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一种防污闪自负荷闸刀开关的研究设计

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：杨二强

[导读] 摘要：目前在现有机车上所使用的自负荷闸刀开关（如图1烧损实例所示），均是采用普通绝缘板材料制造，绝缘强度和耐压等级都较低，同时产品结构设计紧凑，经常因污闪造成闸刀开关安装底板烧损，引起起火。

        国网山西省电力公司吕梁供电公司变电运检室（汾阳）山西吕梁 032000
        摘要：目前在现有机车上所使用的自负荷闸刀开关（如图1烧损实例所示），均是采用普通绝缘板材料制造，绝缘强度和耐压等级都较低，同时产品结构设计紧凑，经常因污闪造成闸刀开关安装底板烧损，引起起火。机车火灾直接威胁司乘人员及旅客的人身安全和国家财产安全，总公司、铁路局及机务段已经在防止机车火灾事故上投入了大量人力和物力，以物防技防手段杜绝火灾事故的发生。
        关键词：防污闪；自负荷闸刀；研究设计
        1 烧损原因分析
        通过对机车走车电路、自负荷闸刀使用状态、制动电阻以及烧损的自负荷闸刀底板调查情况，排除自负荷闸刀在闭合位烧损的可能，确认该闸刀底板烧损的直接原因是污闪造成。造成污闪的条件是自负荷闸刀端子间有粉尘及端之间有高压形成的电场导致绝缘底板吸附粉尘。
        1.1 自负荷闸刀端子间粉尘的形成
        该自负荷闸刀处于电器柜右侧上部，下部安装的是磁场削弱电阻，电阻背部安装有石棉隔热板。机车运行过程中，空气途径是由车体左侧百叶窗进入后，一部分空气经电器柜即4-6自负荷闸刀，进入主整流柜、通风机以冷却主整流柜及前台车牵引电动机。而1-3自负荷闸刀所处的位置不存在这条空气径路。同时当磁消电阻发热后，沿电阻背部隔热板形成上升的热气流进一步加大4-6自负荷闸刀底板背部的空气流动。
        由于空气中的粉尘流经自负荷闸刀端子，自负荷闸刀两端子之间长期处于断开位置，两端子间承受较大的直流电压，在机车加载运行时，自负荷闸刀两端子之间具有恒定方向的电场力，带电离子电荷在电场力作用下吸附在两端子间的底板上，导致端子周围的电场增大，离子电荷在电场作用下做定向运动而形成离子流，在直流电场的作用下，造成底板安装螺栓吸附粉尘及带电离子，由于直流电场与交流电场的差异，不具备过零特性，因此在底板处形成稳定的赃物带。
        1.2 自负荷闸刀端子间高压电场的形成
        自负荷闸刀两端子之间长期处于断开位置，两端子间承受较大的电压，特别是迅速加载以及主发电机剩磁的作用下，当 1-6C主接触器未接通时，主整流柜输出处于开路状态，导致自负荷闸刀两端子间承受极高的瞬间高压，造成两端子间极高的电场。
        主接触器进行电控接触器改电磁接触器后，主接触器断开速度远远高于电空接触器的断开速度，故此在1-6C线圈回路加装一个0.5S的4SJ时间继电器，以防止LC主触头在断开拉弧过程中1-6C断开。如果该时间继电器失效，在LC未彻底断开前主接触器1-6C断开时，同样在主回路形成极高的电压，造成两端子间产生极高的电场。
        由于LC、LLC主、辅助触头动作的同步性辅助联锁的断开时刻早于主触头断开时，一样在主回路产生瞬间高压，形成两端子间极高电场。
        1.3 绝缘底板污闪烧损的形成
        自负荷闸刀两端子之间粉尘及带电离子在电场作用下，离子电荷移动形成离子流，导致端子周围的电场增大，离子电荷在电场作用下做定向运动而形成离子流，形成赃物带。由于交流电压随时间作周期性变化，对应电压上半个周期因电晕放电产生的离子，在下半个周期因电压极性改变，又几乎全被拉回导线，带电离子只在导线周围很小的区域内作往返运动，而直流电形成的电场稳定，一旦发生闪络放电，只能是极快加强。
        同时由于游离气体的污染，引起绝缘下降。当电场强度足够大时，将产生辉光放电，继而产生局部电弧。这时，染污介质的表面相当于局部电弧串联着一段污层电阻。随局部电弧的不断发生和发展达到和超过临界状态时，电弧贯穿两端子，导致两端子间闪络放电。
        当自负荷闸刀两端子间发生持续放电，导致热量持续积累，从而导致绝缘材料碳化积累于两端子之间，最后形成碳化通道，持续一段时间后，碳化通道逐渐延伸，缩短了端子间绝缘距离，最终导致绝缘击穿导电后烧损，发生污闪短路。
        2 技术方案确定
        根据用户现场使用所存在的问题和需要，目前主要针对DF4系列机车的自负荷闸刀开关进行方案设计改造。
        新型闸刀开关安装板选材为GPO-3绝缘板，结构借原有自负荷闸刀开关外形及安装尺寸的基础，进行改进设计，在两极端子间设计了空气对流通道口（如图2所示），通过空气对流通道，机车在运行过程中产生空气对流，可减少和防止粉尘飘落和堆积到闸刀开关两端子间，而防止污闪现象的发生。

