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TDZ-30/630/1250新型电力机车新型电力机车真空断路器真空断路器西安伯龙高铁电器销售有限公司西安伯龙高铁电器销售有限公司u第1页/共39页目目 录录第第1 1部分部分 TDZ-30/630/1250TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器简介电力机车真空断路器简介第第2 2部分部分 永磁操动机构的智能控制装置永磁操动机构的智能控制装置 第第3 3部分部分 质量管理体系质量管理体系第第4 4部分部分 结束语结束语 u第2页/共39页第一部分 TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器简介uu第一章 公司简介uu第二章 TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器工作原理uu第三章 技术创新点 uu第四章 试验及运行情况u第3页/共39页第一章第一章 公司简介公司简介 西西安安伯伯龙龙高高铁铁电电器器销销售售有有限限公公司司（以以下下简简称称本本公公司司）成成立立于于20082008年年8 8月月，主主要要业业务务范范围围包包括括电电力力设设备备、自自动动化化控控制制设设备备、电电器器成成套套设设备备、机机械械产产品品的的研研发发销销售售的的专专业业公公司司，本本公公司司作作为为西西安安交交大大思思源源智智能能电电器器有有限限公公司司生生产产各各类类系系列列铁铁路路产产品品的的监监制制单单位位，全全权权负负责责代代理理组组织织销销售售其其相相关关产产品品，西西安安交交大大思思源源智智能能电电器器有有限限公公司司作作为为生生产产单单位位，为为本本公公司司提提供供必必要要的的技技术术支支持持。公公司司是是国国内内少少有有的的能能够够生生产产和和销销售售永永磁磁真真空空断断路路器器的的高高技技术术公公司司，同同时时可可为为客客户户提提供供可可靠靠完完善善的的售售后后服服务务。公公司司注注册册资资金金10001000万万，座座落落于于国国家家级级高高新新技技术术产产业业开开发发区区-西西安安市市高高新新技技术术产产业业开开发发区区的的中中心心位位置置。本本公公司司与与西西安安交交大大思思源源智智能能电电器器有有限限公公司司合合作作拥拥有有自自己己的的铁铁路路产产品品的的研研发发中中心心，生生产产基基地地，可可面面向向全全国国为为客客户户提提供供成成熟熟而而高高效效的的服服务务。本本公公司司拥拥有有多多项项具具有有自自主主知知识识产产权权的的高高科科技技产产品品，拥拥有有一一个个年年轻轻的的销销售售团团队队，其其中中本本科科以以上上学学历历的的人人员员占占到到80%80%。在在新新产产品品开开发发方方面面公公司司依依托托西西安安交交通通大大学学的的科科研研力力量量，主主要要将将为为中中国国铁铁路路电电力力机机车车提提供供各各类类电电器器产产品品。我我们们的的产产品品技技术术始始终终保保持持与与国国际际先先进进水水平平同同步步发发展展，始始终终非非常常重重视视具具有有自自主主知知识识产产权权的的技技术术和和产产品品的的研研发发工工作作，并并且且本本着着可可持持续续发发展展的的原原则则，积积极极开开拓拓、勇勇于于创创新新，着着眼眼于于市市场场，服服务务于于用用户户。依依靠靠坚坚实实的的技技术术实实力力和和奋奋进进的的企企业业精精神神，目目前前公公司司的的各各项项产产品品已已在在铁铁路路及及民民用用等等领领域域得得到到了了广广泛泛地地应应用用，获获得得用用户户的的广广泛泛好好评评。公公司司的的发发展展理理念念是是以以人人为为本本，用用户户至至上上，以以诚诚待待人人，以以信信取取人人，以以优优胜胜人人。我我们们将将以以坚坚定定的的自自信信和和真真挚挚的的诚意，希望与各界朋友进行合作，共创辉煌的明天。诚意，希望与各界朋友进行合作，共创辉煌的明天。u第4页/共39页第二章第二章第二章第二章 TDZ-30/630/1250TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器工作原理电力机车真空断路器工作原理电力机车真空断路器工作原理电力机车真空断路器工作原理项目研发意义项目研发意义 电力机车断路器是电力机车的重要部件之一。电力机车断路器是电力机车的重要部件之一。20012001年开始对电力机车断路器进行市场和技术调研。