轨道交通接触网电动刀闸设计技术

樊 帆，曾谷元

（珠海优特电力科技股份有限公司，广东珠海 519080）

0 引言

在轨道交通牵引供电领域，可视化隔离接地设备替代传统的人工倒闸，实现远程可视化操作。电动刀闸作为可视化隔离接地设备的核心模块，用于接触网对轨道机车牵引供电及接地检修，其可靠性至关重要。当前接触网电动刀闸的设计技术主要集中在欧美等电力企业。国内技术主要集中刀闸的状态监测[1-3]、故障诊断[4-6]、二次控制回路[7-8]等。对于刀闸设计技术还需要进行探讨。本文分析了电动刀闸部件设计选型。触头作为电动刀闸的核心部件，提出动稳性和热稳性两个方面的力学校核计算方法。另外，还结合有限元电热耦合分析，校核了触头的载流能力，最后对电动刀闸的可靠性测试进行总结。

1 设计选型

接触网刀闸零部件的选型至关重要，关系着刀闸的使用性能及可靠性等，也是保证接触网牵引供电与接地检修的关键。电动刀闸主要包括触头、直流减速电机、绝缘子及导电油脂等。

（1）触头材料。触头是电流载体，且需要频繁分合闸运动，所用材料需要综合考虑导电性、耐磨性、力学性能及经济性等，目前常用的电触头材料主要包括T2 紫铜、铬铜、铬锆铜等。其中，紫铜的导电性好、成本低，但是硬度、耐磨性、屈服强度较差；铬锆铜的硬度、耐磨性、屈服强度较好，但导电性较差、成本较高；铬铜的性能均介于二者之间。触头材料的选择，需要考虑应用环境、经济性等综合因素。

（2）直流减速电机。直流减速电机是刀闸分合闸的动力源，电机参数主要包括工作电压、额定功率、减速比、输出扭矩、输出转速等。通过计算出动静触头之间的夹紧力，可计算出刀闸分合闸所需扭矩，结合输出转速等参数确定额定功率。根据已知的刀闸分合闸时间t，动触头完成一次分闸或合闸主轴转动的圈数为n，可计算出电机的输出转速为t/n，进步一可确定减速比等参数。由于涡轮蜗杆具有自锁性，可确保刀闸触头位置不会因振动等外力因素出现偏移的情况，因此电机机构的减速器选型以蜗轮蜗杆为最佳。

（3）绝缘子。绝缘子是支撑刀闸触头的结构件，也是隔绝电触头与外部导电体的绝缘件。绝缘子的材料以UL94V-0 阻燃等级的BMC 不饱和聚酯为最佳。在机械性能方面，根据设计要求选择合适直径、高度的绝缘子，同时绝缘子的抗扭、抗弯、抗拉性均需要满足设计的要求。在电气性能方面，应选择足够大的爬电距离，以保证良好的绝缘性。

（4）导电油脂选型。导电油脂不仅对动静触头的分合闸运动起到润滑作用，而且还会填补动、静触头接触面之间的微小间隙，提高导电性。导电油脂的选型需要考虑两个因素，一是导电率、黏度，导电性越高的油脂，越有助于触头导电，而油脂黏度过低会加快油脂滴落损耗；二是要考虑润滑油脂耐高低温的能力，避免出现环境温度过高润滑油脂熔化为液态出现滴落等情况，但环境温度太低润滑油脂凝结成固体，会导致无法正常分合闸。

2 刀闸触头设计校核

2.1 触头受力校核

刀闸的触头在合闸情况下，遇到强大的短路故障电流必须要有一定的承载能力。一旦无法承受大电流的，就会出现动触头弹跳、熔焊等故障，造成严重的安全事故。为避免发生此类情况发生，在设计过程中需要对触头的受力进行校核分析。

动触头由两片平行的铜排组成，依靠自身的弹性变形产生接触力Fj，与静触头接触并夹紧。当动触头通过短路故障大电流时，会产生电动力Fd与电动斥力Fp，因此在机械力与电磁场力的作用下，触头的受力情况比较复杂。本文将从热稳性和动稳性两个方面对受力校核方法进行分析。

2.1.1 热稳性受力校核

热稳性受力校核主要分析在大电流作用下动触头被拉开弧隙的可能性。触头的受力情况如图1 所示，其中接触力Fj是依靠动触头材料本身变形产生的弹力，接触力越大、动触头越不容易发生弹跳，但是过大的接触力会导致机构无法正常拉动触头进行运动。

图1 触头热稳性受力

根据《机械设计手册（单行本）弹簧 起重运输件 五金件》，接触力Fj的计算公式为：

式中 fc——动触头触点挠度，mm

E——触头材料弹性模量，MPa

n——动触头层数

h——动触头宽度，mm

b——动触头厚度，mm

ε——挠度增加系数，等强度梁约为1.5

l——动触头变形长度，mm

动触头由两块平行的导体组成，当通过同向电流时会产生磁场，在电与磁的作用下产生电动力Fd。Fd是有用的力，有助于动触头夹紧静触头。根据毕奥沙伐尔定律，当任意截面的两根平行导体分别通有电流i1和i2时，两导体间最大的电动力Fd应采用公式（2）进行计算：

