动车组高压设备箱新技术应用可行性研究*

杨斯泐，郭旭刚，郭晨曦,2，王 坤

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路与城轨交通系统技术国家工程研究中心， 北京100081）

随着我国铁路事业快速发展，动车组高压供电系统的稳定性是运行安全的重要组成部分，是保证列车运行高速、安全、可靠的关键系统之一。既有动车组高压设备大多数安装在车顶，无法避免地受到雨雪、污秽和气流等影响，造成了高压设备故障率的提高和寿命的缩短。

动车组采用高压设备箱这种布置方式，通过密闭空间的设备箱体隔离了外界环境因素的影响，从而使列车的整个高压系统的适应能力大大增强，能够运用于各类线路，适应我国大范围的运营现状。

高压设备箱内包含避雷器、互感器、主断路器、高压接地开关、高压隔离开关等。箱体内空间较为局促，各高压设备的布局和电磁场情况较为复杂，还涉及到高压电缆的出线布置方式和连接情况。目前高压设备箱主要采用户外高压部件的户内布置方式，独立的高压部件在满足现有户外运用绝缘水平的基础上进行户内化设计和布局。因箱体内部绝缘间隙较小，局部位置通过增加绝缘涂层或绝缘板的方案来满足要求，并经过高压设备箱的绝缘试验验证，空气绝缘方式室内空间已达到极限，无法满足更高绝缘强度和小型化的需求。文中在研究既有高压设备箱发展、技术条件、布置方式基础上，提出C-GIS（气体绝缘封闭开关）等新技术方案，分析其可行性，并对其可能存在的风险进行研究，在明确高压设备箱的技术条件和要求基础上，提出关键技术的解决方案，对后续动车组高压设备箱的研制提供参考。

1 动车组高压设备箱综述

1.1 动车组高压设备箱的发展

目前我国运营早期动车组高压电气设备仍采用车顶户外安装方式，结构简单，成本较低，但受天气、环境情况影响较大，也增加了维护成本和时间，缩短了高压电气设备的使用寿命。中国标准动车组开始采用了自主化高压设备箱方案，通过合理安排设备布局，能够初步满足现有动车组高压系统的运营需求［1-2］。

国内早期运用的动车组采用高压设备箱方式为CRH2 型、CRH380A 型和CRH380D 型动车组，其高压设备箱设计思想并不相同。其中CRH2 型、CRH380A 型动车组高压设备箱内包含真空断路器和避雷器等部分高压设备，并不是完全意义上的高压设备理想安装方式，此种高压设备箱布置方式为过渡型方案，通过部分高压部件放置于箱体内，但相对于其他国内动车组户外布置方式，CRH2 型、CRH380A 型动车组车顶高压设备布置简洁、紧凑［3］。

某型动车组为使其在高速运行过程中最大限度地减少空气阻力、降低气动噪声，动车组将受电弓布置于车顶的凹槽内，除受电弓、绝缘子和网侧避雷器之外的高压设备均集中布置于密闭的设备箱内，此设备箱采用户内化设计，内部高压电器部件进行了适应性设计，箱体外形与车体平齐，其技术指标绝缘要求较低，能够有效减少高速运行产生的风阻及噪音并便于维护和运用。

1.2 动车组高压设备箱顶层技术条件

高压设备采用集成高压设备箱方案，将除受电弓、绝缘子、网侧避雷器外的其余高压部件放置于集成高压设备箱内。

高压设备箱的电气性能试验内容和方法符合GB/T 21413.1—2018《轨道交通 机车车辆电气设备 第1 部分：一般使用条件和通用规则》的规定，主要技术参数应符合表1 规定。高压设备箱方案应考虑浸水防护功能。

表1 高压设备箱主要技术参数

2 动车组高压设备箱布置方案研究

复兴号动车组高压设备箱主要分为车下和车顶2 种安装方式，主要受限于车顶安装空间、车下安装空间、高压电缆接头、车端过桥电缆方案。

2.1 车下方案高压设备箱

某型标准动车组高压设备箱车下方案延续了CRH2 型动车组车下设置设备箱安装的经验，采用内绝缘结构的高压连接头以及贯穿车间的高压电缆实现车端连接，具体方案如下图1 所示。

图1 高压设备箱车下布置方案示意图

此平台标动采用车顶方案箱体高度530 mm，而车下方案箱体高度640 mm，较大的箱体电气间隙能够保证箱内高压电气设备的优化布局，承受更大的外绝缘强度。此外CRH2 型动车组安装的电缆接头和车端过桥电缆及内绝缘电缆连接器有成熟的产品进行匹配，能够在成熟产品的基础上完成设备升级迭代工作，故选用车下布置方案。

