dòng)等外力因素出現(xiàn)偏移的情況，因此電機(jī)機(jī)構(gòu)的減速器選型以蝸輪蝸桿為最佳。

（3）絕緣子。絕緣子是支撐刀閘觸頭的結(jié)構(gòu)件，也是隔絕電觸頭與外部導(dǎo)電體的絕緣件。絕緣子的材料以UL94V-0 阻燃等級(jí)的BMC 不飽和聚酯為最佳。在機(jī)械性能方面，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適直徑、高度的絕緣子，同時(shí)絕緣子的抗扭、抗彎、抗拉性均需要滿足設(shè)計(jì)的要求。在電氣性能方面，應(yīng)選擇足夠大的爬電距離，以保證良好的絕緣性。

（4）導(dǎo)電油脂選型。導(dǎo)電油脂不僅對(duì)動(dòng)靜觸頭的分合閘運(yùn)動(dòng)起到潤滑作用，而且還會(huì)填補(bǔ)動(dòng)、靜觸頭接觸面之間的微小間隙，提高導(dǎo)電性。導(dǎo)電油脂的選型需要考慮兩個(gè)因素，一是導(dǎo)電率、黏度，導(dǎo)電性越高的油脂，越有助于觸頭導(dǎo)電，而油脂黏度過低會(huì)加快油脂滴落損耗；二是要考慮潤滑油脂耐高低溫的能力，避免出現(xiàn)環(huán)境溫度過高潤滑油脂熔化為液態(tài)出現(xiàn)滴落等情況，但環(huán)境溫度太低潤滑油脂凝結(jié)成固體，會(huì)導(dǎo)致無法正常分合閘。

2 刀閘觸頭設(shè)計(jì)校核

2.1 觸頭受力校核

刀閘的觸頭在合閘情況下，遇到強(qiáng)大的短路故障電流必須要有一定的承載能力。一旦無法承受大電流的，就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)觸頭彈跳、熔焊等故障，造成嚴(yán)重的安全事故。為避免發(fā)生此類情況發(fā)生，在設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)觸頭的受力進(jìn)行校核分析。

動(dòng)觸頭由兩片平行的銅排組成，依靠自身的彈性變形產(chǎn)生接觸力Fj，與靜觸頭接觸并夾緊。當(dāng)動(dòng)觸頭通過短路故障大電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力Fd與電動(dòng)斥力Fp，因此在機(jī)械力與電磁場(chǎng)力的作用下，觸頭的受力情況比較復(fù)雜。本文將從熱穩(wěn)性和動(dòng)穩(wěn)性兩個(gè)方面對(duì)受力校核方法進(jìn)行分析。

2.1.1 熱穩(wěn)性受力校核

熱穩(wěn)性受力校核主要分析在大電流作用下動(dòng)觸頭被拉開弧隙的可能性。觸頭的受力情況如圖1 所示，其中接觸力Fj是依靠動(dòng)觸頭材料本身變形產(chǎn)生的彈力，接觸力越大、動(dòng)觸頭越不容易發(fā)生彈跳，但是過大的接觸力會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無法正常拉動(dòng)觸頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖1 觸頭熱穩(wěn)性受力

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（單行本）彈簧 起重運(yùn)輸件 五金件》，接觸力Fj的計(jì)算公式為：

式中 fc——?jiǎng)佑|頭觸點(diǎn)撓度，mm

E——觸頭材料彈性模量，MPa

n——?jiǎng)佑|頭層數(shù)

h——?jiǎng)佑|頭寬度，mm

b——?jiǎng)佑|頭厚度，mm

ε——撓度增加系數(shù)，等強(qiáng)度梁約為1.5

l——?jiǎng)佑|頭變形長度，mm

動(dòng)觸頭由兩塊平行的導(dǎo)體組成，當(dāng)通過同向電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在電與磁的作用下產(chǎn)生電動(dòng)力Fd。Fd是有用的力，有助于動(dòng)觸頭夾緊靜觸頭。根據(jù)畢奧沙伐爾定律，當(dāng)任意截面的兩根平行導(dǎo)體分別通有電流i1和i2時(shí)，兩導(dǎo)體間最大的電動(dòng)力Fd應(yīng)采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中 i1——通過導(dǎo)體1 電流的最大值，A

i2——通過導(dǎo)體2 電流的最大值，A

L——平行導(dǎo)體長度，mm

a——兩個(gè)平行導(dǎo)體的軸線間距，mm

Kf——形狀系數(shù)