式中 i1——通过导体1 电流的最大值，A

i2——通过导体2 电流的最大值，A

L——平行导体长度，mm

a——两个平行导体的轴线间距，mm

Kf——形状系数

形状系数与导体截面形状以及导体的相对位置有关，其确定过程较复杂。根据《工业与民用配电设计手册》（第4 版）中的矩形母排截面形状系数曲线，可查找不同截面形状母排的形状系数。

在动触头与静触头接触的位置，导电面积局部变小，当触头流过电流时会在该部位产生电流线收缩，使得触头间会产生互相排斥的电动斥力Fp即Holm 力[9]。且触头间电动斥力大小与触头实际接触点的数量有关，接触点数越少，电流收缩的现象越显著。Holm 力计算公式可以有效计算触头间的电动斥力，且得到相应的验证[10]：

式中 I——每片动触头流过的电流，A

μ0——真空中的磁导率，（W·b）/（A·m）

A——动静触头接触面积，mm2

ξ——触点接触系数，一般取值0.45

H——触点材料的布氏硬度

Fj——接触力，N

通过对Fj、Fd以及Fp的计算分析，结合图1 的受力情况，当动触头合闸时不出现热稳失效的必要条件是：Fj+Fd-Fp＞0。如果在热稳性受力校核计算中，无法满足以上的条件，触头将会较大可能在电动斥力的作用下拉开弧隙、产生电弧，使触头烧坏。

2.1.2 动稳性受力校核

动稳性受力校核主要在通过某一大电流时，在电动力的作用下，分析被拉开发生触头弹跳的可能性。在热稳性的计算中，Fd是有用的力，有助于增加动触头与静触头之间的夹紧。但是在动稳性受力分析中，Fd是有害的力，作用在动触头上使其发生弹跳（图2）。

图2 触头动稳性受力

通过以上对Fj、Fd以及Fp的计算分析，结合图2 可知，动触头合闸时不会出现动稳失效的必要条件是：2×（Fj-Fp）×μ-Fd＞0。其中μ 为动、静触头之间的摩擦因数。

如果动稳性受力校核计算无法满足以上条件，触头合闸后在Fd的作用下可能会出现弹跳偏位，产生重大安全隐患。

2.2 触头电热校核

电动刀闸在牵引供电系统的实际应用过程中，会承载接触网上的额定电流。当日间列车正常运行时，刀闸的触头会有持续不断的电流通过，并产生大量的热量，使得触头温度不断升高。当温度超过一定数值后，刀闸的触头材料会出现软化，使得力学性能恶化，还会对刀闸开关柜内的其他电子元器件造成损伤，因此有必要对触头表面的发热温升情况进行分析。

首先，由于不同城市地铁以及不同轨道运行线路的额定电流不同，刀闸触头的热设计首先需要确定承载的电流参数。然后根据铜排厚度与载流系数对应关系，确定触头的层数以及铜排截面尺寸。

其次，选择导电性良好的金属作为触头的加工材料如T2 紫铜，并在表面进行电镀银处理。

最后，利用有限元进行电热耦合仿真计算，对触头的发热温升情况进行模拟仿真，并且将计算结果作为触头电热校核的依据（图3）。

图3 电触头温度场分布

3 刀闸可靠性测试

电动刀闸需要通过有效的试验方式对其可靠性进行检测。主要包括电气安全距离、电阻、寿命、短时耐受电流、温升、高低温等测试。

（1）电气安全距离测试是测量触头断口、一次主回路对地以及爬电的距离，足够的电气距离可以保证刀闸不会出现空气绝缘击穿的情况。

（2）电阻测试则是将触头合闸后，利用电阻测试仪测量触头回路两端的电阻值，通常是微欧级。电阻越小则导电性越好，触头发热量会越少。

（3）寿命测试是利用寿命测试仪器，给刀闸通电使触头不间断地进行分合操作，在设计的寿命周期内不能出现机械、电气等故障。

（4）短时耐受电流测试在触头合闸状态下，在0.25 s 等时间内，通过80 kA 或其他数值的电流，触头不出现熔焊或弹跳等现象。同时，还要测试在峰值电流下触头不出现熔焊或弹跳等现象。此项是考查刀闸在遇到短路大电流时的抵御故障的能力。

（5）温升测试是在触头合闸状态下，在刀闸触头四周布置一定数量的热电偶，热电偶将数据传递给温度测试仪。将触头两端施加额定电流，当温度达到稳态时读取温度值。

（6）高低温测试是考核刀闸在恶劣高温和低温环境下的可靠性。将刀闸放置在高低温箱内，将箱内的温度升至一定温度（如70 ℃）持续16 h 后，通电测试刀闸能否正常运动。然后，将箱内温度降低到一定温度（如-40 ℃），同样持续16 h 后通电测试刀闸能否正常运动。只有合格地完成以上技术参数的测试，刀闸产品才能应用到工程现场。

4 结束语

刀闸在应用过程中，受到电磁力、机械力等错综复杂的受力，化繁为简提出了刀闸触头受力校核计算的方法。对触头载流能力的计算，利用了电热耦合仿真模拟触头在额定电流作用下的温度场分布情况。刀闸产品最终的实际应用需要通过各种测试方法进行检测，只有合格的产品才能进入实际的工程现场进行应用。本文为轨道交通电动刀闸的设计提供了参考方法，合理的刀闸设计能保证城市轨道交通牵引供电与接地检修的安全与可靠。