2.2 车顶方案高压设备箱

某型标准动车组高压系统主电路型式采用成熟的CRH380 系列动车组车顶高压设备主电路基本架构，在3 车和6 车车顶二位端布置了受电弓和高压设备箱，通过位于4 车和5 车的高压电缆连接，车顶高压电气布置如图2 所示。

图2 高压设备箱车顶布置方案示意图

高压设备箱的尺寸为1 500 mm×2 000 mm×370 mm，高压设备箱自带顶盖，顶盖为绝缘材质。某型标准动车组车顶高压设备电气布局设计将断路器、互感器、绝缘子、高压电缆头等高压设备集中封装在一个高压设备箱体内。通过高压设备箱体隔离了外界雨雾、污秽、气流等因素的影响，有效地改善了高压电气设备的工作环境，提高了其线路适应能力。

3 C-GIS 型高压设备箱

3.1 必要性和意义

基于某型动车组高压设备箱的要求及动车组高压系统模块化需求，进行针对性研发设计。目前动车组的高压电器设备主要集中布置在车顶，受到车顶高度的局限，目前中国动车组使用的，基于高压电器的外绝缘强度的高压设备箱已无法得到进一步优化。

为解决此问题，采用电力行业中高压电力设备成熟的C-GIS 技术，将主要高压电器部件密闭于高压设备箱内，其内部充六氟化硫（SF6）气体。极强的负电性使SF6具有优良的绝缘特性和优良的熄弧能力，减小高压部件的电气间隙，提高高压开关性能，达到高压设备箱小型化的目的。同时将动车组高压电器设备与大气隔绝，最大限度地减少了空气污染带来的异常放电的系统故障，进而提高了车顶高压绝缘的环境适应能力［4］。

3.2 C-GIS 型高压设备箱方案及可行性分析

对高压设备箱进行模块化设计，一共分为4 类模块：高压开关模块、电压互感器模块、电流互感器模块、避雷器模块。高压开关模块包括由断路器、隔离开关、接地开关组成，密封在充有SF6气体的箱体内。其余模块均采用全绝缘插接式设计，电缆连接，无任何裸露带电体，设备箱布置如图3所示。各个功能单元能实现模块化拼接和生产，更换快捷，满足箱体小型化的设计要求。

图3 C-GIS 型高压设备箱示意图

设备箱需采用的可插拔式无间隙金属氧化物避雷器；可插拔式干式电压互感器；低压穿心式干式电流互感器；包括可插拔式内锥连接器，这些技术在中压C-GIS 上早已开始应用，效果理想。高速铁路对动车组高压电气设备的工作可靠性要求日益提高，免维护要求是高压设备箱设计的指导思想之一。由于铁路的安全要求，产品的长期运行可靠性成为设备设计的第一目标。

C-GIS 型高压设备箱需要解决整体电气的可靠性和整体机械的可靠性问题。

整体电气可靠性包括：灭弧箱体内真空断路器开断和关合性能，主导电回路电接触可靠性，短路电流冲击下电热及电动稳定性，高压部件内外绝缘可靠性等。

产品机械可靠性包括：隔离开关、真空断路器等操作机构及传动机构分合操作可靠性及其寿命长短，运行振动及工作频度要求等［5］。

对于高压开关模块，目前电力系统广泛应用40.5 kV 等级C-GIS 设备，并且开发的40.5 kV C-GIS 在全国如安徽、宁夏、福建、四川、陕西等地，尤其是青海、西藏这种高海拔地区都取得了相当丰富的成功运行经验。结合到动车组实际运行状况，不仅有普通线路1 500 m 海拔以下，还有新兰线这样3 500 m 的高海拔线路。研制的40.5 kV C-GIS 与本项目的高压开关模块技术要求基本类似，所以将采用相对成熟的真空永磁技术，直动隔离开关技术，作为研发的有力技术支撑。中压CGIS 技术经历了近半个世纪的发展，目前在中压领域得到广泛应用和认可，技术已相对成熟可靠，但其设计最终应该通过试验来验证，不能依赖产品的实际运行考核。

产品完成型式试验要求是基础要求，此外进行电寿命试验、机械强度试验、高低温环境下操作试验等可靠性试验也是十分必要的。

4 C-GIS 型高压设备箱风险分析

与目前使用的动车组高压电器设备对比分析，动车组C-GIS 型高压设备箱风险点主要体现在以下几个方面：

SF6气箱防爆设计；高压气箱的密封性保障；振动、冲击对主断路器合分的影响；振动、冲击对插拔件密封和绝缘性能的影响。

4.1 SF6 气箱的防爆分析

C-GIS 设备内部故障电弧持续时间较长时，电弧能量使箱体内SF6气体升温增压，可能使箱体内薄弱环节产生爆炸风险。多年以来SF6开关的实际运行状况来看，还未发生过SF6气箱爆炸事件。尽管SF6气箱爆炸的几率极低，但是潜在的风险是存在的，应针对风险可能发生的条件进行分析，做相应的预防措施。

