淺談DF7C型機(jī)車電器柜的設(shè)計(jì)

(1.資陽中車電氣科技有限公司，四川 資陽 641300；2.中車資陽機(jī)車有限公司，四川 資陽 641300)

0 引言

DF7C型內(nèi)燃機(jī)車是由原中車二七公司在DF7型、DF7B型機(jī)車基礎(chǔ)上，換裝12V240/275系列柴油機(jī)，為適用于大型編組站及大型工礦企業(yè)的編組及調(diào)車作業(yè)以及小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)要求設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)車。2017年，中車資陽公司承接該型機(jī)車相關(guān)業(yè)務(wù)，并對柴油機(jī)、電器柜、操縱臺、微機(jī)等主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化。在電器柜的改進(jìn)設(shè)計(jì)過程中，主要對柜內(nèi)設(shè)備布置、線纜布置、高壓安全防護(hù)、高壓銅排結(jié)構(gòu)等做了系統(tǒng)性分析和研究。

1 電器柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DF7C型機(jī)車電器柜主要由高、低壓兩部分組成。高壓部分如圖1(a)視圖所示，主要安裝有機(jī)車主傳動系統(tǒng)的電器元件。低壓部分如圖1中(b)(c)視圖所示，安裝了機(jī)車輔助系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)和司乘操作人員操控元件等。在柜內(nèi)設(shè)備布局設(shè)計(jì)過程中，大致提出了以下基本原則，這些布局原則亦可在其他機(jī)車電器柜設(shè)計(jì)中推廣。

1.1 高、低壓分開原則

將主傳動系統(tǒng)的所有高壓元器件集中安裝于電器柜左側(cè)，如圖1中(a)視圖所示。這既有利于內(nèi)部銅排連接，在安全絕緣防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)也可作統(tǒng)一考慮。

1.2 人機(jī)工程學(xué)原則

人機(jī)工程學(xué)原則涵蓋領(lǐng)域較廣，涉及內(nèi)容較多，本次設(shè)計(jì)主要考慮元器件操控的可達(dá)性和防誤操作方面。電器柜內(nèi)需要經(jīng)常操作的元器件包括微型斷路器、萬轉(zhuǎn)開關(guān)、閘刀開關(guān)等，安裝位置距地面高度均不超過1 600 mm，且均設(shè)置有對應(yīng)功能銘牌。

1.3 工藝性原則

工藝性主要包括組裝和檢修施工工藝性，具體需要考慮施工過程中操作人員的舒適性和工具的可達(dá)性等。所有元器件安裝部位均直接暴露在外，少數(shù)狹窄區(qū)域設(shè)備(如無級調(diào)速驅(qū)動器、電壓調(diào)整器等)設(shè)置有過渡結(jié)構(gòu)。因涉及大量銅排和機(jī)車大線安裝連接，高壓側(cè)的方向轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)置于電器柜最下部。

1.4 通風(fēng)散熱原則

大功率發(fā)熱元件及部分不需經(jīng)常操作維護(hù)的元件，如充電電阻、磁削電阻、管形電阻、二極管組件等被設(shè)置于電器柜頂部，以充分利用頂部兩側(cè)百葉窗進(jìn)行自然通風(fēng)散熱，維持電器柜內(nèi)部熱平衡。

(a) (b) (c)

2 電氣安全防護(hù)設(shè)計(jì)

機(jī)車電氣柜設(shè)計(jì)過程中，必須充分考慮內(nèi)部設(shè)備系統(tǒng)的可靠性和人身安全性，并采取必要措施以確保出現(xiàn)過電壓時(shí)電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，消除各種安全隱患防止出現(xiàn)電擊事故。DF7C型機(jī)車電器柜的電氣安全防護(hù)設(shè)計(jì)措施主要包括幾方面。

2.1 絕緣防護(hù)

電器柜內(nèi)除接線端子連接處，其余主要的帶電裸露部位為高壓銅排結(jié)構(gòu)，為了增加安全性以及縮減銅排之間的間距，在銅排上吹MPG熱縮管對銅排進(jìn)行絕緣防護(hù)。通過使用熱縮管，可杜絕小動物及其他雜物等造成的短路事故，并增加電氣柜內(nèi)相間絕緣，有效地縮小電氣柜的體積，降低銅排溫升，防止污閃和凝露閃絡(luò)，從而維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可有效避免司乘人員或其他人員誤觸帶電銅排發(fā)生電擊事故。

