一种电动车组用真空断路器的设计开发

陈 富， 赵志强

(长春轨道客车股份有限公司， 吉林长春 130062)



一种电动车组用真空断路器的设计开发

陈 富， 赵志强

(长春轨道客车股份有限公司， 吉林长春 130062)

从电动车组实际运用需求出发，参照绝缘配合标准，选取绝缘材料，确定绝缘方案并完成电动车组用新型真空断路器的设计开发。运用有限元分析软件进行模拟分析计算，并进行了设计试验和型式试验，计算和试验结果表明新型真空断路器符合设计要求。

电动车组； 真空断路器； 绝缘设计

在雾霾、冻雨等恶劣天气情况下，电动车组的真空断路器易出现污闪、拉弧等故障，影响其安全可靠运行。根据中国气候条件的实际情况，需要设计开发绝缘性能更好的新型真空断路器来保证电动车组的可靠性。本文进行了几种典型绝缘材料的物理性能和电性能横向对比分析，确定了真空断路器绝缘材料和高压绝缘方案，采用同类型真空断路器的成熟原理和机械结构，最终完成新型真空断路器的设计开发。

1 比较分析

根据文献[1-3]中关于部件的电气间隙和爬电距离选取原则，文献[4-5]中关于电动车组用真空断路器需要达到额定雷电冲击耐受电压为185 kV、工频湿耐受电压为85 kV，并且电动车组车顶高压带电部分对地绝缘间隙一般情况下应大于360 mm的技术要求，最终确定新型真空断路器电气间隙不小于380 mm、爬电距离不小于1 150 mm。

目前，在国内外铁路行业，还没有以上所述技术参数的真空断路器产品在电力机车和电动车组上应用的业绩，需要对真空断路器重新进行设计开发。由于采用了同类型真空断路器的成熟原理和机械结构，新型真空断路器的设计开发工作主要集中在绝缘材料的选取和绝缘设计上。电力机车和电动车组高压部件使用的绝缘材料有特种橡胶、树脂基复合材料、陶瓷等几种，具有各自独特的性能特点。下面简要对比分析绝缘材料的物理性能和电性能。

乙丙橡胶具有优良的耐电晕性、耐游离放电的能力，和突出的耐热老化、气候老化、臭氧老化性能，对各种极性的化学药品和酸、碱有较大的抗耐性。乙丙橡胶用于制作35～275 kV的中压、高压电线电缆，其主要性能指标见表1。

表1 乙丙橡胶的电性能

目前，已被公认为耐热90℃绝缘材料和良好的高压绝缘橡胶，在许多电缆产品上全部或部分取代传统的丁苯橡胶和丁基橡胶[6]。

环氧树脂是主要热固性复合材料的树脂基材料。高性能热固性树脂，它带有高活性基团的低分子量的聚合物或预聚体或低聚体，多数是通过缩聚反应来合成的。环氧树脂是由双酚A和环氧氯丙烷进行缩聚而得，粘附力大、机械强度高，具有较好的耐寒性、化学稳定性、耐老化性及耐热性。具有固化成型收缩率低，尺寸稳定性好，同时具有较好的介电性能。环氧树脂电性能如表2。

表2 环氧树脂的电性能

目前，环氧树脂材料多用作电动车组电压互感器和电流互感器的绝缘材料。由环氧树脂所制造的部件多为一次性模铸成型结构，不适合作为需要装配工序的真空断路器外绝缘材料。

陶瓷材料利用精密控制工艺成形烧结制成，对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。具有良好的电绝缘性，大量用于制作各种电压等级的绝缘器件。陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1 500 HV以上，但抗拉强度较低，塑性和韧性差。由于电动车组高压绝缘间隙要求大于360 mm和电气间隙应大于380 mm的技术需求，真空断路器的绝缘体将达到近400 mm高度。以目前的材料技术和生产工艺水平，使用陶瓷材料制作400 mm高度的绝缘体机械强度难以满足要求，一旦使用容易出现底部开裂。

硅橡胶是由有机硅氧烷及其他有机硅单体在酸或碱性催化剂存在下，聚合而成的一类线状高分子弹性体[6]。属于半有机半无机的高分子聚合物，有许多优异的性能。具有较高的耐热性和优异的耐寒性，优良的耐电晕、抗电弧性等电绝缘性、阻燃性、耐臭氧老化、热老化、紫外光老化和大气老化性能，具有较好的耐油性和耐溶剂性能。对硅橡胶材料进行试验检测，得到试验数据如表3。

表3 硅橡胶材料试验数据

2 技术方案

目前，电力机车和电动车组使用的真空断路器多数采用陶瓷材料作为其主绝缘体。由于陶瓷材料固有的物理特性，国内外尚未开发出高于或接近本文所述文件要求的车载真空断路器。并且电气间隙不小于380 mm的真空断路器陶瓷绝缘子的可靠性还需要验证。