当时电力机车使年开始对电力机车断路器进行市场和技术调研。当时电力机车使用的断路器为空气断路器。由于在工作原理、机械结构、技术性能等用的断路器为空气断路器。由于在工作原理、机械结构、技术性能等方面存在不足，该型断路器的修程短、故障率高，一直是电力机车上方面存在不足，该型断路器的修程短、故障率高，一直是电力机车上的薄弱环节。的薄弱环节。对国内外断路器相关技术的发展和电力机车的运用情况进行实际调研对国内外断路器相关技术的发展和电力机车的运用情况进行实际调研分析表明：当时国内、国外在电力机车使用永磁操动真空断路器方面分析表明：当时国内、国外在电力机车使用永磁操动真空断路器方面还处于空白状态。有的单位仿制国外的产品也遭遇失败。还处于空白状态。有的单位仿制国外的产品也遭遇失败。针对这种情况，遵照铁道部科技发展纲要的精神和国内外开关技术的针对这种情况，遵照铁道部科技发展纲要的精神和国内外开关技术的发展情况，公司经过市场及技术调研，决定开发研制电力机车新型断发展情况，公司经过市场及技术调研，决定开发研制电力机车新型断路器。该项目关键技术之一的电力机车路器。该项目关键技术之一的电力机车“1+11+1”新型真空主断路器已新型真空主断路器已被我公司申请专利。本项目产品已经正式推出，并已在南昌铁路局、被我公司申请专利。本项目产品已经正式推出，并已在南昌铁路局、兰州铁路局开始试用，将于兰州铁路局开始试用，将于20102010年正式向市场推广。年正式向市场推广。u第5页/共39页（一）项目研发意义（续）（一）项目研发意义（续）uu我们研制的基本思路是采用真空灭弧技术、我们研制的基本思路是采用真空灭弧技术、APGAPG工艺技术和永磁操动工艺技术和永磁操动及智能控制技术，进行计算机优化设计和仿真计算。及智能控制技术，进行计算机优化设计和仿真计算。uu依托西安交通大学的技术实力（西安交通大学电气专业教学、科研实依托西安交通大学的技术实力（西安交通大学电气专业教学、科研实力居全国高校首位），我们认为研发一种长寿命、少维护、免维修、力居全国高校首位），我们认为研发一种长寿命、少维护、免维修、重量轻、体积小、双备份、易安装的新型电力机车断路器是切实可行重量轻、体积小、双备份、易安装的新型电力机车断路器是切实可行的，并能达到国内外的先进水平。的，并能达到国内外的先进水平。u第6页/共39页（二）（二）（二）（二）TDZ-30/630/1250TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器工作原理电力机车真空断路器工作原理电力机车真空断路器工作原理电力机车真空断路器工作原理uuTDZ-30/630/1250TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器由车外和车内两部分组成。电力机车真空断路器由车外和车内两部分组成。uu车外部分由引出线和断路器主体组成。断路器主体采用新型复合绝缘车外部分由引出线和断路器主体组成。断路器主体采用新型复合绝缘材料，材料，APGAPG工艺技术固封的真空灭弧室，其电气绝缘性能高，机械性工艺技术固封的真空灭弧室，其电气绝缘性能高，机械性能优良。在风吹日晒下表面不开裂，适应环境温度范围宽，耐污秽；能优良。在风吹日晒下表面不开裂，适应环境温度范围宽，耐污秽；断路器主体的伞群采用一大两小设计，淋雨试验证明，在静止情况下，断路器主体的伞群采用一大两小设计，淋雨试验证明，在静止情况下，即就是天下大雨，断路器也不会出现击穿或放电现象。即就是天下大雨，断路器也不会出现击穿或放电现象。uu车内部分由永磁机构和智能控制装置组成。永磁机构的运动部件只有车内部分由永磁机构和智能控制装置组成。永磁机构的运动部件只有一个，具有合闸、分闸两种状态。永磁机构的拉杆带动真空灭弧室作一个，具有合闸、分闸两种状态。永磁机构的拉杆带动真空灭弧室作直线运动。直线运动。