电力机车新型智能真空主断路器的研制

孔祝英



电力机车新型智能真空主断路器的研制

孔祝英

福建铁路机电学校

针对现有电力机车主断路器的不足，研制一种新型电力机车真空主断路器，以“1+1”方式安装，在某主断路器发生故障时，司机可通过开关切换到另一台主断路器，保证机车不因为主断路器故障而发生机破。

“1+1” 电力机车 智能 真空主断路器

主断路器是用来接通和分断电力机车的高压电路，是机车的电源总开关，同时，当机车发生故障时它又可迅速切断机车总电源以保护其他设备，是机车最主要的保护装置，所以主断路器具有控制和保护的双重功能，其可靠性直接影响机车的安全运行。

目前，电力机车安装的主断路器分空气断路器和真空断路器。由于空气断路器结构复杂、故障率高而不被新型机车采用，但普通真空断路器也存在绝缘强度薄弱等不足，因此我们于2008年9月立项研制一种电力机车新型真空主断路器，以“1+1”安装方式，即两台主断路器安装在同一底座上，控制装置也相互独立。实现一台机车上有两台主断路器交替工作，避免因单台主断路器发生故障而引起的机破，保证机车安全运行。

1 设计思路

1.1 两台主断路器、两套装置

图1 电力机车车顶单开关联线示意图

目前，电力机车上主断路器只有一台，无论是空气断路器还是真空断路器，在运行中一旦主断路器发生故障，则机车只能停止运行等待救援。因此我们设计增加一台主断路器，当一台主断路器发生故障时可以有另一台替代使用，确保机车正常运行。同时为了不过多地改变机车原有的构造和尺寸，我们设计将两台主断路器放置在同一台底座固定板上，以便于安装。

图2 “1+1”双主断路器车顶联线示意图

1.2 采用真空灭弧

为提高主断路器的使用寿命和减小主断路器的体积，我们取消原空气断路器的隔离开关，并把灭弧室改用真空灭弧室。真空灭弧的电性能和机械性能高，绝缘强度比大气的绝缘强度要高得多，同时由于采用真空灭弧，所需的间隙很小，可以实现提高使用寿命和减小体积的设想。

1.3 采用永磁机构

为保证主断路器分合闸动作的可靠性，我们将传统的电空机械装置改成永磁机构，使整个操动机构结构简单可靠、工作寿命长、操作功率小、作用特性与断路器的反力特性很好匹配，且能做到合闸速度较小而分闸速度较高的理想结构。

2 结构和原理

“1+1”电力机车智能真空断路器以底座为界，分为高压和低压两部分。高压部分位于机车顶部，由引出线和断路器主体组成。低压部分由永磁机构和智能控制装置组成。永磁机构的运动部件只有一个，具有合闸、分闸两种状态。永磁机构的拉杆带动真空灭弧室作直线运动。

图3 新型智能真空主断路器结构示意图

灭弧室单元由长寿命真空灭弧室和复合绝缘材料组成，通过固体绝缘密封技术和连接件组成一体，永磁机构通过连接螺杆直接安装在开关体上，通过控制得电动作，控制连接螺杆上推和下拉。合闸时，连接螺杆上推，压动开关体内绝缘拉杆，带动触头弹簧和传动件，使真空灭弧室动触头闭合，并以恒定压力压紧，使动静触头紧密接触；分闸时，连接螺杆下拉，同样通过开关体内绝缘拉杆和传动件拉开灭弧室动触头，使开关打开。在开关动作的同时，安装在永磁机构上的联锁拨杆同时上下移动，带动直线凸轮，使联锁开关打开或闭合。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—磁力线分布图；

永磁机构处于合闸位置，永久磁铁产生的磁力线如图中Ⅰ。这时，下部磁路磁阻远大于上部磁路，动铁芯②保持在合闸位置。分闸时，分闸线圈⑤通电，分闸线圈中的电流产生磁场，其磁力线方向如图中磁力线Ⅱ。分闸线圈在上部工作气隙产生的磁场方向与永久磁铁所产生的磁场方向相反。当分闸线圈中的电流达到某一值时，机构上端的磁力线被抵消殆尽，动铁芯开始在触头簧（或分闸簧）及少量电磁力的作用下向下运动。随着底部气隙的减小，气隙磁阻也逐渐减小，当下部气隙的磁感应强度远远大于上部气隙的磁感应强度时，动铁芯向下将呈加速运动。当动铁芯运动至行程一半后，线圈电流和永久磁铁产生的合成磁场，其方向是向下的，于是，又进一步加速了动铁芯的运动，直到断路器分闸到位。断路器分闸到位后，连锁装置将信号返回控制器，自动切断分闸线圈⑤中的电流，动铁芯保持在分闸位置上。

