铛铛车电气间隙和爬电距离分析

铛铛车电气间隙和爬电距离分析

罗锡文 罗振华

株洲中车特种装备科技有限公司 湖南株洲 412000；

摘 要：以汉中储能式仿古铛铛车为研究对象建立了对电源供电系统电气间隙和爬电距离设计模型，介绍了其绝缘配合主要技术参数、主要结构以及相关计算。

关键词：绝缘配合；电气间隙；爬电距离；污染等级

电气间隙和爬电距离对单轨游览车安全有着重要的作用，同时也是电气理论中一个重要的概念。游乐产品测试中最重要、最常规的安全项目之一。本文根据其概念、决定因素及检验实践等方面探讨其相关理论与实践知识。

1 铛铛车电气间隙计算说明

1.1 主母排设计计算

由铛铛车电气总设计说明书和原理图可知，主电路电源供电系统的电压为直流DC650V。铛铛总体方面提供的主上电回路电气参数,计算出受电弓供电输入总工作电流为350A。然后设计铜母线，它的截面积按照经济电流密度计算，公式如下所示：

Sn=In/Jn （1）

式中：Sn—经济截面， ；In—工作电流，A；Jn —经济电流密度，A/ 。

表1 经济电流密度值

由于铛铛车采用铜裸导线及最大负荷利用小时数为3000以下，按照上表1经济电流密度值，将Jn取3.00A/ ；代入式（1）中可知：

Sn=350/3.00=116.7

因此铜排选择截面积为200 即可满足要求。然后依据裸母线的温度修正系数计算铜母线的载流量，在50℃的环境温度下修正系数选择为0.67，所以载流量计算为：

200×3.00×0.67=402A>350A

表2 裸母线的温度修正系数

1.2 分母排设计计算

结合原理图已同上计算，可知分母排工作电流为250A。结合车辆的使用工况及环境条件，按照表1将Jn取3.00A/ ；代入式（1）中得：Sn=250/3.00=83.3 。选择截面积为120 （3·40mm）的铜母线。根据表2选择裸母线的温度修正系数0.67，所以铜母线的载流量为120×3.00×0.67=241.2A，查表可得可承载最大电流值为385A。

1.3 综合设计

1.3.1 由于汉中湿度较大，为防止上电铜母线在空气中被腐蚀，按照GB/T12599-Cu/Zn5的要求，在所有裸露铜母线进行表面镀锡处理。

最后根据电器柜内电气连接、和安装的实际情况，主母排选择规格为4mm×50mm镀锡紫铜排，分母排选择规格为3mm×40mm镀锡紫铜排。

1.3.2 根据车辆实际情况，将上电母排回路安装操作台电气安装板上，其中涉及主断路器、直流接触器、熔断器之间的连接铜母线。根据原理图与实际需要，为了确保铜汇流排之间没有干扰，并确保足够的电气间隙并使铜汇流排连接路径尽可能短。采用折弯、扭弯等形式设计铜排，如图1所示。

铜母线的电气连接孔和机械固定孔采用开口腰孔的设计方案。腰孔分为水平方向和垂直方向。这种结构可以增加安装裕量，并使铜总线的连接和固定更加方便和容易。

由柜内铜母线的设计结构可知，铜母线中最大的腰形孔尺寸为18mm×9mm，根据EN 50343：2003《铁路应用机车车辆布线规则》计算铜母线电气连接处的最小有效接触面积：

式中；S1为铜母线与电器元件、铜母线与铜母线之间的最小接触面积：

S1=30×20=600

S2为两个最大的腰形孔帖合处的最大面积，S2=162 mm2。所以：

=600-162=438mm2

因为350/438=0.799﹤1.4，铜接触面的电流密度应不超过1.4A/ ，所以铜母线开了腰形孔完全满足导流面积的要求。

图1 铜母排设计形式

1.3.3 电气结构设计时，需保证铜母排之间、以及铜母排与柜体和带电部分的电气间隙。根据标准TB/T 3251.1-2010，过电压类别四种定义如下图二所示。分析可知，铛铛车的电压类别为OV4。

图二 过电压类别

1.3.4 然后根据标准TB/T 3251.1-2010中规定，对于受电弓直接供电的电路，其额定冲击电压根据下表3推断。可确定出接触导线供电回路的额定冲击电压 。

表3 接触网供电的电路额定冲击电压 单位为kV

1.3.5 微观环境决定了污染对绝缘的影响，然而在考虑微观环境时必须注意宏观环境。通过有效使用外壳、封装或密封的方式可以减小对绝缘的污染，但当设备遭受凝露或者正常运行时自身产生污染，则这些减小污染的措施可能无效。

为了确定爬电距离和电气间隙把污染分为PD1、PD2、…、PD4B等七个等级。综合下表4和表5，选取本系统污染等级为PD3。

表4 污染等级的定义

表5 宏观环境条件

1.3.6本电气部分采用的绝缘形式为：基本绝缘，而基本绝缘和附加绝缘的最小电气间隙基于额定冲击电压（其值整定详见表6）。确定出通过额定冲击电压 时空气中的最小电气间隙为8mm。

表6 基于额定冲击电压的空气中最小电气间隙 单位为毫米

2 电气间隙分析说明

考虑在设备全寿命周期内所有影响长期绝缘的因素，爬电距离应以承受额定绝缘电压来确定，可能影响绝缘的因素有很多种。根据IEC 60112定义的CTI值或IEC60587试验确定的级别，绝缘材料分为四组：

材料组别Ⅰ 600≦CIT……………或1A4.5级

材料组别Ⅱ 400≦CIT﹤600……………或1A3.5级

材料组别Ⅲa 175≦CIT﹤400……………或1A2.5级

材料组别Ⅲb 100≦CIT﹤175……………或1A0级

以上CTI值是按IEC60112采用的方法A在规定样品上通过试验获得的数值，而本列铛铛车采用的绝缘子属于材料组别Ⅲa，基本绝缘类型通过下表7可得：最小爬电距离≧16mm。

表7 额定绝缘电压Unm较高时的爬电距离 单位为毫米每千伏

3 结论

综合考虑制造误差及人为因素，最终汉中铛铛车铜母排之间，以及铜母排与柜体和带电部分中，最小电气间隙值为12mm与最小爬电距离值为20mm。在后续的车辆实际验证后，实验结果表明此结论满足车辆安全设计要求。

参考文献

1. 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.

2. TB T 3077.2-2006 电力机车车顶绝缘子 第1部分：复合绝缘子.

3. 电力机车与城轨车辆丁伟民；杨文 —《深圳地铁2号线综合检测车组高压电器柜内铜母线的设计》-2012。

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