图1

                                  图2
        3 研制过程
        3.1 选材
        新型自负荷闸刀开关安装板采用GPO-3绝缘板。该板材由无碱玻璃纤维毡板浸以不饱和聚酯树脂糊，并添加相应的添加剂经热压而成的硬性板状绝缘材料。GPO-3，又称UPGM-203，指的是不饱和聚酯玻璃纤维毡板材料，机械和电气用，高湿下电气性能好，中等温度下机械性能好，具有阻燃性，耐电弧和耐抗漏电痕迹性能佳的特点，同时加工工艺性优良。GPO-3 绝缘板板材的耐温等级、机械强度和耐压等级都高于以往闸刀开关采用的3240环氧层压板（耐温等级GPO-3为F级，3240为B级；冲击强度GPO-3为475kJ，3240为33KJ；耐压等级GPO-3为45kV，3240为35kV）。
        GPO-3绝缘板应用领域如下：
        在断路器中的应用：框架式断路器安全挡板、安全遮板、间隔衬垫、相间隔板、灭弧室隔弧板等。
        在电机马达中应用：电机电枢部件，活动盖板，槽楔定子、定垫片，薄垫片，碳刷座等。
        在机车库用转换开关中应用：壳体及安装底板、侧板等。
        3.2 结构设计
        结构借原机车上自负荷闸刀开关外形及安装尺寸的基础，进行了优化改进和创新设计，在两极端子间设计了空气对流通道口，通道口的轮廓边缘均设计成45度角的斜面，通过空气对流通道，机车在运行过程中产生空气对流，可减少和防止粉尘飘落和堆积到闸刀开关两端子间，而防止污闪现象的发生。空气对流通道口设计也大大提高两端子间的爬电距离，两端子间耐压值可以达到10KV 1min无击穿和闪络。
        安装板表面采用真空浸漆，具有防静电、防潮、防霉和提高整体机械强度及绝缘强度等性能。另外，闸刀开关安装板上的紧固件安装孔，均设计为沉孔，螺钉的头部均采用环氧树脂封灌在沉孔内，以防止粉尘和带电离子吸附。
        闸刀开关的电压和电流由原来的800V/700A，提升到了1100V/930A。
        4 研制总结
        通用标准化设计，该闸刀开关在既有车型的自负荷闸刀改造项目中均可应用，外形尺寸及安装尺寸均保持一致。
        互换性设计，不同位置的闸刀开关之间均可以互换安装。
        创新设计，两极端子间的空气对流通道口设计，解决了污闪现象的发生，从而提高了电气性能。
        可靠性设计，安装板表面采用真空浸漆工艺。另外，闸刀开关安装板上的紧固件安装孔，均设计为沉孔，采用环氧树脂封灌。
        结构简单，实用性强，在现有机车条件中改造，互换性好，投入成本低，可有效减少今后在维护方面投入的人力和物力，具有一定的市场前景。
        新型自负荷闸刀开关已通过型式试验，并投入机务段试运用考核。该产品已取得实用新型专利。
        参考文献：
        [1]GB/T11022-1999，高压开关设备和控制设备标准的共用技术条件[S].
        [2]TB/T3251.1-2010，轨道交通绝缘配合第1部分：基本要求电工电子设备的电气间隙和爬电距离[S].
        [3]陈勇，许宏森.东风4型内燃机车自负荷闸刀误闭合在电阻制动时造成逆电事故的原因分析[J].机车电传动，1993（03）.
        [4]刘志刚.DF11型机车自负荷控制电路的改进方案[J].硅谷，2012（02）.