u第7页/共39页TDZ-30/630/1250TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器电力机车真空断路器电力机车真空断路器电力机车真空断路器u第8页/共39页TDZ-30/630/1250TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器的主要技术参数电力机车真空断路器的主要技术参数额定电压额定电压kVkV27.527.5额定电流额定电流A A630/1250630/1250额定频率额定频率HzHz5050最大工作电压最大工作电压kVkV3030最大开断电流最大开断电流KAKA1010工频对地耐压工频对地耐压 kVkV9090工频断口耐压工频断口耐压kVkV8080总重量总重量KgKg7575环境温度环境温度0 0C C+50-30+50-30分闸时间分闸时间msms12 12 合闸时间合闸时间msms88控制电压控制电压V VDC110DC110机械寿命机械寿命次次2X202X20万万手动操作装置手动操作装置u第9页/共39页简单方便的安装方式简单方便的安装方式简单方便的安装方式简单方便的安装方式uu断路器的安装方式采用和机车上现有的断路器可直接互换，只要将原断路器的安装方式采用和机车上现有的断路器可直接互换，只要将原主断路器吊下，将新型断路器吊上安装即可。只要采用相同型号的控主断路器吊下，将新型断路器吊上安装即可。只要采用相同型号的控制插座，其他无须改动。制插座，其他无须改动。uu基本连接方式有三种基本连接方式有三种1 1、并联连接方式：、并联连接方式：ZD1ZD1、ZD2ZD2两台主断路器采用双热备可交替运行。两台主断路器采用双热备可交替运行。2 2、单独与受电弓连接方式：、单独与受电弓连接方式：ZD1ZD1、ZD2ZD2两台主断路器分别与受电弓两台主断路器分别与受电弓G1G1、G2G2连接，运行中连接，运行中ZD1ZD1与与G1G1、ZD2ZD2与与G2G2联动运行。联动运行。3 3、转换开关连接方式：、转换开关连接方式：ZD1ZD1、ZD2ZD2两台主断路器通过转换开关与车顶两台主断路器通过转换开关与车顶电路连接。电路连接。u第10页/共39页第三章第三章第三章第三章 项目技术创新点项目技术创新点项目技术创新点项目技术创新点（一）真空灭弧技术（一）真空灭弧技术uu真空灭弧技术与其它灭弧技术相比具有独特的优点。在高真空介质中真空灭弧技术与其它灭弧技术相比具有独特的优点。在高真空介质中的触头间隙绝缘强度很高。目前我国电力系统中的触头间隙绝缘强度很高。目前我国电力系统中10kV-35kV10kV-35kV等级的等级的真空断路器使用情况已经非常普及。并且大量实验证明，在真空断路器使用情况已经非常普及。并且大量实验证明，在35kV35kV以以下，使用真空灭弧技术是安全的、可靠的。下，使用真空灭弧技术是安全的、可靠的。uu我国真空灭弧室的研究和制造技术水平，并不比发达国家落后，真空我国真空灭弧室的研究和制造技术水平，并不比发达国家落后，真空灭弧技术不但成熟而且国内制造的基础相当好。目前我国几个主要生灭弧技术不但成熟而且国内制造的基础相当好。目前我国几个主要生产真空灭弧室的骨干企业所生产的真空灭弧室已经出口到包括欧美发产真空灭弧室的骨干企业所生产的真空灭弧室已经出口到包括欧美发达国家在内的世界各地。达国家在内的世界各地。uu但是，普通真空灭弧室还不能直接应用到电力机车上。因为普通灭弧但是，普通真空灭弧室还不能直接应用到电力机车上。因为普通灭弧室的寿命为室的寿命为1 1万次，在电力系统的断路器上可以使用万次，在电力系统的断路器上可以使用5 5至至1010年时间，年时间，甚至更长，完全满足标准要求。然而在电力机车上则不同，如果在繁甚至更长，完全满足标准要求。然而在电力机车上则不同，如果在繁忙的铁路线上，忙的铁路线上，1 1万次的寿命可能也就仅够使用一年左右。在研发新万次的寿命可能也就仅够使用一年左右。在研发新型电力机车主断路器时，我们进行了大量动态分析试验，可将真空灭型电力机车主断路器时，我们进行了大量动态分析试验，可将真空灭弧室的机械寿命提高到弧室的机械寿命提高到1010万次以上。将来我们使用机械寿命万次以上。将来我们使用机械寿命1010万次万次的真空灭弧室，再加上我们采用动态监测和智能缓冲控制技术，可确的真空灭弧室，再加上我们采用动态监测和智能缓冲控制技术，可确保真空断路器的机械寿命达到保真空断路器的机械寿命达到2020万次以上。万次以上。u第11页/共39页（二）（二）APGAPG工艺固封技术工艺固封技术uu由由于于电电瓷瓷绝绝缘缘材材料料具具有有一一系系列列优优良良的的绝绝缘缘和和价价格格便便宜宜，一一直直作作为为高高压压电电器器领领域域主主绝绝缘缘材材料料。但但是是电电瓷瓷绝绝缘缘材材料料也也存存在在诸诸如如它它的的联联接接必必须须采采用用金金属属连连接接件件，重重量量重重、体体积积大大、不不耐耐碰碰撞撞及及内内外外温温差差大大时时容容易易开开裂裂等等缺缺陷陷。因因此此，目目前前高高压压电电器器选选用用复复合合绝绝缘缘材材料料作作为为主主绝绝缘缘材材料料已已经经成成为为一一种种发发展展方方向向。