楊斯泐，郭旭剛，郭晨曦,2，王 坤

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路與城軌交通系統(tǒng)技術(shù)國家工程研究中心， 北京100081）

隨著我國鐵路事業(yè)快速發(fā)展，動(dòng)車組高壓供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性是運(yùn)行安全的重要組成部分，是保證列車運(yùn)行高速、安全、可靠的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。既有動(dòng)車組高壓設(shè)備大多數(shù)安裝在車頂，無法避免地受到雨雪、污穢和氣流等影響，造成了高壓設(shè)備故障率的提高和壽命的縮短。

動(dòng)車組采用高壓設(shè)備箱這種布置方式，通過密閉空間的設(shè)備箱體隔離了外界環(huán)境因素的影響，從而使列車的整個(gè)高壓系統(tǒng)的適應(yīng)能力大大增強(qiáng)，能夠運(yùn)用于各類線路，適應(yīng)我國大范圍的運(yùn)營現(xiàn)狀。

高壓設(shè)備箱內(nèi)包含避雷器、互感器、主斷路器、高壓接地開關(guān)、高壓隔離開關(guān)等。箱體內(nèi)空間較為局促，各高壓設(shè)備的布局和電磁場情況較為復(fù)雜，還涉及到高壓電纜的出線布置方式和連接情況。目前高壓設(shè)備箱主要采用戶外高壓部件的戶內(nèi)布置方式，獨(dú)立的高壓部件在滿足現(xiàn)有戶外運(yùn)用絕緣水平的基礎(chǔ)上進(jìn)行戶內(nèi)化設(shè)計(jì)和布局。因箱體內(nèi)部絕緣間隙較小，局部位置通過增加絕緣涂層或絕緣板的方案來滿足要求，并經(jīng)過高壓設(shè)備箱的絕緣試驗(yàn)驗(yàn)證，空氣絕緣方式室內(nèi)空間已達(dá)到極限，無法滿足更高絕緣強(qiáng)度和小型化的需求。文中在研究既有高壓設(shè)備箱發(fā)展、技術(shù)條件、布置方式基礎(chǔ)上，提出C-GIS（氣體絕緣封閉開關(guān)）等新技術(shù)方案，分析其可行性，并對其可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，在明確高壓設(shè)備箱的技術(shù)條件和要求基礎(chǔ)上，提出關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，對后續(xù)動(dòng)車組高壓設(shè)備箱的研制提供參考。

1 動(dòng)車組高壓設(shè)備箱綜述

1.1 動(dòng)車組高壓設(shè)備箱的發(fā)展

目前我國運(yùn)營早期動(dòng)車組高壓電氣設(shè)備仍采用車頂戶外安裝方式，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但受天氣、環(huán)境情況影響較大，也增加了維護(hù)成本和時(shí)間，縮短了高壓電氣設(shè)備的使用壽命。中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組開始采用了自主化高壓設(shè)備箱方案，通過合理安排設(shè)備布局，能夠初步滿足現(xiàn)有動(dòng)車組高壓系統(tǒng)的運(yùn)營需求［1-2］。

國內(nèi)早期運(yùn)用的動(dòng)車組采用高壓設(shè)備箱方式為CRH2 型、CRH380A 型和CRH380D 型動(dòng)車組，其高壓設(shè)備箱設(shè)計(jì)思想并不相同。其中CRH2 型、CRH380A 型動(dòng)車組高壓設(shè)備箱內(nèi)包含真空斷路器和避雷器等部分高壓設(shè)備，并不是完全意義上的高壓設(shè)備理想安裝方式，此種高壓設(shè)備箱布置方式為過渡型方案，通過部分高壓部件放置于箱體內(nèi)，但相對于其他國內(nèi)動(dòng)車組戶外布置方式，CRH2 型、CRH380A 型動(dòng)車組車頂高壓設(shè)備布置簡潔、緊湊［3］。

