一种集成式高压柜设计及强度仿真

高压柜是电气牵引系统主电路的前级构成部分, 是牵引高压回路的保护开关，给车辆上的牵引设备提供过流和短路保护，同时也为辅助系统提供过流保护以及车间电源供电。针对上述对高压柜的特殊需求，设计了一种集成式高压柜。

1 主要参数及整体方案

1.1 主要参数

高压柜的主要参数：

a.额定输入电压：DC1500V b.输入电压范围：DC1000V～DC1800V c.牵引支路额定输出电流：2×DC450A d.辅助支路额定输出电流：2×DC147A e.高速断路器脱扣值ids：1500A f.质量：420kg。

1.2 主电路原理图

高压柜原理图如图1。正常运行时，DC1500V电源从受电弓，经过三位置转换开关(BQS)、高速断路器(HB1\HB2)，将电源输送到本\它车牵引逆变器；经过三位置转换开关(BQS)、隔离二极管(1D01)、辅助熔断器(F1\F2)，将电源输送到本\它车辅助逆变器；库内调试时DC1500V电源从车间电源插座(WXP)将电源输送到本\它车辅助逆变器。停车检修时三位置转换开关使高压电路在无电的状态下可靠接地，避免人身危险。隔离二极管(1D03\1D02)用于隔离车间电源插座。

图1 高压柜及系统原理图

1.3 主电路参数计算

1) 辅助熔断器。辅助逆变器采用分散供电，F1与F2支路电流相同，平均电流值为：

I=PSIV/UM =220×103/1500≈147(A)

PSIV—辅助逆变器额定功率

UM—额定输入电压

过载系数：一般取1.2～1.6

温度降容系数：0.88 (45℃)

热连接降容系数：0.85 (连接母排载流量2～3A/mm2)

分散式供电：In=147×1.2/0.88/0.85≈236(A)

城轨线路时间常数取15ms

故采用2000V/315A的熔断器。

2) 高速断路器。每一个高速断路器给每辆动车的牵引逆变器(VVVF)提供保护，高速断路器仅用于牵引回路,其动作由牵引控制单元(DCU)或过流脱扣装置触发。牵引逆变器的主要参数:a.额定电流DC450A b.额定电压DC1500V c.最大工作电流DC1070A,考虑到最大工作电流为DC1070A，乘以保护系数K，取脱扣值ids=1500A。故采用1800V/1000A/ids=1500A的高速断路器。

3) 隔离二极管。隔离二极管主要用于隔离辅助、牵引回路。考虑车辆带两个辅助逆变器工况，故采用ZP8-600-36元件的二极管，其额定电流为600A，反向峰值电压为3600V。

4) 三位置转换开关。三位置转换开关用于主电路的转换，需要手动操作。车辆投入运行前，应将三位置转换开关置“运行”位，接通相应的牵引、辅助电路；车辆车间电源供电时，将三位置转换开关置“车间电源”位，在插入车间电源插头后，先供电库用插座，再控制地面的直流接触器，将车间电源送入辅助逆变器；在列车检修时，必须将三位置转换开关置“接地”位。三位置转换开关功能见图1。根据上述功能，可以确定三位置转换开关的额定参数：额定电压DC1800V，额定电流1400A(运行)、500A(车间电源、接地)。

5) 车间电源插座。考虑车辆库内工作带两个辅助逆变器调试或动车，故采用1500V/ 530A的车间电源插座。

2 高压柜设计分析

2.1 结构设计分析

高压柜通过6个吊耳安装在车辆底架上,由于高压柜纵向和车辆运行方向相同，故吊耳采用贯穿梁方式。

高压柜的结构采用不锈钢板材焊接，设计时尽量简化结构，减少焊接点。

在组装时，为了固定绝缘子，采用了焊接不锈钢螺柱的方式，结构简单牢固可靠。

高压柜在钢结构焊接时，设计了扎线杆，以方便线缆的捆扎和布置。在器件的安装板上，设置有固定元宝线托的孔，可以用于固定线缆。

2.2 电气设计分析

高压柜采用高、低压器件分开布置，充分考虑组装和维护的影响，并且按照功能单元将器件设计为组件，方便装卸。高压柜内主电路连接采用铜母线，个别器件的连接用电缆实现。对外电气连接统一设计在柜体背面，高压通过功率电缆连接，低压控制继电器单元通过矩形连接器连接。电气设备布置如图2所示。

