地铁车辆高压电器箱的设计与结构仿真

丁 杰

（南车株洲电力机车研究所有限公司 南车电气技术与材料工程研究院，株洲 412001）

地铁车辆高压电器箱的设计与结构仿真

丁 杰

（南车株洲电力机车研究所有限公司 南车电气技术与材料工程研究院，株洲 412001）

高压电器箱的设计需要考虑电气功能与安装维修的便利性，还需对箱体的疲劳寿命进行校核。以地铁牵引系统用高压电器箱为例，介绍电气原理与功能、关键器件选型与计算、内部器件布置和对外连接，并运用ANSYS软件进行了随机振动疲劳寿命分析，试验验证了仿真结果的准确性。研究方法与结果对高压电器箱的产品开发有一定的指导意义。

地铁车辆；高压电器箱；设计；选型；结构仿真

地铁已成为城市轨道交通中越来越受到重视的交通工具之一，对城市轨道交通装备的需求也越来越大。

高压电器箱作为地铁车辆牵引系统的重要组成部分，承担了牵引主电路的保护、检测、支撑电容充放电、线路短接和续流等工作。由于箱体内部有较多的高压器件，不仅需要实现既定的功能且满足电气安规爬电距离的要求，还需要考虑是否便于组装、维修。此外，高压电器箱悬挂于车体底部，其结构疲劳寿命对安全行车非常关键，因此，对高压电器箱的设计提出了较高要求。

本文以某地铁车辆高压电器箱为例，从电气原理与功能、关键器件选型与计算、内部器件布置和对外电气连接等方面阐述产品设计的实现，并通过结构仿真方法和振动试验验证箱体结构设计的合理性。

1 电气原理与功能

某地铁车辆电气牵引系统的主电路原理如图1所示。电气牵引系统按照功能大致可分为：高压电器及能量释放单元（1F01、QS1、1Q02、F1、V1、R2）、电容器充放电单元（KM1、KM2、QS11、R1、R3、R4）、滤波单元（L、C）、电阻制动斩波及过电压抑制单元（斩波IGBT模块、1R01、1R02）、逆变器单元（INVMK1、INVMK2）、异步牵引电动机（1M01-1M04）及检测单元（LH1-LH8、VH1和VH2）等组成。这些功能单元基本上分属于高压电器箱、线路电抗器箱、制动电阻箱、牵引逆变器箱、牵引电机等不同的设备箱体中[1～2]。

高压电器及能量释放单元由主隔离开关（QS1）、高速断路器（1Q02）、浪涌吸收器（F1）及RD回路（R2、V1）等组成。主隔离开关用于主电路的隔离以及通过机械联锁放电隔离开关（QS11）将支撑电容（C）的放电回路短接，以保证安全。高速断路器可在主电路出现严重故障（如 ：主电路电器部件故障、网压或直流电压过压、直流侧电流过流、主电路接地、IGBT元件故障、网络通信故障、传动控制单元故障、110 V控制电源失电等）时，快速断开以实现主电路的故障保护，还可快速响应检测出的过电流来实现主电路短路瞬时保护。浪涌吸收器及RD回路主要用于主电路故障情况下释放线路电抗器的蓄存能量，以避免主电路器件的二次损坏。

电容器充放电单元由接触器（KM1、KM2）、充电电阻（R1）和放电电阻（R3）组成，用于支撑电容的充放电。当列车牵引准备好，主电路高速断路器闭合后，闭合KM2接触器，电网电源通过受电弓、隔离开关、高速断路器、充电电阻给支撑电容充电，当支撑电容电压在一定时间且上升到一定值时，KM1接触器闭合，支撑电容充电完成。当电路出现故障或列车进段整修，放电电阻与主隔离开关形成支撑电容的快速放电回路，从而使支撑电容通过放电电阻快速放电。支撑电容亦可通过与其并联的电阻R4及开通斩波器进行放电。