根根据据电电力力机机车车上上的的使使用用环环境境条条件件，我我们们选选用用APGAPG工工艺艺复复合合绝绝缘缘材材料料。其其特特点点是是粘粘接接力力强强，机机械械强强度度高高，有有较较高高的的耐耐寒寒、耐热、耐化学稳定性等特性，具体性能数据如表耐热、耐化学稳定性等特性，具体性能数据如表2 2所示：所示：u第12页/共39页表表2 APG2 APG工艺复合绝缘材料特性表工艺复合绝缘材料特性表项 目 数 值 拉伸强度（MPa）45 70 弯曲强度（MPa）90120 压缩强度（MPa）85170 冲击强度（KJ/m2）1020 对水的相对密度 1.121.15 介电强度（KV/m m）1220 体积电阻率（.cm）10141016 介电常数106Hz 35 介电损耗角正切106Hz 0.0150.050 耐电弧性（s）100140 u第13页/共39页uuAPGAPG工艺复合绝缘材料具有一系列的优良特性，做为断路工艺复合绝缘材料具有一系列的优良特性，做为断路器主体绝缘材料，可以大大提高断路器的绝缘水平，使断器主体绝缘材料，可以大大提高断路器的绝缘水平，使断路器体积小型化。我们经过研究性试验，由于在注塑、成路器体积小型化。我们经过研究性试验，由于在注塑、成型、固化过程中，固封体始终处于注射压力状态下，所以型、固化过程中，固封体始终处于注射压力状态下，所以成品的密度高，机械强度好，表面成型质量好，其机械强成品的密度高，机械强度好，表面成型质量好，其机械强度特性、绝缘性能均符合设计要求。采用耐候性材料，工度特性、绝缘性能均符合设计要求。采用耐候性材料，工作温度可达到作温度可达到-45-459595左右。左右。uu我们在和昆明高压电器研究所研制的我们在和昆明高压电器研究所研制的35kV35kV高原型真空断高原型真空断路器试验过程中，模拟海拔路器试验过程中，模拟海拔40004000米，普通绝缘材料可靠米，普通绝缘材料可靠裕度通常需要增加裕度通常需要增加50%50%，而采用，而采用APGAPG工艺复合绝缘材料，工艺复合绝缘材料，可靠裕度仅需增加可靠裕度仅需增加30%30%就可满足要求，表面在凝露、受就可满足要求，表面在凝露、受潮情况下，绝缘性能下降不明显等特点。潮情况下，绝缘性能下降不明显等特点。uuAPGAPG工艺复合绝缘材料还具有憎水性，该材料与水不亲和，工艺复合绝缘材料还具有憎水性，该材料与水不亲和，对于户外产品很重要，雨滴在它表面不易形成水膜，而是对于户外产品很重要，雨滴在它表面不易形成水膜，而是小水珠粒，不易粘连成线，防止因雨水绝缘放电。小水珠粒，不易粘连成线，防止因雨水绝缘放电。u第14页/共39页（三）（三）永磁操动机构及其智能控制技术永磁操动机构及其智能控制技术永磁操动机构及其智能控制技术永磁操动机构及其智能控制技术 uu操动机构在断路器中占有重要地位。断路器在各种条件下都应可靠的操动机构在断路器中占有重要地位。断路器在各种条件下都应可靠的分合闸分合闸,是断路器对操动机构的基本要求之一，对电力机车使用的断是断路器对操动机构的基本要求之一，对电力机车使用的断路器来讲路器来讲,尤为重要。目前广泛使用的驱动机构有电磁、弹簧、气动、尤为重要。目前广泛使用的驱动机构有电磁、弹簧、气动、液压电动操动机构。从有关文献得知液压电动操动机构。从有关文献得知,断路器机械故障率占总故障的断路器机械故障率占总故障的70%70%左右左右,这其中主要是由于操动机构引起的。这其中主要是由于操动机构引起的。uu我们采用了近年才发展起来的永磁操动技术，不但保证了断路器长期我们采用了近年才发展起来的永磁操动技术，不但保证了断路器长期动作的可靠性，而且满足断路器开断、关合及灭弧特性要求。这也动作的可靠性，而且满足断路器开断、关合及灭弧特性要求。这也是是TDZ-30/630/1250TDZ-30/630/1250新型断路器设计上的特点之一。新型断路器设计上的特点之一。uu永磁操动机构和传统的机构相比永磁操动机构和传统的机构相比,其中一个最大的特点就是它的高可其中一个最大的特点就是它的高可靠性。永磁机构由少数几个元件组成，只有合闸、分闸两种状态，靠性。永磁机构由少数几个元件组成，只有合闸、分闸两种状态，运动部件只有一个。由于零部件少运动部件只有一个。由于零部件少,所以可靠性明显提高。所以可靠性明显提高。u第15页/共39页uu它的另一个特点是长寿命它的另一个特点是长寿命,从机构原理看出从机构原理看出,永磁机构是通过电磁机构永磁机构是通过电磁机构和永磁铁的特殊结合来实现传统机构的功能和永磁铁的特殊结合来实现传统机构的功能,电磁线圈和磁路为静止电磁线圈和磁路为静止机构机构,只要设计合理只要设计合理,没有外力破坏没有外力破坏,一般它不会损坏。