形狀系數(shù)與導(dǎo)體截面形狀以及導(dǎo)體的相對(duì)位置有關(guān)，其確定過程較復(fù)雜。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第4 版）中的矩形母排截面形狀系數(shù)曲線，可查找不同截面形狀母排的形狀系數(shù)。

在動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸的位置，導(dǎo)電面積局部變小，當(dāng)觸頭流過電流時(shí)會(huì)在該部位產(chǎn)生電流線收縮，使得觸頭間會(huì)產(chǎn)生互相排斥的電動(dòng)斥力Fp即Holm 力[9]。且觸頭間電動(dòng)斥力大小與觸頭實(shí)際接觸點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)，接觸點(diǎn)數(shù)越少，電流收縮的現(xiàn)象越顯著。Holm 力計(jì)算公式可以有效計(jì)算觸頭間的電動(dòng)斥力，且得到相應(yīng)的驗(yàn)證[10]：

式中 I——每片動(dòng)觸頭流過的電流，A

μ0——真空中的磁導(dǎo)率，（W·b）/（A·m）

A——?jiǎng)屿o觸頭接觸面積，mm2

ξ——觸點(diǎn)接觸系數(shù)，一般取值0.45

H——觸點(diǎn)材料的布氏硬度

Fj——接觸力，N

通過對(duì)Fj、Fd以及Fp的計(jì)算分析，結(jié)合圖1 的受力情況，當(dāng)動(dòng)觸頭合閘時(shí)不出現(xiàn)熱穩(wěn)失效的必要條件是：Fj+Fd-Fp＞0。如果在熱穩(wěn)性受力校核計(jì)算中，無法滿足以上的條件，觸頭將會(huì)較大可能在電動(dòng)斥力的作用下拉開弧隙、產(chǎn)生電弧，使觸頭燒壞。

2.1.2 動(dòng)穩(wěn)性受力校核

動(dòng)穩(wěn)性受力校核主要在通過某一大電流時(shí)，在電動(dòng)力的作用下，分析被拉開發(fā)生觸頭彈跳的可能性。在熱穩(wěn)性的計(jì)算中，F(xiàn)d是有用的力，有助于增加動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的夾緊。但是在動(dòng)穩(wěn)性受力分析中，F(xiàn)d是有害的力，作用在動(dòng)觸頭上使其發(fā)生彈跳（圖2）。

圖2 觸頭動(dòng)穩(wěn)性受力

通過以上對(duì)Fj、Fd以及Fp的計(jì)算分析，結(jié)合圖2 可知，動(dòng)觸頭合閘時(shí)不會(huì)出現(xiàn)動(dòng)穩(wěn)失效的必要條件是：2×（Fj-Fp）×μ-Fd＞0。其中μ 為動(dòng)、靜觸頭之間的摩擦因數(shù)。

如果動(dòng)穩(wěn)性受力校核計(jì)算無法滿足以上條件，觸頭合閘后在Fd的作用下可能會(huì)出現(xiàn)彈跳偏位，產(chǎn)生重大安全隱患。

2.2 觸頭電熱校核

電動(dòng)刀閘在牽引供電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，會(huì)承載接觸網(wǎng)上的額定電流。當(dāng)日間列車正常運(yùn)行時(shí)，刀閘的觸頭會(huì)有持續(xù)不斷的電流通過，并產(chǎn)生大量的熱量，使得觸頭溫度不斷升高。當(dāng)溫度超過一定數(shù)值后，刀閘的觸頭材料會(huì)出現(xiàn)軟化，使得力學(xué)性能惡化，還會(huì)對(duì)刀閘開關(guān)柜內(nèi)的其他電子元器件造成損傷，因此有必要對(duì)觸頭表面的發(fā)熱溫升情況進(jìn)行分析。