检测单元由LH1～LH8电流传感器和VH1、 VH2电压传感器组成，其中LH1为差动电流传感器，根据进出两路电流差值来实现主电路接地故障保护。

图1 地铁车辆牵引系统主电路原理图

2 关键器件选型与计算

根据地铁车辆牵引系统的方案，可以确定高压电器箱的电气参数：额定输入电压为DC1 500 V、输入电压范围为DC1 000 V ～ DC1 800 V、额定输入电流为DC600 A。

以安全可靠为原则，器件选型时需要有一定的富裕量，由此可确定主隔离开关的工作参数为电压DC1 800 V、电流800 A；放电隔离开关的工作参数为电压DC1 800 V、电流100 A；差动电流传感器型号为NCA5-1000；浪涌吸收器的工作电压为DC1 500 V，最大电流为1 750 A，通流量50 kA，残压≤2 600 V，流通容量≥25 kJ；KM1接触器选择BMS15.06型产品，工作电压DC1 500 V、电流600 A，具有较高的可靠性和高压电气性能；高速断路器选用UR型产品，为电维持、电控制和直接瞬态过流释放型，工作电压DC2 000 V、电流1 000 A。

充电电阻和放电电阻的阻值和工作时间有一定的要求，选型时需要进行计算来确定。根据技术规定，充电电阻必须在规定的时间内将支撑电容上的电压充到工作电压的80%，即，放电电阻必须在规定的时间内将支撑电容电压降到人体安全电压（Usafe=36 V）以下来保障工作人员的人身安全，即，其中Ud为电网电压，Udp为支撑电容最大直流峰值电压，C为支撑电容值，R1为充电电阻值，R3为放电电阻值，t1为充电时间，t3为放电时间。以1 500 V供电制为例，支撑电容值为16.6 mH，选用75 Ω与800 W充电电阻时，可知充电时间t1≥ 2 s；选用300 Ω与300 W放电电阻时，可知放电时间t3≥ 18.6 s。

3 内部器件布置与箱体对外连接

高压电器箱的电气原理图是产品结构设计的主要依据，因此，内部器件基本上按照电气原理图实行就近原则来布置，即依照电流流过高压器件的顺序摆放，并考虑组装和维修的方便性[3]。高压电器箱内的器件布置如图2所示。电网正极通过受流器经车体电缆连接到主隔离开关后部的铜母排上，再依次连接至高速断路器、差动电流传感器和KM1接触器，然后经过KM1接触器的出线铜母排由车体电缆连接到线路电抗器。这是沿电流流入牵引逆变器方向来布置。另一路为电流流出牵引逆变器方向，通过车体电缆连接到差动电流传感器的另一根接线端，再连接到主接地开关，然后向外与车体电缆连接。浪涌吸收器、RD回路和放电回路（R3和QS11组成）则并联在电流流出端和流入端的铜母排之间。

图2 高压电器箱的内部器件布局

布线时将高低压线缆分开布置，以满足电磁兼容的要求。低压线缆沿门边敷设，然后沿箱体右侧经42芯的HARTING控制接头与牵引逆变器连接。高压线缆则沿另一侧的门边敷设，减少对低压线缆的干扰。高压电器箱共设置3个门，可以非常方便的实现内部器件的组装与更换。

箱体对外的连接可分为电气连接和机械连接。控制线对外连接采用HARTING接头，可实现连接的方便与可靠。大线径的电缆难以弯折与安装，因此箱体与车体的电气连接设计主要体现在8根150 mm²大线径的电缆上。为方便电缆连接时的操作，采用电缆进入箱体后直接与固定母排相连，避免进一步弯曲，可以有效减小组装工作强度和提高工作效率[4]。高压电器箱对外的机械连接为吊耳，吊耳数目与具体安装尺寸是与车体设计人员一同协商确定的。本文所述高压电器箱有6个吊耳，通过M16螺栓将吊耳与车体底部的安装梁固定在一起。

