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蓄电池电力工程车布线设计研究

摘要:介绍了蓄电池电力工程车布线的基本原则,并以蓄电池电力工程车底架布线、机械间布线作为具体设计进行了简要介绍,同时结合电磁兼容等原理说明了相关设计的优点。

关键词:蓄电池;电力工程车;干扰;布线设计;电缆

随着轨道交通行业的发展,蓄电池电力工程车的需求随之也不断增多。在优先考虑设备布置的情况下,工程车的布线空间被越压越小。作为设计人员既要考虑布线的空间,也要综合考虑布线的合理性,这样才能为工程车的安全可靠运行保驾护航。中车株洲电力机车有限公司已完成多个蓄电池电力工程车项目,积累了相当丰富的经验。本文结合布线设计的基本原则,总结以往的经验,主要介绍蓄电池电力工程车在实际项目中的具体设计。

1蓄电池电力工程车布线简介

蓄电池电力工程车作为一个具备特定功能的系统,包含着许多设备,各种设备之间通过电气线路或者管路进行连接。要确保工程车能达到预期的功能,各系统和设备之间的布线应当布置合理。蓄电池电力工程车的布线按功能进行分可分为主电路布线、辅助电路布线及控制电路布线。按结构进行分类,主要可分为底架布线及机械间布线。

2蓄电池电力工程车布线的基本原则

工程车电缆的选择主要依据相关标准和相关设计原则进行选型。依据合同要求进行防火标准的选择,以及环保要求的选择,通常要求为低烟无卤。电缆应该依据整车功率进行电压等级选择,工程车电网电压一般为DC750V或者DC1500V,蓄电池供电为DC800V。辅助电压为AC380V和AC220V,控制电压绝大多数为DC110V。因此主电缆一般选取额定电压等级为DC1500V或DC750V的电缆。辅助电缆和控制电缆的额定电压一般选取为DC750V。电缆的截面积选取需根据环境温度、电缆敷设形式、预期电缆寿命、电流持续时间、电流大小、电缆类别等因素,计算公式为:Icorr≥Icable×k1×k2×k3×k4×k5其中:Icorr———选取电缆的额定值Icable———设备工作电流k1———预期环境温度的修正系数k2———敷设类型的修正系数k3———电缆寿命预计的修正系数k4———短时负载的修正系数k5———多芯电缆校正系数工程车主电路电缆通常需要流过几百安培的电流,容易发热,因此散热是主电缆布线考虑的一个重要因素。在良好的散热环境条件下,电缆的截面积的选取也会相对较小,给布线带来方便。主电缆在布线空间允许的情况下优先采用每根电缆之间保持一定距离的布线方式,使其具有良好的散热条件。采用多孔线卡可以提供良好的散热条件,也可以起到良好的支撑作用,同时便于利用整车立体空间。在电缆转弯处应当依据电缆本身的技术要求,折弯半径不应超过电缆的最小折弯半径,否则容易造成电缆断裂故障。设备之间应该尽量选择最短的路径布线,既使整车布线简化美观,也减少电缆的用量,节约成本。同时较短的电缆具有较小的电阻,可以有效降低电压损耗,保证系统可靠性。对于高频传输信号,较长的电缆拥有较大的杂散电感,不利于信号的传输。同时布线路径越短,受电磁干扰的程度越小。对于易受干扰的信号电缆,应尽可能选择屏蔽线,屏蔽线的接地方式应依据具体电路情况而定。屏蔽层由于阻抗低,可以将外部的大部分噪声电流进行分流,降低干扰,能增强信号电缆抗扰度。布线原则应基于防止线缆被拉紧或摩擦,并且应避免过长的无支撑电缆。否则会出现以下问题。1)电缆长距离未固定,导致机车在行进过程中电缆发生晃动,长时间容易导致电缆绝缘层磨损,严重时导致接地故障,影响机车的正常运行。2)蓄电池电力工程车本身装有牵引逆变器、电抗器和电机等大功率设备,运行时主回路电流较大,由于牵引电机布局的分散性,导致电机等功率电缆的布置不得不贯穿整个机车底架,同时来自其他设备或电缆的电磁辐射,必然造成整车范围内存在较强的杂散磁场,晃动的电缆会切割磁力线,在电缆导体上产生感应电压,对于小信号或者低电平的电信号,可能会产生噪声信号,严重时可能导致某些系统接收到错误信号,造成系统误动作,给整车的安全运行带来隐患。