2.2 通過防止接近進(jìn)行防護(hù)

根據(jù)GB/T 21414-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，電壓等級在Ⅰ級～Ⅲ級(U≤DC 1 500 V)的帶電設(shè)備，通過使用封閉的電氣操作區(qū)域進(jìn)行防護(hù)。電器柜所有電器元件被封閉于機(jī)車電器室模塊內(nèi)部，操作人員僅能通過電器室門接近電器柜內(nèi)部區(qū)域。直接裸露的端子或銅排連接處，設(shè)置防護(hù)板對直接接觸進(jìn)行有限度的防護(hù)，如圖1中(a)視圖所示，避免發(fā)生誤觸電擊。

2.3 設(shè)置警示牌

電氣隱患已經(jīng)確認(rèn)存在的位置，在所有的防護(hù)措施起作用后，安裝警示牌用以標(biāo)識電氣隱患的存在和提供防止人員傷害所應(yīng)有的補(bǔ)充信息。警示牌安裝在防護(hù)板外側(cè)，清晰可見，如圖1中(a)視圖所示。

3 爬電距離與絕緣間隙

電氣間隙和爬電距離的確定主要基于GB/T 21413.1-2008標(biāo)準(zhǔn)所要求的預(yù)期過電壓和電器環(huán)境條件。

3.1 污染等級

設(shè)備安裝在不同的地方，所受污染等級也不同。DF7C電器柜內(nèi)元器件安裝于機(jī)車電器室模塊內(nèi)部，根據(jù)機(jī)車運(yùn)用環(huán)境情況被定義為PD3污染等級，即“導(dǎo)電性污染，或干性、不導(dǎo)電的污染但可能因壽命期間污染堆積而導(dǎo)電”。

3.2 過電壓分類

DF7C型機(jī)車為直流傳動內(nèi)燃機(jī)車，所有電路均不直接與接觸網(wǎng)相連，但高壓側(cè)元器件在特殊情況將出現(xiàn)較高電壓，因此被確定為“2類過電壓(OV2)”，即“電路不直接與接觸網(wǎng)相連且有過電壓保護(hù)”。

機(jī)車主傳動回路最高工作電壓DC1 000 V，查標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21413.1-2008，確定額定沖擊耐受電壓為8 kV，進(jìn)而查標(biāo)準(zhǔn)確定最小電氣間隙8 mm，并確定爬電距離14 mm。

4 高壓銅排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DF7C型機(jī)車電器柜高壓側(cè)主要由三部分組成，分別包括上部磁削電阻、組合接觸器組成的牽引電機(jī)磁場削弱控制回路，中部電磁接觸器、分流器組成的牽引電機(jī)起?？刂苹芈?，下部方向轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成的機(jī)車行進(jìn)方向切換控制回路，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.1 銅排材料的選擇

銅排材料的選擇首先應(yīng)考量其電氣性能，例如電阻率、導(dǎo)電率等，其次應(yīng)兼顧機(jī)械性能，例如抗拉強(qiáng)度、硬度等。本文電器柜銅排優(yōu)先采用TMR銅母線，其20 ℃直流電阻率不超過0.017 241 Ω·mm2/m，導(dǎo)電率不小于100%ACS，機(jī)械性能指標(biāo)如表1所示，配合合適的固定結(jié)構(gòu)可滿足主回路短路時(shí)的動穩(wěn)定性要求，同時(shí)也滿足沖壓加工強(qiáng)度要求，并最大程度提高材料利用率。下部方向轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成的機(jī)車行進(jìn)方向切換控制回路，因空間限制轉(zhuǎn)角處采用直角過渡，選用銅板材T2-M進(jìn)行機(jī)加工實(shí)現(xiàn)，其材料力學(xué)性能如表1所示。

圖2 電器柜內(nèi)銅排的設(shè)計(jì)

類別材質(zhì)及狀態(tài)抗拉強(qiáng)度(N/mm2)斷后伸長率(%)硬度(hV或hB)銅板材T2-M≥205≥30≤70 hV銅母線TMR≥205≥30