4 结构仿真与试验验证

高压电器箱属于车下悬挂设备，其结构的疲劳寿命对行车安全至关重要。对于轨道交通的车载设备而言，通常采用GB/T 21563—2008《轨道交通 机车车辆设备冲击和振动试验》（等同采用IEC 61373:1999，下文简称标准）规定的长寿命随机振动试验来进行考核[5]。标准规定了长寿命随机振动试验的ASD频谱，通过检查被试设备分别在垂向、横向和纵向进行5 h的随机振动试验后是否出现断裂、裂纹、脱落等故障，并通过性能测试进行验证，从而判断被试设备的疲劳寿命是否满足设计要求。

根据箱体的结构特点，可以将钣金件抽取中面，划分成四边形为主、极少数为三角形的壳单元，将吊耳、器件划分为六面体为主、极少数为棱柱体的实体单元。图3是高压电器箱的有限元模型，x方向是纵向（车体行进方向），y方向是垂向，z方向是横向。

图3 有限元模型

图4是垂向、横向和纵向随机振动的1σ应力分布。垂向（如图4（a）所示）随机振动的最大1σ应力为66.2 MPa，位置出现在高速断路器的安装板上；横向（如图4（b）所示）随机振动的最大1σ应力为59.7 MPa，位置出现在接触器安装板上的螺栓安装孔；纵向（如图4（c）所示）随机振动的最大1σ应力为81.9 MPa，位置出现在高速断路器的安装板上。3个方向的随机振动中，纵向的1σ应力最大，横向的1σ应力最小。

图4 随机振动1σ应力分布

为进一步了解高压电器箱依次分别进行5 h的垂向、横向和纵向随机振动后产生的疲劳损伤情况，利用自主开发的疲劳显示计算程序，得到如图5所示的总体疲劳损伤云图。由图5可知高速断路器的安装板处的疲劳损伤为0.8 379，该值小于1，可以说明高压电器箱能够经受3个方向总共15 h随机振动的考核，箱体的结构满足设计要求。

图5 3个方向随机振动之后的总体疲劳损伤

为验证仿真结果的准确性，对高压电器箱进行了试验验证工作。图6是高压电器箱通过振动试验夹具固定在振动台上的情况。试验过程中，控制谱曲线基本上在参考谱的极小范围内波动，没有出现明显的毛刺与偏差，表明振动台的能量基本上未失真地传递给了高压电器箱，亦可表明高压电器箱在试验过程中没有出现共振的异常情况。试验结束后，对高压电器箱进行了仔细检查，未发现断裂、裂纹、螺栓脱落等故障，随即进行的性能测试表明可以实现产品的相关功能，因此，检测机构给出了顺利通过随机振动试验考核的结论。

图6 样机试验

5 结束语

在进行高压电器箱设计时，首先考虑了电气功能的实现，并对关键器件进行选型，运用ANSYS软件进行随机振动疲劳寿命分析校核产品的结构设计，通过试验验证了结构仿真结果的准确性。开发出的高压电器箱已在地铁线路中得以应用，效果安全可靠，可为其它地铁车辆高压电器箱的产品设计提供参考。

[1] 张 安, 任天浩. 沈阳地铁2号线地铁车辆[J]. 机车电传动，2010（4）：49-54.

[2] 解培金，刘 卓，闫 磊. 沈阳地铁二号线车辆永磁同步牵引系统[J]. 大功率变流技术，2012（3）：8-11.

[3] 于庆祯，李 锋. 电气设备机械结构设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[4] 丁伟民，杨 文. 深圳地铁2号线综合检测车组高压电器柜内铜母线的设计[J]. 电力机车与城轨车辆，2012，35（2）：9-11.

[5] 丁 杰，忻 力，荣智林. 变流器器柜体随机振动和冲击试验的数值模拟[J]. 机车电传动，2012（1）：62-65.

责任编辑 方 圆

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，高级工程师。