3 各部件的设计

3.1 灭弧室的设计

普通真空灭弧室还不能直接应用到电力机车上。因为普通灭弧室的寿命为1万次，而电力机车上断路器分合动作频繁，1万次的寿命使用期限也就一年左右，所以我们采用双断口串联，可提高分断高电压的能力；触头间距为小开距，可极大地提高灭弧室的寿命。为了保证断口同步断开，设计采用特殊的传动机构，使不同步度小于1ms，小于2ms的安全值。另外，我们还采用特殊结构的波纹管，以配合小开距，使灭弧室的寿命>30万次。大量的动态分析试验证明，本文所述的真空断路器的机械寿命达到20万次以上。

我们设计分断最大短路电流为10kA，但灭弧能力为20kA，实际裕度为l倍之多。灭弧室中，动静触头材料选择铬铜合金，截断电流为5A以下，可有效防止操作过电压的发生。

3.2 操作机构及传动的设计

在各种条件下都应可靠地分、合闸，是主断路器对操动机构的基本要求之一。目前广泛使用的操动机构有电磁、弹簧、气动、液压电动，但其机械故障率占主断路器总故障的70%左右。为此，我们采用无磨耗件精密型永磁机构，不但保证了主断路器长期动作的可靠性，而且满足主断路器分、合闸及灭弧特性要求。灭弧室需要的闭合力为1000～1200kN，永磁机构闭合力设计为3300kN，足以确保机构的正常动作，传动中的触头弹簧寿命>500万次，机构动作安全可靠。

我们采用钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁体，因为它有高的剩余磁感应强度，Br可以达到1.4T（退磁曲线上磁场强度H为零时，相应的磁感应强度，也成为剩磁）以及高的矫顽力，使永磁体很不容易退磁。永磁机构的压力和触头压力相比，留了100%的裕量，以保证足够的安全性。

永磁机构通过电磁机构和永磁铁的特殊结合实现传统机构的功能，电磁线圈和磁路为静止机构，只要设计合理，没有外力破坏，一般它不会损坏。大量试验证明，只要选材合理，精心设计，永磁机构本身机械寿命可以达到100万次以上。

永久磁铁与分、合闸线圈相配合，较好地解决了合闸时需要大功率能量的问题，因为永久磁铁可以提供磁场能量，作为合闸之用。永磁机构工作时，只需瞬时供电，一般小于60ms，在分、合闸状态时，线圈没有电流通过，保持力由永磁铁提供，不再消耗能量。这就使我们可以减小合闸线圈的尺寸和工作电流。因此，永磁操动机构可以做到真正意义上的免维修、少维护、长寿命。

3.3 绝缘设计

高压开关的绝缘设计至关重要。由于车顶空间的限制，绝缘距离不能很大。电瓷绝缘材料绝缘优良、价格便宜，但联接须采用金属连接件，体大物重，不耐碰撞，内外温差大时容易开裂。根据电力机车上的使用环境条件，我们选用粘接力强，机械强度高，有较高的耐寒、耐热、耐化学稳定性的APG工艺复合绝缘材料，双断口上进上出，在空气湿度100%饱和情况下，空气间绝缘距离>400mm，电压等级27.5kV，外爬距1.2m、内爬距0.9m，对地耐压80kV/lmin，断口间耐压85kV/lmin。APG工艺复合绝缘材料与水不亲和，可防止因雨水绝缘放电，从而有效地防止瓷瓶放电事故的发生。

3.4 智能控制器及联锁设计

永磁操动机构必须在控制器的驱动下才能实现开关的分合操作，因此，控制器的性能优劣对断路器的性能有很大的影响，要保证断路器的可靠工作，就必须要有一个可靠的控制器。

3.4.1 系统组成的原理

图5 智能控制器方框图

智能控制器主要由5部分组成：电源模块、输入模块、输出模块、CPLD智能控制模块、驱动模块。我们采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为智能控制部件，借助于计算机，在EDA工具软件quartus II平台上，以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段，自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合、以及逻辑优化和仿真测试，直至实现规定的电子线路系统功能。这种纯硬件的实现方式在工作可靠性方面有很大的优势，这是因为硬件电路不管受到什么干扰，其电路结构不会发生变化。采用EDA技术的全硬件实现方式，由于非法状态的可预测性以及进入非法状态的可判断性，从而确保了从非法状态恢复到正常状态的各种措施的可行性。