首先，由于不同城市地鐵以及不同軌道運(yùn)行線路的額定電流不同，刀閘觸頭的熱設(shè)計(jì)首先需要確定承載的電流參數(shù)。然后根據(jù)銅排厚度與載流系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定觸頭的層數(shù)以及銅排截面尺寸。

其次，選擇導(dǎo)電性良好的金屬作為觸頭的加工材料如T2 紫銅，并在表面進(jìn)行電鍍銀處理。

最后，利用有限元進(jìn)行電熱耦合仿真計(jì)算，對(duì)觸頭的發(fā)熱溫升情況進(jìn)行模擬仿真，并且將計(jì)算結(jié)果作為觸頭電熱校核的依據(jù)（圖3）。

圖3 電觸頭溫度場(chǎng)分布

3 刀閘可靠性測(cè)試

電動(dòng)刀閘需要通過有效的試驗(yàn)方式對(duì)其可靠性進(jìn)行檢測(cè)。主要包括電氣安全距離、電阻、壽命、短時(shí)耐受電流、溫升、高低溫等測(cè)試。

（1）電氣安全距離測(cè)試是測(cè)量觸頭斷口、一次主回路對(duì)地以及爬電的距離，足夠的電氣距離可以保證刀閘不會(huì)出現(xiàn)空氣絕緣擊穿的情況。

（2）電阻測(cè)試則是將觸頭合閘后，利用電阻測(cè)試儀測(cè)量觸頭回路兩端的電阻值，通常是微歐級(jí)。電阻越小則導(dǎo)電性越好，觸頭發(fā)熱量會(huì)越少。

（3）壽命測(cè)試是利用壽命測(cè)試儀器，給刀閘通電使觸頭不間斷地進(jìn)行分合操作，在設(shè)計(jì)的壽命周期內(nèi)不能出現(xiàn)機(jī)械、電氣等故障。

（4）短時(shí)耐受電流測(cè)試在觸頭合閘狀態(tài)下，在0.25 s 等時(shí)間內(nèi)，通過80 kA 或其他數(shù)值的電流，觸頭不出現(xiàn)熔焊或彈跳等現(xiàn)象。同時(shí)，還要測(cè)試在峰值電流下觸頭不出現(xiàn)熔焊或彈跳等現(xiàn)象。此項(xiàng)是考查刀閘在遇到短路大電流時(shí)的抵御故障的能力。

（5）溫升測(cè)試是在觸頭合閘狀態(tài)下，在刀閘觸頭四周布置一定數(shù)量的熱電偶，熱電偶將數(shù)據(jù)傳遞給溫度測(cè)試儀。將觸頭兩端施加額定電流，當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)讀取溫度值。

（6）高低溫測(cè)試是考核刀閘在惡劣高溫和低溫環(huán)境下的可靠性。將刀閘放置在高低溫箱內(nèi)，將箱內(nèi)的溫度升至一定溫度（如70 ℃）持續(xù)16 h 后，通電測(cè)試刀閘能否正常運(yùn)動(dòng)。然后，將箱內(nèi)溫度降低到一定溫度（如-40 ℃），同樣持續(xù)16 h 后通電測(cè)試刀閘能否正常運(yùn)動(dòng)。只有合格地完成以上技術(shù)參數(shù)的測(cè)試，刀閘產(chǎn)品才能應(yīng)用到工程現(xiàn)場(chǎng)。

4 結(jié)束語

刀閘在應(yīng)用過程中，受到電磁力、機(jī)械力等錯(cuò)綜復(fù)雜的受力，化繁為簡提出了刀閘觸頭受力校核計(jì)算的方法。對(duì)觸頭載流能力的計(jì)算，利用了電熱耦合仿真模擬觸頭在額定電流作用下的溫度場(chǎng)分布情況。刀閘產(chǎn)品最終的實(shí)際應(yīng)用需要通過各種測(cè)試方法進(jìn)行檢測(cè)，只有合格的產(chǎn)品才能進(jìn)入實(shí)際的工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。本文為軌道交通電動(dòng)刀閘的設(shè)計(jì)提供了參考方法，合理的刀閘設(shè)計(jì)能保證城市軌道交通牽引供電與接地檢修的安全與可靠。