3蓄电池电力工程车底架布线设计

底架布线基于不同电压等级电缆分区原则,将主、辅、控电缆分区布置。同时保证不同类电缆间敷设时应保留一定的间距,例如主电路电缆(如电机电缆、牵引逆变器电缆等)与信号电缆之间至少要留有200mm以上的距离。电缆分区布置,可以防止电缆绝缘层损坏时,高压系统串入低压设备使设备损坏,同时避免杂乱布置使主电缆的散热条件变差。虽然电缆在整体上有一个分区,但由于蓄电池电力工程车底架设备布置位的分散性,同一设备电缆等级的多样性,难免会出现划分区域出现规定电缆以外的其他电缆,此时应采取以下相应措施。1)当功率电缆与信号电缆需要交叉时,尽量设置为十字交叉,使磁力线尽量与电缆不匝链,避免产生感生电动势。2)如功率电缆与信号电缆既不是垂直交叉,又由于空间受限,无法留出足够间距,此时可在功率电缆外套一层金属编织网管,金属编织网管需接地。牵引逆变器等功率电缆传输交流电流信号,携带高频谐波,会向外辐射电磁波。金属编织网管可选用镀锌的不锈钢金属套管,镀锌层电导率较高,可对电场起到很好的反射作用,防止电场向外辐射,同时高频信号在磁导率较高的镀锌表层,产生较大涡流形成反磁场而抵消辐射磁场,防止高频磁场外泄,不锈钢作为高磁导率的导磁材料,为低频磁场提供了低磁阻路径,将低频磁场束缚在其内部,防止低频磁场外泄。在工程车的底架布线时,通常水平300mm以内,竖直500mm以内紧固一次。对于截面积小于16mm2的电缆使用尼龙编织软管进行防护,截面积较大的电缆在经过比较尖锐的地方使用橡胶皮进行防护。当电缆较多时,使用焊接支架进行支撑,支架上开有小孔,以便捆扎电缆,进行固定。

4蓄电池电力工程车机械间布线设计

机械间布线基于中央线槽布线原则,将主、辅、控电缆分区布置。线槽采用3mm厚的铝板作材料,铝板具有极高的电导率,对电场有很好的屏蔽作用,也对高频磁场具有极好的屏蔽作用,并且通过在铝板内的吸收和多次反射,透射过铝板的电磁波已经相当微弱。为了固定电缆,铝板底部开了许多腰形孔,对于电缆散热也具有很好的作用。线槽较长,为保证良好的屏蔽效果,每隔一段距离都进行接地。线槽内采用铝制隔板将线槽分隔成几个区间,辅助电缆、控制电缆、信号电缆均布置于不同的区域内。综合考虑空间大小和屏蔽效果,信号电缆区间还单独采用0.8mm厚的不锈钢制作屏蔽电缆槽,防止低频磁场外泄。为了尽可能确保屏蔽线槽形成一个完整的屏蔽体,减少电磁泄漏,除了在屏蔽线槽底部开了安装孔之外,其余并无开孔,并且采用不锈钢材料为其制作了屏蔽线槽盖。以此来防止信号电缆受干扰,也防止高频信号向外辐射电磁波。主电缆则单独置于线槽下分散布置,合理地利用了空间。机械间设备的电缆从设备出来,尽可能以最短路径进入线槽相应区域,留在线槽外的电缆越短,干扰就越小。机械间顶盖内侧的设备(如照明设备)等电缆在顶上置于焊接在车体的线槽内,既可以统一支撑及固定,又可以进行电磁屏蔽。顶部电缆最终沿侧墙到底架上进入线槽。

5结语

蓄电池电力工程车作为一个涉及系统工程、电力电子学、微电子学、计算机科学、自动控制理论等多项学科的系统,系统复杂,导致整车布局及布线空间复杂、电磁环境复杂,只有在正确掌握布线的设计原则,结合EMC原理,才能选择合理的布线方式,为整车的安全可靠运行提供保证。

参考文献:

[1]EN50343-2014铁路应用机车车辆布线规则[S].

[2]钱照明,程肇基.电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M].杭州:浙江大学出版社,2004.

[3]朱文力,陈燕,郭远东.电子电器产品电磁兼容质量控制及设计[M].北京:电子工业出版社,2015.

作者:娄超 单位:中车株洲电力机车有限公司

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