低压配置的SF6气体作为绝缘介质，断路器仍利用真空灭弧室进行开断动作。绝缘强度的提升和真空灭弧分断技术二者的优点可有效地结合起来。真空断路器在正常开断过程中不产生压力变化，因而爆炸的危险性较小，同时依靠低压力的SF6作绝缘介质，可以充分发挥SF6绝缘性能特点。如果万一发生故障造成气压骤增，为了保护车内人员的人身安全，将在每个气箱侧面薄弱处安装防爆膜，通过防爆膜的首先破裂，提供压力释放通道迅速排入大气中，因有车顶盖板的隔离，SF6气体无法进入车内。

影响SF6气体间隙绝缘特性最重要的因素是电场的均匀性，电场均匀程度对气体间隙击穿电压影响远大于空气绝缘。在设计时，通过零部件圆角处理，避免棒—板间隙结构，通过电场仿真和实际试验相结合的手段，来达到优化电场设计的目的。

4.2 高压气箱的密封结构分析

密封结构设计是C-GIS 设备的基本要求，密封性能的优劣对高压设备箱性能有着重要影响。采用完善实用的SF6开关内壳焊接工艺流程保证高压气箱的密封性，重点解决泄露和防漏的问题。

在保证产品电气性能的前提下，尽量降低充气压力，也是保证气密性和减少漏气点的有效办法。使用真空箱氦检漏控制系统进行等压抽真空、充氦检漏，进行严格的检漏操作。

考虑到动车组实际运行情况，采用动密封设计，增加缓冲装置减少振动、冲击对箱体密封性的影响，并保证密封部位的防水和防腐措施。通过研究性试验，验证高压气箱的抗振动、冲击能力。每个气箱还可根据需要配备密度继电器，监测CGIS 箱内气体的密度变化，气压过高过低可及时报警。

4.3 环境温度变化对设备箱的影响

高压设备箱随着动车组全国大范围运行，存在从高温地区至低温地区的短时间运营，并安装于车顶存在日照、高寒等环境影响。

产品设计时选用的绝缘材料应具有良好的耐热老化性能，受日照温升影响，产品设计的通流能力比产品的额定电流值应至少提升10%。

高寒地区运行时，其密封材料应具有良好的耐低温性能，操作机构应有保温结构。低温会导致SF6液化而使气体密度低于允许值，可采用低气压开关或选装温控加热保护套，减少低温的影响。

4.4 振动、冲击对插拔件密封和绝缘性能的影响

动车组用高压部件进行模块化设计，4 大模块之间采用全绝缘插接式拼接组装。在产品底座和安装基础增设减震器或阻尼器，用来吸收部分振动能量，使设备阻尼增大10%～15%，从而提高抗振动、抗冲击能力。并在设计中将模块中的多个硬性连接设计为柔性连接；在安装方面增加缓冲装置，增加固定位置，消除模块间的相对运动。

在绝缘性能方面，设计之初就考虑到在不影响外形尺寸的同时，加大绝缘裕度。确保达到要求绝缘性能的条件下，留有更大的安全空间。

全绝缘插接技术已是中压C-GIS 的成熟技术，从设计和安装进行优化，借鉴成功经验，能够保证抗振动、冲击的密封性和绝缘性能。

5 结 论

文中通过对动车组高压设备箱的来源和发展进行介绍，对高压设备箱的顶层技术条件进行了分析，并对现有标准动车组高压设备箱的布置方案进行研究。提出了应用C-GIS 新技术作为未来动车组高压设备的方案和可行性研究。从安全性、可靠性等方面对高压设备箱设计的风险进行了分析。从模块化设计的角度，高压设备箱需依据机车顶部外形尺寸设计成小型化扁平箱体，达到小型化、强绝缘的要求，以满足进一步降低列车高度和提升空气动力学的要求。在维持原有车顶电器技术参数基础上，需重新设计相关高压设备和箱体，并采用全绝缘接插技术进行部件布置。由于密封箱体里的电器是免维护的，所以必须保证电器的使用寿命长、可靠性高等。这些对电器的研发及制作、原材料选用等提出了较高的要求。动车组C-GIS 型高压设备箱的开发条件较为成熟，未来研制使用将可提高动车组运营的安全性，而标准化、小型化的高压设备箱能够为未来减重、降耗贡献力量，可进一步应用在更高速等级动车组、双层动车组等，进而提升机车车辆高压系统的技术能力。