某型動(dòng)車組為使其在高速運(yùn)行過程中最大限度地減少空氣阻力、降低氣動(dòng)噪聲，動(dòng)車組將受電弓布置于車頂?shù)陌疾蹆?nèi)，除受電弓、絕緣子和網(wǎng)側(cè)避雷器之外的高壓設(shè)備均集中布置于密閉的設(shè)備箱內(nèi)，此設(shè)備箱采用戶內(nèi)化設(shè)計(jì)，內(nèi)部高壓電器部件進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì)，箱體外形與車體平齊，其技術(shù)指標(biāo)絕緣要求較低，能夠有效減少高速運(yùn)行產(chǎn)生的風(fēng)阻及噪音并便于維護(hù)和運(yùn)用。

1.2 動(dòng)車組高壓設(shè)備箱頂層技術(shù)條件

高壓設(shè)備采用集成高壓設(shè)備箱方案，將除受電弓、絕緣子、網(wǎng)側(cè)避雷器外的其余高壓部件放置于集成高壓設(shè)備箱內(nèi)。

高壓設(shè)備箱的電氣性能試驗(yàn)內(nèi)容和方法符合GB/T 21413.1—2018《軌道交通 機(jī)車車輛電氣設(shè)備 第1 部分：一般使用條件和通用規(guī)則》的規(guī)定，主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合表1 規(guī)定。高壓設(shè)備箱方案應(yīng)考慮浸水防護(hù)功能。

表1 高壓設(shè)備箱主要技術(shù)參數(shù)

2 動(dòng)車組高壓設(shè)備箱布置方案研究

復(fù)興號動(dòng)車組高壓設(shè)備箱主要分為車下和車頂2 種安裝方式，主要受限于車頂安裝空間、車下安裝空間、高壓電纜接頭、車端過橋電纜方案。

2.1 車下方案高壓設(shè)備箱

某型標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高壓設(shè)備箱車下方案延續(xù)了CRH2 型動(dòng)車組車下設(shè)置設(shè)備箱安裝的經(jīng)驗(yàn)，采用內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)的高壓連接頭以及貫穿車間的高壓電纜實(shí)現(xiàn)車端連接，具體方案如下圖1 所示。

圖1 高壓設(shè)備箱車下布置方案示意圖

此平臺標(biāo)動(dòng)采用車頂方案箱體高度530 mm，而車下方案箱體高度640 mm，較大的箱體電氣間隙能夠保證箱內(nèi)高壓電氣設(shè)備的優(yōu)化布局，承受更大的外絕緣強(qiáng)度。此外CRH2 型動(dòng)車組安裝的電纜接頭和車端過橋電纜及內(nèi)絕緣電纜連接器有成熟的產(chǎn)品進(jìn)行匹配，能夠在成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上完成設(shè)備升級迭代工作，故選用車下布置方案。

2.2 車頂方案高壓設(shè)備箱

某型標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高壓系統(tǒng)主電路型式采用成熟的CRH380 系列動(dòng)車組車頂高壓設(shè)備主電路基本架構(gòu)，在3 車和6 車車頂二位端布置了受電弓和高壓設(shè)備箱，通過位于4 車和5 車的高壓電纜連接，車頂高壓電氣布置如圖2 所示。

圖2 高壓設(shè)備箱車頂布置方案示意圖

高壓設(shè)備箱的尺寸為1 500 mm×2 000 mm×370 mm，高壓設(shè)備箱自帶頂蓋，頂蓋為絕緣材質(zhì)。某型標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車頂高壓設(shè)備電氣布局設(shè)計(jì)將斷路器、互感器、絕緣子、高壓電纜頭等高壓設(shè)備集中封裝在一個(gè)高壓設(shè)備箱體內(nèi)。通過高壓設(shè)備箱體隔離了外界雨霧、污穢、氣流等因素的影響，有效地改善了高壓電氣設(shè)備的工作環(huán)境，提高了其線路適應(yīng)能力。

