31.5kV电力机车牵引断路器用真空灭弧室的研制

摘 要：在电力机车牵引断路器中，真空灭弧室起着电气连通、分断的重要作用，真空灭弧室的可靠运行是电力机车安全运行的根本。本文介绍一种机械寿命高、电寿命长、绝缘水平高的31.5 kV真空灭弧室。首先介绍了31.5 kV真空灭弧室的工作原理并主要从真空灭弧室的机械寿命高、真空灭弧室的电寿命长和真空灭弧室绝缘水平高3个方面分析了其关键技术。最后介绍了31.5 kV真空灭弧室的关键生产工艺。

关键词：机械寿命；电寿命；绝缘性能

中图分类号：TM56 文献标志码：A

0 引言

电力机车所用电能从接触网获得， 再由装在车顶的受电弓导入车体，然后经过主断路器进入牵引变压器的原边，降压后输入特殊形式的整流器和电抗器，使之成为电压可以平滑调节的直流电流，供给牵引电动机。

牵引断路器是电力机车的一个重要电气部件，安装在机车顶盖上，它是整车与接触网之间电气连通、分断的总开关，是机车上最重要的保护设备，当机车发生各种严重故障时能迅速、可靠、安全地切断机车总电源，从而保护电力机车。

机车行驶20 km～25 km要进行过分相操作，从而要求牵引断路器频繁操作，机械寿命达到25万次以上。

真空灭弧室是真空断路器的核心组件，对其电气性能可靠性、抗环境变化能力要求极高，“机械寿命”“电寿命”远远高于常规配电断路器用真空灭弧室的要求，为满足该领域产品需求，东芝白云真空开关管（锦州）有限公司依托多年制造真空灭弧室的经验及技术基础，自主研制开发出SVB-30L25M型真空灭弧室。

1 31.5 kV电力机车牵引断路器用真空灭弧室工作原理

真空灭弧室的基本结构：其外壳由陶瓷等无机绝缘材料制成，两端用金属盖板封接组成一个密闭容器，用高真空作为绝缘介质。由于动导电杆和金属盖板之间密封有波纹管，所以动导电杆可以沿轴向运动从而带动触头完成合、分动作。在触头和波纹管周围都设有屏蔽罩。当动、静触头在操动机构作用下合闸时，动、静触头闭合，电源与负载接通，电流流过负载。反之当动、静触头在操动机构作用下带电分闸时，触头间产生真空电弧，真空电弧依靠触头上蒸发出来的金属蒸汽维持，直到工频交流电流接近零时，金属蒸汽将接近停止蒸发，同时真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧就被熄灭，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，于是电流就被分断。

2 31.5 kV電力机车牵引断路器用真空灭弧室的关键技术

2.1 真空灭弧室的机械寿命高

真空灭弧室的机械寿命高，其关键技术在于真空开关管的波纹管结构和真空开关管导电杆的机械强度2个方面。

（1）波纹管结构设计时要考虑“拉伸寿命”和“抗腐蚀能力”，因为牵引断路器安装在电力机车车顶，长期在盐雾、潮湿的环境中使用。

材料方面：由于该领域产品要求机械寿命高达30万次，长期在盐雾潮湿的环境下运行使用，我们选择了镍铬钼铌合金代替传统的SUS316L材料，拉伸寿命、抗腐蚀能力均优于SUS316L。

波纹管加工工艺选择了带底结构旋压一体成型的无缝波纹管，与卷焊波纹管对比，其优点是不存在氩弧焊缝，材料厚度均匀，产品一致性好。

通过软件对机械寿命进行仿真计算，最终确定选用14个波能够满足产品性能要求，如果设计的波纹管拉伸寿命不能满足要求，当寿命终了时会因波纹管开裂导致真空开关管漏气失效。

由于产品使用环境的特殊性，对波纹管表面增加镀镍工艺，尤其是波纹管内壁的电镀质量控制，因为波纹管内壁与大气环境直接接触，从而提高波纹管的耐腐蚀能力。

（2）导电杆机械强度方面设计时考虑动杆变形发生卡滞和动杆弯曲变形的不良，因为机械寿命250 000次远远大于常规真空灭弧室30 000次，传统无氧铜材料机械强度不能满足使用要求。