图6 智能控制板

3.4.2可靠性设计

3.4.2.1电磁兼容性设计

永磁操动机构在运行中由于开关大电流而产生很大的电磁干扰，永久磁铁和线圈均会产生很大的磁场干扰，另外，开通和关断过程中，电容充放电亦会产生幅值很大的脉冲电压和脉冲电流，会通过电源通道耦合到控制器自身，所以抗干扰问题对于控制器来说非常重要。我们在设计中采取的措施主要有：①电源输入加有性能优良的电源滤波器，可以防止通过电源线的传导干扰；②专用芯片通过光电电路完全与外部I/O部分隔离，以保证专用芯片安全运行；③模拟电路滤波和专用芯片数字滤波同时使用，确保不会发生误动的情况；④电路板精心设计，精心布线，避免线路之间的串扰。

3.4.2.2电力电子电路的可靠性设计

电力电子电路是控制器的另一个关键部件，它的负载是一个大的电感，在开通和关断过程中会产生很大的动态dv/dt，加之工作电流很大，使器件有可能同时受到大电流、高电压和寄生电容中的位移电流的作用，所以确保这部分电路稳定可靠的工作亦很关键。

①在设计中使用抗冲击能力强、dv/dt性能好的IR公司生产的IGBT和IGBT控制芯片；

②精心设计电路参数,反复测试，保证输出波形好；

③精心设计和调试吸收电路，保证驱动电路稳定工作；

④过流保护电路，确保电力电子电路的安全运行；

⑤为防止长时间通电，采用的控制算法是：正常时采用最短时间与开关位置信号控制，在位置信号失效时采用最长时间控制。

3.4.2.3智能自诊断、自检测设计

控制器采用全硬件状态机作为整个系统的工作调度，这就使其可以充分发挥全硬件电路容错技术的优势，在运行中可以对各种状态进行跟踪，可以监视各种非法状态，由非法状态转入正常状态只需要几个微秒，因而不会因进入非法状态而对系统造成影响，确保在运行中不会出现死机现象，即确保控制器永远保持在运行状态。

3.4.2.4零位断合

利用电子操控计算机的多余功能和精密性永磁结构优势，设计零电流打开和零电压闭合的智能控制技术，即适时采样，计算发令，自适应修正等，使断合点在零位正负2ms以内。经模拟试验表明，该项技术达到了预期效果，较好地抑制了过电压的产生。

3.4.2.5传动关节点的固体润滑技术

为了使断路器实现其真正意义上的少维护、不检修，甚至不维护，断路器的几个转动关节，采用了二硫化铝加石墨的固体润滑技术，寿命试验的结果基本达到了预期的目标。

4 主要技术指标

工作电压：AC25kV；最大工作电压：AC30kV；

工作电流：ACl000A；最大工作电流：AC1250A；

工作频率：50Hz；

额定短路开断电流：ACl0kA；

额定峰恒耐受电流：AC31.5kA；

最大开断电流：AC20kA；

控制器工作电压：DC110V；

开关动作反应时间：≤20ms；

开关动作时间：≤50ms；

开关动作控制器永磁机构通电时间：≤25ms。

5 执行标准

TB/T1333.4-2005/IEC6007-4-2003(机车车辆电气设备、第四部分，电工器件交流断路器规则)

TB/T2055-1999 （机车真空断路器技术条件）

TB/T3021-2001 （铁道机车车辆电子装置）

GB/T17626.5-2008 （电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验）

6 主要技术特点

①采用先进的复合绝缘材料，具有抗老化、防紫外线、高强度及优良的电气绝缘性能；

②断路器主体采用先进的APGP注射成型工艺加工技术；

③专门研制的长寿命的真空灭弧室；

④国家专利技术的永磁操动机构；

⑤开关内部结构简洁、稳定性好；

⑥可靠性高；

⑦与机车原有主断路器有互换性。

7 结束语

“1+1”电力机车智能真空主断路器于2009年5月19日在福州机务段的SS3B4045机车上安装试用，运用至今仅出现过一次真空断路器控制预备中间继电器联锁线断，导致继电器不得电，机车无压无流。但正因为这种断路器有两台断路器，运行中司机通过切换，启用另一台断路器，照常运行，回段处理，不造成机破。这也正体现了这种断路器的优越性。