3 C-GIS 型高壓設(shè)備箱

3.1 必要性和意義

基于某型動(dòng)車組高壓設(shè)備箱的要求及動(dòng)車組高壓系統(tǒng)模塊化需求，進(jìn)行針對性研發(fā)設(shè)計(jì)。目前動(dòng)車組的高壓電器設(shè)備主要集中布置在車頂，受到車頂高度的局限，目前中國動(dòng)車組使用的，基于高壓電器的外絕緣強(qiáng)度的高壓設(shè)備箱已無法得到進(jìn)一步優(yōu)化。

為解決此問題，采用電力行業(yè)中高壓電力設(shè)備成熟的C-GIS 技術(shù)，將主要高壓電器部件密閉于高壓設(shè)備箱內(nèi)，其內(nèi)部充六氟化硫（SF6）氣體。極強(qiáng)的負(fù)電性使SF6具有優(yōu)良的絕緣特性和優(yōu)良的熄弧能力，減小高壓部件的電氣間隙，提高高壓開關(guān)性能，達(dá)到高壓設(shè)備箱小型化的目的。同時(shí)將動(dòng)車組高壓電器設(shè)備與大氣隔絕，最大限度地減少了空氣污染帶來的異常放電的系統(tǒng)故障，進(jìn)而提高了車頂高壓絕緣的環(huán)境適應(yīng)能力［4］。

3.2 C-GIS 型高壓設(shè)備箱方案及可行性分析

對高壓設(shè)備箱進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，一共分為4 類模塊：高壓開關(guān)模塊、電壓互感器模塊、電流互感器模塊、避雷器模塊。高壓開關(guān)模塊包括由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)組成，密封在充有SF6氣體的箱體內(nèi)。其余模塊均采用全絕緣插接式設(shè)計(jì)，電纜連接，無任何裸露帶電體，設(shè)備箱布置如圖3所示。各個(gè)功能單元能實(shí)現(xiàn)模塊化拼接和生產(chǎn)，更換快捷，滿足箱體小型化的設(shè)計(jì)要求。

圖3 C-GIS 型高壓設(shè)備箱示意圖

設(shè)備箱需采用的可插拔式無間隙金屬氧化物避雷器；可插拔式干式電壓互感器；低壓穿心式干式電流互感器；包括可插拔式內(nèi)錐連接器，這些技術(shù)在中壓C-GIS 上早已開始應(yīng)用，效果理想。高速鐵路對動(dòng)車組高壓電氣設(shè)備的工作可靠性要求日益提高，免維護(hù)要求是高壓設(shè)備箱設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想之一。由于鐵路的安全要求，產(chǎn)品的長期運(yùn)行可靠性成為設(shè)備設(shè)計(jì)的第一目標(biāo)。

C-GIS 型高壓設(shè)備箱需要解決整體電氣的可靠性和整體機(jī)械的可靠性問題。

整體電氣可靠性包括：滅弧箱體內(nèi)真空斷路器開斷和關(guān)合性能，主導(dǎo)電回路電接觸可靠性，短路電流沖擊下電熱及電動(dòng)穩(wěn)定性，高壓部件內(nèi)外絕緣可靠性等。

產(chǎn)品機(jī)械可靠性包括：隔離開關(guān)、真空斷路器等操作機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分合操作可靠性及其壽命長短，運(yùn)行振動(dòng)及工作頻度要求等［5］。

對于高壓開關(guān)模塊，目前電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用40.5 kV 等級C-GIS 設(shè)備，并且開發(fā)的40.5 kV C-GIS 在全國如安徽、寧夏、福建、四川、陜西等地，尤其是青海、西藏這種高海拔地區(qū)都取得了相當(dāng)豐富的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合到動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行狀況，不僅有普通線路1 500 m 海拔以下，還有新蘭線這樣3 500 m 的高海拔線路。研制的40.5 kV C-GIS 與本項(xiàng)目的高壓開關(guān)模塊技術(shù)要求基本類似，所以將采用相對成熟的真空永磁技術(shù)，直動(dòng)隔離開關(guān)技術(shù)，作為研發(fā)的有力技術(shù)支撐。中壓CGIS 技術(shù)經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，目前在中壓領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，技術(shù)已相對成熟可靠，但其設(shè)計(jì)最終應(yīng)該通過試驗(yàn)來驗(yàn)證，不能依賴產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行考核。