动导电杆加强结构，在无氧铜导电杆中间增加不锈钢芯，用来增加导电杆的机械强度，虽然在导电性能方面有影响，但能够满足1 000 A额定电流的使用要求。

2.2 真空灭弧室的电寿命长

“电寿命”方面，要求在额定电流下满足30 000次，关键技术在于真空开关管触头耐烧蚀率，设计时考虑电极结构及触头材料的选择。

电极结构方面， 我们对纵磁电极和横磁电极进行对比，电弧形式：纵磁场为扩散行电弧，弧压低，改善了触头表面的电流密度分布，触头烧损小；横磁场为集聚型电弧，弧压相对纵磁要高，触头烧损严重，因此纵磁电极结构在电寿命方面较横磁场有优势。

对触头材料提出如下要求：开断性能好、耐压性能高、含气量低、导电性能优、抗熔焊性能好及电侵蚀率低。由于使用条件为频繁开断，因此将触头材料的含气量、抗熔焊性能、电侵蚀率3个方面作为首要条件。

2.3 真空灭弧室绝缘水平高

由于产品安装在机车顶上，在户外使用时，由于机车行程复杂，因此要求真空灭弧室能够满足高海拔、雷雨天气等恶劣环境。屏蔽罩结构的设计，除了考虑其对产品开断能力、弧后绝缘以及电场等影响外，还要考虑长期进行“合、分”操作后电弧的金属蒸汽对瓷壳内壁的蒸发，导致真空开关管沿面绝缘的降低，因此产品的屏蔽罩结构设计时要考虑遮挡金属蒸汽，减少对瓷壳内壁的污染。

3 31.5 kV电力机车牵引断路器用真空灭弧室关键生产工艺

真空灭弧室生产工艺流程：零件经过工艺处理进行部件组装、整管组装，整管焊接完成后的电气试验（包括X射线检测、电流老炼、电压老炼、无负荷开闭），经过静放置后进行发货试验。

关键生产工艺如下。

3.1 X射线检验

X射线检验主要用来检测整管焊接出炉后内部零部件钎焊状态是否有异常，例如零件位置倾斜或脱落、钎焊焊缝不良、焊料喷溅等不良问题，通过X射线能够检测出产品钎焊异常。

3.2 旋转式电流老炼工艺

其工艺原理是触头间通过直流电弧高温烧蚀，去除表面赃物、氧化物，提高触头表面清洁度去除尖端毛刺，起到了净化触头表面，去除表层吸附气体作用；同时使合金触头表面熔融，重熔层Cr颗粒分布均匀，从而提高了产品开断性能及可靠性。

3.3 组合式电压老炼工艺

真空开关管触头拉开一定开距，两端施加高电压导致间隙击穿放电，真空间隙的击穿可以由电极表面微观突起处的强场发射引起，也可以由松散的黏附在电极表面的金属微粒的释放或电极表面吸附气体层的解吸引起。

利用电子和离子轰击固体表面以消除因加工过程导致的电极、屏蔽罩零件表面尖端毛刺和异物，改善真空灭弧室的耐压特性；随着老炼时间的增加，零件间的高压放电趋于稳定，提高产品的击穿电压，在触头表面形成均匀分布的击穿点，触头表面的放电痕迹基本上覆盖了整个触头表面，改善了触头和屏蔽罩表面状态。

4 型式试验验证

该公司通过对牵引断路器用真空灭弧室设计方案和生产工艺进行反复论证，在2015年成功研制出SVB-30L25M型单断口牵引断路器用长寿命真空开关管。

2016年8月，该公司生产的SVB-30L25M型真空灭弧室配合用户在国家铁路产品质量监督检验中心，依据GB/T21413.4—2008铁路应用机车车辆电气设备交流断路器规则，IEC 61373：2010铁路应用机车车辆设备冲击和振动试验等相关标准，一次性顺利通过全部型式试验。

5 结语

东芝白云真空开关管（锦州）有限公司自主研制了31.5 kV高参数、高可靠性的电力机车牵引断路器用真空灭弧室。对其机械性能、绝缘性能及相关生产工艺的研究表明：

（1）通过对波纹管材料的选择及结构的优化设计，满足其机械性能要求。

（2）通过对电极结构设计及触头材料的选择，满足其电寿命要求。

（3）通过对屏蔽罩结构的优化设计，减少金属蒸汽对瓷壳内壁的污染，滿足绝缘性能要求。

（4） “X射线检验”“旋转式电流老炼”“组合式电压老炼”等关键生产工序是真空灭弧室高可靠性的保障。

（5）SVB-30L25M型真空灭弧室在国家铁路产品质量监督检验中心顺利通过了型式试验，进一步验证了其性能的安全可靠。

参考文献

[1]王季梅.真空灭弧室设计、制造及其应用[M].北京：西安交通大学出版社，1993.

[2]王季梅，苑舜.大容量真空开关理论及其产品开发[M].西安交通大学出版社，2001.

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