其寿命的制约因一般它不会损坏。其寿命的制约因素素,主要是永磁铁。目前我国永磁铁制造技术已达到相当高的水平，主要是永磁铁。目前我国永磁铁制造技术已达到相当高的水平，特别是钕铁硼永磁材料的制造成功特别是钕铁硼永磁材料的制造成功,给永磁机构的长寿命给永磁机构的长寿命,可靠工作提可靠工作提供了坚实的物质保证。大量试验证明，只要选材合理，精心设计，永供了坚实的物质保证。大量试验证明，只要选材合理，精心设计，永磁机构本身机械寿命可以达到磁机构本身机械寿命可以达到100100万次以上。万次以上。uu永磁机构还具有节能特性永磁机构还具有节能特性,永磁机构工作时，只需瞬时供电，一般小于永磁机构工作时，只需瞬时供电，一般小于60ms60ms，在分合闸状态时，线圈没有电流通过，保持力由永磁铁提供，在分合闸状态时，线圈没有电流通过，保持力由永磁铁提供，不再消耗能量。不再消耗能量。uu因此，永磁操动机构可以做到真正意义上的免维修、少维护、长寿命。因此，永磁操动机构可以做到真正意义上的免维修、少维护、长寿命。uu有关永磁机构智能控制技术在第二部分进行说明，本处不再说明。有关永磁机构智能控制技术在第二部分进行说明，本处不再说明。u第16页/共39页（四）其他设计技术（四）其他设计技术 uu作为断路器设计尤其是机车用的主断路器设计，要全面考虑寿命期内作为断路器设计尤其是机车用的主断路器设计，要全面考虑寿命期内使用功能上的高可靠性、开断闭合性能、机械性能、绝缘性能、环境使用功能上的高可靠性、开断闭合性能、机械性能、绝缘性能、环境耐温、控制难易程度、寿命设计以及维护安装和外观等方面。耐温、控制难易程度、寿命设计以及维护安装和外观等方面。uu在设计断路器的时，我们力求使运动部件少，运动轨迹简单。实际的在设计断路器的时，我们力求使运动部件少，运动轨迹简单。实际的TDZ-30/630/1250TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器的运动部件只有一个，作直电力机车真空断路器的运动部件只有一个，作直线运动。线运动。uu另外，本断路器设置了手动装置。另外，本断路器设置了手动装置。在特殊情况下，可以人工手动操作在特殊情况下，可以人工手动操作分合断路器，以保证机车不会因为断路器故障而停在线路上。分合断路器，以保证机车不会因为断路器故障而停在线路上。u第17页/共39页第四章第四章 试验和试运行情况试验和试运行情况uu断路器在研制过程中，每一步都进行工艺试验。在西安交通大学进行断路器在研制过程中，每一步都进行工艺试验。在西安交通大学进行了大量的研究性试验了大量的研究性试验,检验断路器固封主体绝缘性能检验断路器固封主体绝缘性能,机械强度性能机械强度性能,电电磁兼容性能等。在西安其他行业科研院所也进行料一系列辅助性试验磁兼容性能等。在西安其他行业科研院所也进行料一系列辅助性试验研究。研究。uu从从20012001年到年到20032003年方案和结构进行多次修改。过去按照年方案和结构进行多次修改。过去按照TB/T2055-1999TB/T2055-1999机车真空断路器技术条件多次试验，对于铁标中机车真空断路器技术条件多次试验，对于铁标中没有规定的部分，按照没有规定的部分，按照GB/T11022-1999GB/T11022-1999高压开关设备标准共高压开关设备标准共用技术要求进行了试验。现在我们按照铁道行业标准用技术要求进行了试验。现在我们按照铁道行业标准TB/T1333.4-TB/T1333.4-2005/IEC600774:20032005/IEC600774:2003铁路应用铁路应用 机车车辆电气设备机车车辆电气设备 第第4 4部分：电部分：电工器件工器件 交流断路器规则进行了型式试验。交流断路器规则进行了型式试验。试验内容试验内容uu1.20041.2004年年3 3月在国家高压电器质量监督检验中心月在国家高压电器质量监督检验中心 西安高压电器研西安高压电器研究所进行试验。试验内容包括：究所进行试验。试验内容包括：uu短时工频耐压试验。短时工频耐压试验。uu雷电冲击耐压试验。雷电冲击耐压试验。uu开断短路电流试验。开断短路电流试验。uu关合能力试验。关合能力试验。uu动热稳定试验。动热稳定试验。uu试验结果符合设计要求。试验结果符合设计要求。u第18页/共39页uu2 220082008年年2 2月，在铁道部产品质量监督检测中心月，在铁道部产品质量监督检测中心 机车车机车车辆检验站进行型式试验。