產(chǎn)品完成型式試驗(yàn)要求是基礎(chǔ)要求，此外進(jìn)行電壽命試驗(yàn)、機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)、高低溫環(huán)境下操作試驗(yàn)等可靠性試驗(yàn)也是十分必要的。

4 C-GIS 型高壓設(shè)備箱風(fēng)險(xiǎn)分析

與目前使用的動(dòng)車組高壓電器設(shè)備對比分析，動(dòng)車組C-GIS 型高壓設(shè)備箱風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

SF6氣箱防爆設(shè)計(jì)；高壓氣箱的密封性保障；振動(dòng)、沖擊對主斷路器合分的影響；振動(dòng)、沖擊對插拔件密封和絕緣性能的影響。

4.1 SF6 氣箱的防爆分析

C-GIS 設(shè)備內(nèi)部故障電弧持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，電弧能量使箱體內(nèi)SF6氣體升溫增壓，可能使箱體內(nèi)薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)。多年以來SF6開關(guān)的實(shí)際運(yùn)行狀況來看，還未發(fā)生過SF6氣箱爆炸事件。盡管SF6氣箱爆炸的幾率極低，但是潛在的風(fēng)險(xiǎn)是存在的，應(yīng)針對風(fēng)險(xiǎn)可能發(fā)生的條件進(jìn)行分析，做相應(yīng)的預(yù)防措施。

低壓配置的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，斷路器仍利用真空滅弧室進(jìn)行開斷動(dòng)作。絕緣強(qiáng)度的提升和真空滅弧分?jǐn)嗉夹g(shù)二者的優(yōu)點(diǎn)可有效地結(jié)合起來。真空斷路器在正常開斷過程中不產(chǎn)生壓力變化，因而爆炸的危險(xiǎn)性較小，同時(shí)依靠低壓力的SF6作絕緣介質(zhì)，可以充分發(fā)揮SF6絕緣性能特點(diǎn)。如果萬一發(fā)生故障造成氣壓驟增，為了保護(hù)車內(nèi)人員的人身安全，將在每個(gè)氣箱側(cè)面薄弱處安裝防爆膜，通過防爆膜的首先破裂，提供壓力釋放通道迅速排入大氣中，因有車頂蓋板的隔離，SF6氣體無法進(jìn)入車內(nèi)。

影響SF6氣體間隙絕緣特性最重要的因素是電場的均勻性，電場均勻程度對氣體間隙擊穿電壓影響遠(yuǎn)大于空氣絕緣。在設(shè)計(jì)時(shí)，通過零部件圓角處理，避免棒—板間隙結(jié)構(gòu)，通過電場仿真和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的手段，來達(dá)到優(yōu)化電場設(shè)計(jì)的目的。

4.2 高壓氣箱的密封結(jié)構(gòu)分析

密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是C-GIS 設(shè)備的基本要求，密封性能的優(yōu)劣對高壓設(shè)備箱性能有著重要影響。采用完善實(shí)用的SF6開關(guān)內(nèi)殼焊接工藝流程保證高壓氣箱的密封性，重點(diǎn)解決泄露和防漏的問題。

在保證產(chǎn)品電氣性能的前提下，盡量降低充氣壓力，也是保證氣密性和減少漏氣點(diǎn)的有效辦法。使用真空箱氦檢漏控制系統(tǒng)進(jìn)行等壓抽真空、充氦檢漏，進(jìn)行嚴(yán)格的檢漏操作。

考慮到動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行情況，采用動(dòng)密封設(shè)計(jì)，增加緩沖裝置減少振動(dòng)、沖擊對箱體密封性的影響，并保證密封部位的防水和防腐措施。通過研究性試驗(yàn)，驗(yàn)證高壓氣箱的抗振動(dòng)、沖擊能力。每個(gè)氣箱還可根據(jù)需要配備密度繼電器，監(jiān)測CGIS 箱內(nèi)氣體的密度變化，氣壓過高過低可及時(shí)報(bào)警。