考虑到硅橡胶、环氧树脂和玻璃纤维材料的成熟性和经济性，本文所设计的真空断路器外绝缘采用内部为环氧树脂浸渍玻璃纤维管，外护套采用硅橡胶材料的复合绝缘结构。利用环氧树脂浸渍玻璃纤维管的结构强度满足真空断路器的机械强度的设计要求，利用硅橡胶优良的电气特性满足真空断路器的电气性能的设计要求。依据文献[7]中关于污秽环境下复合材料绝缘子伞裙、伞倾角、伞伸出等关于外绝缘外形结构的界定，并结合文献[8]中关于复合材料绝缘子技术要求进行真空断路器外绝缘的设计，达到电气间隙不小于380 mm、爬电距离不小于1 150 mm的技术要求。依据文献[9-12]中有关真空断路器的各项规定，并采用同类型产品的真空包、法兰等零部件和相同的工作原理来完成真空断路器其他机械和电气方面的设计开发。

新型真空断路器采用立式结构，结构高度明显高于其他类似产品，所以非常有必要运用软件仿真分析真空断路器的结构强度是否满足需求。按照文献[13]中1类A级振动及冲击等级要求，利用有限元分析软件ANSYS进行仿真分析计算。新型真空断路器的应力分布仿真计算结果见图1。ANSYS软件的分析结果表明最大应力分布在底板处，数值为21.02 Mpa，小于铝合金材料屈服强度，表明该型真空断路器的强度满足技术要求。

图1 真空断路器仿真计算结果

完成新型真空断路器试制和设计试验后，样品被送到铁道部机车车辆检验站按照文献[10]和文献[13-14]中真空断路器的相关试验条款和试验方法进行了全部型式试验项目检验，其中一般检查、电磁阀线圈电阻测量、干燥通风试验、压力开关调整试验、机械操作试验、气密性试验、时间与位移测量、主回路接触电阻测量、绝缘电阻测量、工频耐压试验、工频湿耐压试验、冲击耐压试验、工作限制试验、温升试验、机械耐久性试验、环境温度变化试验、湿热试验、盐雾试验、振动及冲击试验、外壳防护等级试验、额定短时耐受电流和峰值耐受电流试验等试验项点全部合格通过。真空断路器的冲击耐压、工频耐压、工频湿耐压水平分别达到了185，100，85 kV，并且该真空断路器可以在-40℃～+70℃宽环境温度范围正常工作。

3 结束语

本文所设计的新型真空断路器，在国内首次采用环氧树脂浸渍玻璃纤维管和硅橡胶复合绝缘体，并已成功运用于CJ-1型动车组。经过例行试验和型式试验的验证考核，证明环氧树脂浸渍玻璃纤维管与硅橡胶复合形式的外绝缘技术方案是可行的。新型真空断路器的绝缘设计满足最新的国内铁道行业技术要求，并且实现了在国内电动车组的应用，为其他电力机车和电动车组的研制开发提供一种不同的真空断路器绝缘技术方案。

[1] EN 50124-1:2006. 铁路应用-绝缘配合 第一部分：基本要求-所有电气和电子设备的电气间隙和爬距[S].

[2] GB311.1-1997. 高压输变电设备的绝缘配合[S].

[3] GB311.2-2002. 绝缘配合 第2部分：高压输变电设备的绝缘配合使用导则[S].

[4] 郭晨曦. 电力机车/动车组高压绝缘设计问题探讨[J]. 铁道机车车辆，2010，30(2):1-4

[5] 郭晨曦，张继元. 牵引供电系统过电压与电力机车、电动车组绝缘水平的选择[J]. 铁道机车车辆，2006，26(4)：65-68.

[6] 郭红霞. 电线电缆材料-结构·性能·应用[M]. 机械工业出版社，2012.

[7] IEC 60815-3-TS, Ed. 1.0. 污染环境用高压绝缘子的选择和尺寸选定.第2部分:交流电系统用聚合物绝缘子[S].

[8] TB/T 3077.2-2006. 电力机车车顶绝缘子 第2部分：复合绝缘子[S].

[9] IEC 60077-1-1999. 铁路应用 机车车辆用电气设备 第1部分:一般运行条件和一般规则[S].

[10] IEC 60077-4-2003. 铁路设施.机车车辆用电气设备.电工元件.交流断路器规则[S].

[11] UIC 797-2000. 变电所-牵引单元电气保护的协调配合[S].

[12] EN 50153-2002. 中文版 欧洲标准:铁路应用-机车车辆-电气隐患防护的规定[S].

[13] IEC 61373-2010. 铁路应用 机车车辆设备冲动和振动试验[S].

[14] DIN 5510-2-2009. 铁路车辆防止燃烧-第2部分：材料和构件的燃烧特性和燃烧并发现象[S].

Design and Development of Vacuum Circuit Breaker for EMU

CHENFu,ZHAOZhiqiang

(CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062 Jilin, China)

According to the requirements of EMU operation, the standards of insulation coordination are referenced, an insulating material is selected from four insulating materials, the insulating scheme is confirmed and a new type of vacuum circuit breaker for EMU operation is designed. The simulation of vacuum circuit breaker is executed by software ANSYS, and the results of the simulation are satisfactory. The design tests and type tests of the new vacuum circuit breaker are executed, and the results of these tests are excellent.

EMU; VCB; insulation design

1008-7842 (2015) 03-0056-03

男，工程师(

2014-12-08)

U264.7

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.13