按照铁道行业标准辆检验站进行型式试验。按照铁道行业标准TB/T1333.4-2005/IEC600774:2003TB/T1333.4-2005/IEC600774:2003铁路应用铁路应用 机车车机车车辆电气设备辆电气设备 第第4 4部分：电工器件试验内容包括：部分：电工器件试验内容包括：uu绝缘性能试验（工频耐压试验、雷电冲击试验和淋雨试验）绝缘性能试验（工频耐压试验、雷电冲击试验和淋雨试验）。uu工作极限试验。工作极限试验。uu温升试验。温升试验。uu机械寿命试验。机械寿命试验。uu热稳定性试验。热稳定性试验。uu湿热试验湿热试验uu盐雾试验盐雾试验uu电磁兼容性试验电磁兼容性试验uu震动及冲击试验震动及冲击试验uu试验结束后断路器完好，符合铁道部标准及试验结束后断路器完好，符合铁道部标准及IECIEC标准，符标准，符合设计要求。合设计要求。u第19页/共39页（二）试运行情况（二）试运行情况uu目前产品已经在南昌铁路局、兰州铁路局部分机车安装试运行，效果很好。uu南宁铁路局、广州铁路局、大连机车厂正在洽谈中，不久将陆续上车。本断路器结构简单，体积小，断路器安装拆卸方便，免维修，少维护。是现有机车断路器较为理想的替换产品。u第20页/共39页安装在安装在 SS3SS3型电力机车上型电力机车上TDZ-30/630TDZ-30/630电力机车真空断路器电力机车真空断路器u第21页/共39页第二部分第二部分TDZ-30/630/1250电力机车真空电力机车真空断路器永磁操动机构智能控制器断路器永磁操动机构智能控制器 u第22页/共39页 永磁操动机构真空断路器具有体积小、重量轻、结构简永磁操动机构真空断路器具有体积小、重量轻、结构简单、操作可靠、寿命长、免维护、双备份等特点，代表了断单、操作可靠、寿命长、免维护、双备份等特点，代表了断路器质量的一个飞跃，具有广阔的发展前景。永磁操动机构路器质量的一个飞跃，具有广阔的发展前景。永磁操动机构必须要在控制器的驱动下才能实现开关的分合操作，因此，必须要在控制器的驱动下才能实现开关的分合操作，因此，控制器的性能优劣对断路器的性能有很大的影响，要保证断控制器的性能优劣对断路器的性能有很大的影响，要保证断路器的可靠工作，就必须要有一个可靠的控制器，可以说控路器的可靠工作，就必须要有一个可靠的控制器，可以说控制器是永磁操动机构真空断路器的核心器件之一。我公司在制器是永磁操动机构真空断路器的核心器件之一。我公司在研制控制器的过程中，采用了当今先进的电子设计自动化技研制控制器的过程中，采用了当今先进的电子设计自动化技术，设计并制作了永磁操动机构专用芯片，是国内外最早把术，设计并制作了永磁操动机构专用芯片，是国内外最早把永磁操动机构专用芯片实际投入使用的公司。经过不断的完永磁操动机构专用芯片实际投入使用的公司。经过不断的完善和提高，无论在功能上还是在性能上，已完全可以满足断善和提高，无论在功能上还是在性能上，已完全可以满足断路器的可靠运行要求。路器的可靠运行要求。u第23页/共39页控制器硬件结构图控制器硬件结构图1 1ZPJu第24页/共39页控制器硬件结构图控制器硬件结构图2 2u第25页/共39页一、系统组成的原理一、系统组成的原理一、系统组成的原理一、系统组成的原理 智能控制器主要由五大部分组成：电源模块、信号输入模智能控制器主要由五大部分组成：电源模块、信号输入模块、信号输出模块、块、信号输出模块、CPLDCPLD智能控制模块、电力电子驱动模块。智能控制模块、电力电子驱动模块。电源模块电源模块 电容器电容器+110v+5V-5V,+15V合分闸命令合分闸命令合分闸状态信号合分闸状态信号遥控合分闸命令遥控合分闸命令电源电压监视电源电压监视 调调 理理 电电 路路 光光 电电 隔隔 离离 CPLD智智能能控控制制模模块块 光光 电电 隔隔 离离电电力力电电子子控控制电路制电路运运行行状状态态显示显示 电力电子驱动模块在在线线编编程程接接口口合闸输出合闸输出分闸输出分闸输出u第26页/共39页 uu目前国内外采用的实现方案有目前国内外采用的实现方案有3 3种：种：1.1.采用分立元件设计。分立元件设计优点是全硬件实现，但采用分立元件设计。分立元件设计优点是全硬件实现，但功能少、性能受限、电路复杂、缺乏灵活性，现在已很少使用；功能少、性能受限、电路复杂、缺乏灵活性，现在已很少使用；2.2.采用单片机设计。单片机方案主要采用软件编程，功能强，采用单片机设计。