4.2 銅排截面形狀與截面積的確定

電器柜工作時(shí)，主回路銅排均通入直流電，銅排截面上的電流均勻分布，不會發(fā)生交流電作用下的渦流現(xiàn)象，因而所有銅排無需采用異形截面結(jié)構(gòu)，截面結(jié)構(gòu)確定為30×8矩形。

本次設(shè)計(jì)將以經(jīng)濟(jì)電流密度方式選擇和校核銅排截面積，式(1)為該方式的計(jì)算公式。

(1)

式中，Sn為經(jīng)濟(jì)截面，In為工作電流，Jn為經(jīng)濟(jì)電流密度。計(jì)算出30×8矩形銅排在環(huán)境溫度25 ℃條件下載流能力為720 A，而柜內(nèi)銅排長期正常工作電流約為600 A，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 銅排的連接與固定

為提升安裝、檢修等施工工藝性，銅排連接處均設(shè)計(jì)為螺栓連接的可拆卸連接方式。銅排連接段的設(shè)計(jì)主要應(yīng)避免局部發(fā)熱現(xiàn)象，避免銅排過熱燒損。為此，需要從兩方面加以考慮，一是連接段應(yīng)設(shè)計(jì)有足夠接觸面積，以獲得較小的接觸電阻；二是連接段接觸面應(yīng)均勻貼合，并在長期運(yùn)用中不會因機(jī)車振動而出現(xiàn)松動，從而使接觸面間電流始終分布均勻，消除銅排連接段內(nèi)局部過熱現(xiàn)象。

式(2)為EN50343-2003《鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛布線規(guī)則》提供的銅排連接處最小有效接觸面積計(jì)算公式，本次設(shè)計(jì)根據(jù)式(2)計(jì)算校核連接段接觸面積。

S有效=S1-S2

(2)

式中，S1為銅排連接段最小接觸面積，S2為連接段安裝孔面積。首先計(jì)算出有效接觸面積為S有效=1 847.34 mm2。然后，根據(jù)式(3)計(jì)算出銅排連接段間實(shí)際電流密度為0.65 A/mm2，小于要求的最小電流密度1.4 A/mm2，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)

根據(jù)研究，如果銅排連接段螺栓安裝扭矩合適，螺栓內(nèi)部預(yù)緊力可以使銅排連接面之間產(chǎn)生足夠大的壓力，從而克服接觸表面不平整產(chǎn)生的彈性力，使得連接段接觸面均勻貼合。然而，普通連接緊固件卻無法使銅排連接在機(jī)車長期運(yùn)行振動條件下始終保持不松，所以本次設(shè)計(jì)的銅排連接采用了防松性能更佳的海闊防松墊圈。

海闊防松墊圈由兩片楔形墊圈組成，其內(nèi)表面的摩擦系數(shù)μi顯著低于鋸齒狀外表面的摩擦系數(shù)μa，而其內(nèi)表面的楔形坡度α大于螺栓的螺紋升角β，當(dāng)被連接件在負(fù)載作用下發(fā)生位移時(shí)，2片楔形墊圈首先發(fā)生相對位移，并由于角度關(guān)系被限制相對位移繼續(xù)發(fā)生，從而有效防止連接松動。海闊防松墊圈依據(jù)DIN65151-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的橫向負(fù)載條件下緊固件的鎖定特性的動態(tài)試驗(yàn)，測試結(jié)果如圖3所示，其防松性能優(yōu)于目前大量使用的普通彈簧墊圈，可確保銅排連接處在機(jī)車長期運(yùn)行振動條件下始終保持不松。

圖3 海闊防松墊圈與其他緊固件的振動試驗(yàn)對比

5 結(jié)語

在DF7C型內(nèi)燃機(jī)車電器柜改進(jìn)設(shè)計(jì)中，本文首先提出了內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的四項(xiàng)原則，并重點(diǎn)對高壓電器部分的電氣安全防護(hù)設(shè)計(jì)、爬電距離與絕緣間隙的確定、高壓銅排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面作了分析研究。從產(chǎn)品試制情況看，上述設(shè)計(jì)完全達(dá)到預(yù)期要求，機(jī)車運(yùn)用情況良好。目前，現(xiàn)行資料對機(jī)車電器柜，尤其是高壓電氣結(jié)構(gòu)的研究成果較少，本文的研究經(jīng)驗(yàn)和方法也可在其他機(jī)車電器柜設(shè)計(jì)中運(yùn)用推廣。