杜加亮

摘 要：高壓柜作為城市軌道車輛中重要組成部分，其性能直接影響到車輛的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文從主電路分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全性等方面詳細(xì)介紹了一種集成式設(shè)計(jì)的高壓柜。

關(guān)鍵詞：城軌；高壓柜；設(shè)計(jì)；仿真

高壓柜是電氣牽引系統(tǒng)主電路的前級(jí)構(gòu)成部分， 是牽引高壓回路的保護(hù)開(kāi)關(guān)，給車輛上的牽引設(shè)備提供過(guò)流和短路保護(hù)，同時(shí)也為輔助系統(tǒng)提供過(guò)流保護(hù)以及車間電源供電。針對(duì)上述對(duì)高壓柜的特殊需求，設(shè)計(jì)了一種集成式高壓柜。

1 主要參數(shù)及整體方案

1.1 主要參數(shù)

高壓柜的主要參數(shù)：

a.額定輸入電壓：DC1500V b.輸入電壓范圍：DC1000V～DC1800V c.牽引支路額定輸出電流：2×DC450A d.輔助支路額定輸出電流：2×DC147A e.高速斷路器脫扣值ids：1500A f.質(zhì)量：420kg。

1.2 主電路原理圖

高壓柜原理圖如圖1。正常運(yùn)行時(shí)，DC1500V電源從受電弓，經(jīng)過(guò)三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（BQS）、高速斷路器（HB1＼HB2），將電源輸送到本＼它車牽引逆變器；經(jīng)過(guò)三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（BQS）、隔離二極管（1D01）、輔助熔斷器（F1＼F2），將電源輸送到本＼它車輔助逆變器；庫(kù)內(nèi)調(diào)試時(shí)DC1500V電源從車間電源插座（WXP）將電源輸送到本＼它車輔助逆變器。停車檢修時(shí)三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)使高壓電路在無(wú)電的狀態(tài)下可靠接地，避免人身危險(xiǎn)。隔離二極管（1D03＼1D02）用于隔離車間電源插座。

1.3 主電路參數(shù)計(jì)算

1） 輔助熔斷器。輔助逆變器采用分散供電，F(xiàn)1與F2支路電流相同，平均電流值為：

PSIV—輔助逆變器額定功率

UM—額定輸入電壓

過(guò)載系數(shù)：一般取1.2～1.6

溫度降容系數(shù)：0.88 （45℃）

熱連接降容系數(shù)：0.85 （連接母排載流量2～3A/mm2）

分散式供電：In=147×1.2/0.88/0.85≈236（A）

城軌線路時(shí)間常數(shù)取15ms

故采用2000V/315A的熔斷器。

2） 高速斷路器。每一個(gè)高速斷路器給每輛動(dòng)車的牽引逆變器（VVVF）提供保護(hù)，高速斷路器僅用于牽引回路，其動(dòng)作由牽引控制單元（DCU）或過(guò)流脫扣裝置觸發(fā)。牽引逆變器的主要參數(shù)：a.額定電流DC450A b.額定電壓DC1500V c.最大工作電流DC1070A，考慮到最大工作電流為DC1070A，乘以保護(hù)系數(shù)K，取脫扣值ids=1500A。故采用1800V/1000A/ids=1500A的高速斷路器。

3） 隔離二極管。隔離二極管主要用于隔離輔助、牽引回路?？紤]車輛帶兩個(gè)輔助逆變器工況，故采用ZP8-600-36元件的二極管，其額定電流為600A，反向峰值電壓為3600V。

4） 三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)用于主電路的轉(zhuǎn)換，需要手動(dòng)操作。車輛投入運(yùn)行前，應(yīng)將三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置“運(yùn)行”位，接通相應(yīng)的牽引、輔助電路；車輛車間電源供電時(shí)，將三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置“車間電源”位，在插入車間電源插頭后，先供電庫(kù)用插座，再控制地面的直流接觸器，將車間電源送入輔助逆變器；在列車檢修時(shí)，必須將三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置“接地”位。三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)功能見(jiàn)圖1。根據(jù)上述功能，可以確定三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的額定參數(shù)：額定電壓DC1800V，額定電流1400A（運(yùn)行）、500A（車間電源、接地）。

5） 車間電源插座?？紤]車輛庫(kù)內(nèi)工作帶兩個(gè)輔助逆變器調(diào)試或動(dòng)車，故采用1500V/ 530A的車間電源插座。

2 高壓柜設(shè)計(jì)分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

高壓柜通過(guò)6個(gè)吊耳安裝在車輛底架上，由于高壓柜縱向和車輛運(yùn)行方向相同，故吊耳采用貫穿梁方式。

高壓柜的結(jié)構(gòu)采用不銹鋼板材焊接，設(shè)計(jì)時(shí)盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少焊接點(diǎn)。

在組裝時(shí)，為了固定絕緣子，采用了焊接不銹鋼螺柱的方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固可靠。

高壓柜在鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，設(shè)計(jì)了扎線桿，以方便線纜的捆扎和布置。在器件的安裝板上，設(shè)置有固定元寶線托的孔，可以用于固定線纜。