单片机方案主要采用软件编程，功能强，灵活性好，不足之处是存在飞程序问题，即灵活性好，不足之处是存在飞程序问题，即CPUCPU的指令地址指的指令地址指针在外部干扰下，容易发生指令脱离正常轨道使运行陷入不可针在外部干扰下，容易发生指令脱离正常轨道使运行陷入不可预测的非法循环中，为减少这一问题的发生，需要付出很大的预测的非法循环中，为减少这一问题的发生，需要付出很大的硬件和软件开销。硬件和软件开销。3.3.采用采用EDAEDA技术技术(Electronic Design Automation(Electronic Design Automation 电子设电子设计自动化计自动化)。EDAEDA技术是采用技术是采用FPGA(Field Progrrammable FPGA(Field Progrrammable Gate Array)Gate Array)和和CPLD(Complex Programmable Logic CPLD(Complex Programmable Logic Device)Device)器件做成一个控制运行的专用芯片，该项技术的特点器件做成一个控制运行的专用芯片，该项技术的特点是以以纯硬件的方式实现全部的电子控制功能，没有任何软件是以以纯硬件的方式实现全部的电子控制功能，没有任何软件控制，把一个线路系统放在一片很小的芯片里面，以芯片代替控制，把一个线路系统放在一片很小的芯片里面，以芯片代替电路板，这个特点非常适合永磁操动机构的控制，是一个先进电路板，这个特点非常适合永磁操动机构的控制，是一个先进而可靠的方案。而可靠的方案。u第27页/共39页 我公司采用的是第我公司采用的是第3 3种方案，即采用复杂可编程逻辑器种方案，即采用复杂可编程逻辑器件件CPLDCPLD作为智能控制部件，其设计过程是，借助于计算机，作为智能控制部件，其设计过程是，借助于计算机，在在EDAEDA工具软件工具软件quartus IIquartus II平台上，采用硬件描述语言平台上，采用硬件描述语言VHDLVHDL为系统逻辑描述手段，自动地完成逻辑编译、逻辑化为系统逻辑描述手段，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合、以及逻辑优化和仿简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合、以及逻辑优化和仿真测试，直至实现规定的电子线路系统功能。这种纯硬件真测试，直至实现规定的电子线路系统功能。这种纯硬件的实现方式在工作可靠性方面有很大的优势，这是因为硬的实现方式在工作可靠性方面有很大的优势，这是因为硬件电路不管受到什么干扰其电路结构不会发生变化，采用件电路不管受到什么干扰其电路结构不会发生变化，采用EDAEDA技术的全硬件实现方式由于非法状态的可预测性以及技术的全硬件实现方式由于非法状态的可预测性以及进入非法状态的可判断性，从而确保了从非法状态恢复到进入非法状态的可判断性，从而确保了从非法状态恢复到正常状态的各种措施的可行性。正常状态的各种措施的可行性。我公司设计的专用芯片我公司设计的专用芯片20052005年投入使用，在运行中经年投入使用，在运行中经受了各种严酷环境的考验，表明方案合理受了各种严酷环境的考验，表明方案合理,设计正确，工作设计正确，工作可靠，其性能已达到国际同类产品的先进水平，如可靠，其性能已达到国际同类产品的先进水平，如ABBABB公公司，其永磁操动机构真空断路器就采用的司，其永磁操动机构真空断路器就采用的EDAEDA技术，我们技术，我们和和ABBABB公司的技术手段是一样的，具有同样的先进性；另公司的技术手段是一样的，具有同样的先进性；另外，无论是性能上，还是功能上，我们的产品均可达到和外，无论是性能上，还是功能上，我们的产品均可达到和超过该公司控制器的水平。超过该公司控制器的水平。u第28页/共39页二、可靠性设计二、可靠性设计二、可靠性设计二、可靠性设计 uu1 1电磁兼容性设计电磁兼容性设计 永磁操动机构在运行中由于开关大电流而产生很大的电永磁操动机构在运行中由于开关大电流而产生很大的电磁干扰，永久磁铁和线圈均会产生很大的磁场干扰，另外，磁干扰，永久磁铁和线圈均会产生很大的磁场干扰，另外，开通和关断过程中电容充放电亦会产生幅值很大的脉冲电开通和关断过程中电容充放电亦会产生幅值很大的脉冲电压和脉冲电流，会通过电源通道耦合到控制器自身，所以压和脉冲电流，会通过电源通道耦合到控制器自身，所以抗干扰问题对于控制器来说非常重要。我们在设计中采取抗干扰问题对于控制器来说非常重要。我们在设计中采取的措施主要有：的措施主要有：(1).