A-受电弓进线；B-输出到车间电源箱；C-输出到本车辅助逆变器；D-输出到它车辅助逆变器；E-三位置开关接地位输出；F-低压矩形连接器；G-输出到它车牵引逆变器；H-输出到本车牵引逆变器；I-高压柜体接地点x4；J-高压柜吊耳x6;

1-高速断路器1；2-高速断路器2；3-低压控制继电器单元；4-隔离二极管1D01；5-三位置转换开关；6-辅助熔断器x2；7-车间电源插座；8-隔离二极管1D01/1D02；

图2 高压柜电气设备布置

2.3 安全设计

高压柜主电路的电气元件电压等级高，其安全设计必须采取可靠的接地，不带电操作及安全提示等。

a)三位置转换开关操作区域无强、弱电，操作手柄为绝缘手柄保证了操作、安装及检修人员的人身安全。

b)辅助熔断器前设置有透明观察板，既可以隔离高压带电部分，又可以方便观察辅助熔断器状态。

c)高压柜两侧各焊接2个不锈钢接地螺柱，用软铜绞线将高压柜与车体可靠连接。

d)柜内的设备安装板、柜门都与高压柜骨架采用铜绞线或不锈钢板材等实现可靠接地。

3 高压柜的仿真计算

利用HyperMesh、ANSYS仿真软件，对高压柜进行仿真分析。

3.1 有限元模型

高压柜柜体结构不完全对称，故取整体结构建立有限元力学模型，离散时采用四边形为主，极少数为三角形的板壳单元，电气部件划分为六面体为主，极少数为棱柱体的体单元。x方向是车体行进方向，y方向是垂向，z方向是横向。

3.2 静强度仿真分析

不同载荷情况的计算过程如图3左所示。

通过仿真结果可以看出，高压柜在各个方向上的抗冲击强度满足要求。

3.3 模态分析

模态分析可以得到结构的固有振动频率及相应的振型，可以判断结构在外界激励作用下是否会发生共振。为避免设备在装车运行过程中在外部激励的作用下产生共振导致结构破坏，有必要对其模态进行分析。在重力作用下对其前6阶模态进行分析:高压柜前6阶固有频率分别为：35.6、36.3、37.0、42.1、43.7、46.6(Hz)。可以看出高压柜的前6阶固有频率都远高于一般车辆底架结构固有频率，可以有效避免产生共振的风险。

3.4 随机振动疲劳仿真分析

随机振动分析采用GB/T 21563-2008《轨道交通 机车车辆设备冲击和振动试验》规定的ASD 频谱。设备应该经受总共15h的试验，三个互相垂直的方向分别做5h。根据高压柜重量小于500kg，选取f1=5Hz、f2=150Hz。疲劳分析是在随机振动分析得到结构1σ、2σ、3σ Von Mises 最大应力的基础上，利用材料的P-S-N 曲线，并根据Steinberg 理论(结构在随机载荷作用下的响应是基于高斯分布)和Miner线性疲劳累计损伤理论进行计算，从而对高压柜柜体的疲劳寿命进行预估。假设材料为各向同性材料。在上述分析类型中为小变形、弹性分析类型。垂向、横向、纵向随机振动时1σ应力分布见图3右。通过上面静强度、模态和随机振动疲劳分析结果可以看出：

(1)静强度分析最大应力大小为148.8MPa，静强度设计满足要求；

(2)第一阶振动频率为35.6Hz，频率较高；

(3) 垂向、横向和纵向三个方向的随机振动1σ应力分别为：66.6MPa、26.7MPa、52.8MPa，垂向、横向和纵向的随机疲劳的振动损伤小于1，设计满足要求。

图3 高压柜静强度仿真、随机疲劳仿真

4 结语

本文对高压柜从主电路分析计算、结构设计、电气设计和安全性等方面作了详细的分析，高压柜采用集成式设计，提高了产品的简统性。通过HyperMesh、ANSYS仿真软件对高压柜的结构强度、模态及随机振动疲劳进行仿真计算，可以指导产品设计，降低科研成本，缩短设计和试验周期，提高产品的可靠性。