2.2 電氣設(shè)計(jì)分析

高壓柜采用高、低壓器件分開(kāi)布置，充分考慮組裝和維護(hù)的影響，并且按照功能單元將器件設(shè)計(jì)為組件，方便裝卸。高壓柜內(nèi)主電路連接采用銅母線，個(gè)別器件的連接用電纜實(shí)現(xiàn)。對(duì)外電氣連接統(tǒng)一設(shè)計(jì)在柜體背面，高壓通過(guò)功率電纜連接，低壓控制繼電器單元通過(guò)矩形連接器連接。電氣設(shè)備布置如圖2所示。

A-受電弓進(jìn)線；B-輸出到車間電源箱；C-輸出到本車輔助逆變器；D-輸出到它車輔助逆變器；E-三位置開(kāi)關(guān)接地位輸出；F-低壓矩形連接器；G-輸出到它車牽引逆變器；H-輸出到本車牽引逆變器；I-高壓柜體接地點(diǎn)x4；J-高壓柜吊耳x6；

2.3 安全設(shè)計(jì)

高壓柜主電路的電氣元件電壓等級(jí)高，其安全設(shè)計(jì)必須采取可靠的接地，不帶電操作及安全提示等。

a）三位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)操作區(qū)域無(wú)強(qiáng)、弱電，操作手柄為絕緣手柄保證了操作、安裝及檢修人員的人身安全。

b）輔助熔斷器前設(shè)置有透明觀察板，既可以隔離高壓帶電部分，又可以方便觀察輔助熔斷器狀態(tài)。

c）高壓柜兩側(cè)各焊接2個(gè)不銹鋼接地螺柱，用軟銅絞線將高壓柜與車體可靠連接。

d）柜內(nèi)的設(shè)備安裝板、柜門都與高壓柜骨架采用銅絞線或不銹鋼板材等實(shí)現(xiàn)可靠接地。

3 高壓柜的仿真計(jì)算

利用HyperMesh、ANSYS仿真軟件，對(duì)高壓柜進(jìn)行仿真分析。

3.1 有限元模型

高壓柜柜體結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱，故取整體結(jié)構(gòu)建立有限元力學(xué)模型，離散時(shí)采用四邊形為主，極少數(shù)為三角形的板殼單元，電氣部件劃分為六面體為主，極少數(shù)為棱柱體的體單元。x方向是車體行進(jìn)方向，y方向是垂向，z方向是橫向。

3.2 靜強(qiáng)度仿真分析

不同載荷情況的計(jì)算過(guò)程如圖3左所示。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，高壓柜在各個(gè)方向上的抗沖擊強(qiáng)度滿足要求。

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率及相應(yīng)的振型，可以判斷結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)作用下是否會(huì)發(fā)生共振。為避免設(shè)備在裝車運(yùn)行過(guò)程中在外部激勵(lì)的作用下產(chǎn)生共振導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，有必要對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析。在重力作用下對(duì)其前6階模態(tài)進(jìn)行分析：高壓柜前6階固有頻率分別為：35.6、36.3、37.0、42.1、43.7、46.6（Hz）?？梢钥闯龈邏汗竦那?階固有頻率都遠(yuǎn)高于一般車輛底架結(jié)構(gòu)固有頻率，可以有效避免產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真分析

隨機(jī)振動(dòng)分析采用GB/T 21563-2008《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定的ASD 頻譜。設(shè)備應(yīng)該經(jīng)受總共15h的試驗(yàn)，三個(gè)互相垂直的方向分別做5h。根據(jù)高壓柜重量小于500kg，選取f1=5Hz、f2=150Hz。疲勞分析是在隨機(jī)振動(dòng)分析得到結(jié)構(gòu)1σ、2σ、3σ Von Mises 最大應(yīng)力的基礎(chǔ)上，利用材料的P-S-N 曲線，并根據(jù)Steinberg 理論（結(jié)構(gòu)在隨機(jī)載荷作用下的響應(yīng)是基于高斯分布）和Miner線性疲勞累計(jì)損傷理論進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)高壓柜柜體的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估。假設(shè)材料為各向同性材料。在上述分析類型中為小變形、彈性分析類型。垂向、橫向、縱向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)1σ應(yīng)力分布見(jiàn)圖3右。通過(guò)上面靜強(qiáng)度、模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析結(jié)果可以看出：

（1）靜強(qiáng)度分析最大應(yīng)力大小為148.8MPa，靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求；

（2）第一階振動(dòng)頻率為35.6Hz，頻率較高；

（3） 垂向、橫向和縱向三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)1σ應(yīng)力分別為：66.6MPa、26.7MPa、52.8MPa，垂向、橫向和縱向的隨機(jī)疲勞的振動(dòng)損傷小于1，設(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高壓柜從主電路分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和安全性等方面作了詳細(xì)的分析，高壓柜采用集成式設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的簡(jiǎn)統(tǒng)性。通過(guò)HyperMesh、ANSYS仿真軟件對(duì)高壓柜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)疲勞進(jìn)行仿真計(jì)算，可以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低科研成本，縮短設(shè)計(jì)和試驗(yàn)周期，提高產(chǎn)品的可靠性。

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