(1).电源输入加有性能优良的电源滤波器，可以防止通过电源输入加有性能优良的电源滤波器，可以防止通过 电源线的传导干扰；电源线的传导干扰；(2).(2).专用芯片通过光电电路完全与外部专用芯片通过光电电路完全与外部I/OI/O部分隔离，以部分隔离，以 保证专用芯片安全运行；保证专用芯片安全运行；(3).(3).模拟电路滤波和专用芯片数字滤波同时使用，确保不模拟电路滤波和专用芯片数字滤波同时使用，确保不 会发生误动的情况；会发生误动的情况；(4).(4).电路板精心设计，精心布线，避免线路之间的串扰；电路板精心设计，精心布线，避免线路之间的串扰；u第29页/共39页 uu2.2.电力电子电路的可靠性设计电力电子电路的可靠性设计 电力电子电路是控制器的另一个关键部件，它的负载是电力电子电路是控制器的另一个关键部件，它的负载是一个大的电感，在开通和关断过程中会产生很大的动态一个大的电感，在开通和关断过程中会产生很大的动态dv/dtdv/dt，加之工作电流很大，使器件有可能同时受到大电流、，加之工作电流很大，使器件有可能同时受到大电流、高电压和寄生电容中的位移电流的作用，所以确保这部分电高电压和寄生电容中的位移电流的作用，所以确保这部分电路稳定可靠的工作亦很关键。路稳定可靠的工作亦很关键。(1).(1).在设计中使用抗冲击能力强在设计中使用抗冲击能力强.dv/dt.dv/dt性能好的性能好的IRIR公司公司 的的IGBTIGBT和和IGBTIGBT控制芯片；控制芯片；(2).(2).精心设计电路参数精心设计电路参数,反复测试，保证输出波形好；反复测试，保证输出波形好；(3).(3).精心设计和调试吸收电路，保证驱动电路稳定工作；精心设计和调试吸收电路，保证驱动电路稳定工作；(4).(4).过流保护电路，确保电力电子电路的安全运行。过流保护电路，确保电力电子电路的安全运行。(5).(5).为防止长时间通电，采用的控制算法是：正常时采用为防止长时间通电，采用的控制算法是：正常时采用 最短时间与开关位置信号控制，在位置信号失效时采最短时间与开关位置信号控制，在位置信号失效时采 用最长时间控制。用最长时间控制。u第30页/共39页 uu3.3.智能自诊断、自检测设计：智能自诊断、自检测设计：控制器采用全硬件状态机作为整个系统的工作调度，控制器采用全硬件状态机作为整个系统的工作调度，这就使其可以充分发挥全硬件电路容错技术的优势，在运这就使其可以充分发挥全硬件电路容错技术的优势，在运行中可以对各种状态进行跟踪，可以监视各种非法状态，行中可以对各种状态进行跟踪，可以监视各种非法状态，由非法状态转入正常状态只需要几个微秒，因而不会因进由非法状态转入正常状态只需要几个微秒，因而不会因进入非法状态而对系统造成影响，确保在运行中不会出现死入非法状态而对系统造成影响，确保在运行中不会出现死机现象，即确保控制器永远保持在运行态。机现象，即确保控制器永远保持在运行态。u第31页/共39页三永磁操动机构真空断路器的两大技术优势三永磁操动机构真空断路器的两大技术优势三永磁操动机构真空断路器的两大技术优势三永磁操动机构真空断路器的两大技术优势 uu1 1运行过程可控性运行过程可控性 可以实现闭环控制，使开关的运行时间保持稳定。这可以实现闭环控制，使开关的运行时间保持稳定。这些都需要有一个灵活性很好的控制器。我公司的控制器由些都需要有一个灵活性很好的控制器。我公司的控制器由于采用于采用EDAEDA技术，完全可以满足这方面的要求。技术，完全可以满足这方面的要求。uu2 2同步开关技术同步开关技术 过电压和涌流一直是困扰电力机车运行的一大问题，过电压和涌流一直是困扰电力机车运行的一大问题，这一问题有望通过同步开关技术加以解决。同步开关将会这一问题有望通过同步开关技术加以解决。同步开关将会对过分相技术提供有力的技术支持。传统的气动机构和弹对过分相技术提供有力的技术支持。传统的气动机构和弹簧机构由于传动环节多、操动时间分散性大而无法实现，簧机构由于传动环节多、操动时间分散性大而无法实现，永磁操动机构则完全可以满足同步技术要求。因此，采用永磁操动机构则完全可以满足同步技术要求。因此，采用永磁操动机构真空断路器也为下一步的发展打下了基础。永磁操动机构真空断路器也为下一步的发展打下了基础。目前我公司正在研制同步开关产品，已通过实验室验证，目前我公司正在研制同步开关产品，已通过实验室验证，即将投入试运行。在结构上开关主体部分完全不动，和现即将投入试运行。在结构上开关主体部分完全不动，和现在一样，只需更换控制器即可