4.3 環(huán)境溫度變化對設(shè)備箱的影響

高壓設(shè)備箱隨著動(dòng)車組全國大范圍運(yùn)行，存在從高溫地區(qū)至低溫地區(qū)的短時(shí)間運(yùn)營，并安裝于車頂存在日照、高寒等環(huán)境影響。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)選用的絕緣材料應(yīng)具有良好的耐熱老化性能，受日照溫升影響，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的通流能力比產(chǎn)品的額定電流值應(yīng)至少提升10%。

高寒地區(qū)運(yùn)行時(shí)，其密封材料應(yīng)具有良好的耐低溫性能，操作機(jī)構(gòu)應(yīng)有保溫結(jié)構(gòu)。低溫會(huì)導(dǎo)致SF6液化而使氣體密度低于允許值，可采用低氣壓開關(guān)或選裝溫控加熱保護(hù)套，減少低溫的影響。

4.4 振動(dòng)、沖擊對插拔件密封和絕緣性能的影響

動(dòng)車組用高壓部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，4 大模塊之間采用全絕緣插接式拼接組裝。在產(chǎn)品底座和安裝基礎(chǔ)增設(shè)減震器或阻尼器，用來吸收部分振動(dòng)能量，使設(shè)備阻尼增大10%～15%，從而提高抗振動(dòng)、抗沖擊能力。并在設(shè)計(jì)中將模塊中的多個(gè)硬性連接設(shè)計(jì)為柔性連接；在安裝方面增加緩沖裝置，增加固定位置，消除模塊間的相對運(yùn)動(dòng)。

在絕緣性能方面，設(shè)計(jì)之初就考慮到在不影響外形尺寸的同時(shí)，加大絕緣裕度。確保達(dá)到要求絕緣性能的條件下，留有更大的安全空間。

全絕緣插接技術(shù)已是中壓C-GIS 的成熟技術(shù)，從設(shè)計(jì)和安裝進(jìn)行優(yōu)化，借鑒成功經(jīng)驗(yàn)，能夠保證抗振動(dòng)、沖擊的密封性和絕緣性能。

5 結(jié) 論

文中通過對動(dòng)車組高壓設(shè)備箱的來源和發(fā)展進(jìn)行介紹，對高壓設(shè)備箱的頂層技術(shù)條件進(jìn)行了分析，并對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高壓設(shè)備箱的布置方案進(jìn)行研究。提出了應(yīng)用C-GIS 新技術(shù)作為未來動(dòng)車組高壓設(shè)備的方案和可行性研究。從安全性、可靠性等方面對高壓設(shè)備箱設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。從模塊化設(shè)計(jì)的角度，高壓設(shè)備箱需依據(jù)機(jī)車頂部外形尺寸設(shè)計(jì)成小型化扁平箱體，達(dá)到小型化、強(qiáng)絕緣的要求，以滿足進(jìn)一步降低列車高度和提升空氣動(dòng)力學(xué)的要求。在維持原有車頂電器技術(shù)參數(shù)基礎(chǔ)上，需重新設(shè)計(jì)相關(guān)高壓設(shè)備和箱體，并采用全絕緣接插技術(shù)進(jìn)行部件布置。由于密封箱體里的電器是免維護(hù)的，所以必須保證電器的使用壽命長、可靠性高等。這些對電器的研發(fā)及制作、原材料選用等提出了較高的要求。動(dòng)車組C-GIS 型高壓設(shè)備箱的開發(fā)條件較為成熟，未來研制使用將可提高動(dòng)車組運(yùn)營的安全性，而標(biāo)準(zhǔn)化、小型化的高壓設(shè)備箱能夠?yàn)槲磥頊p重、降耗貢獻(xiàn)力量，可進(jìn)一步應(yīng)用在更高速等級動(dòng)車組、雙層動(dòng)車組等，進(jìn)而提升機(jī)車車輛高壓系統(tǒng)的技術(shù)能力。