欢迎专家领导莅临指导工作

1. 欢迎专家领导莅临指导工作

2. TDZ-30/630/1250新型电力机车真空断路器 西安伯龙高铁电器销售有限公司

3. 目 录 第1部分 TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器简介 第2部分 永磁操动机构的智能控制装置 第3部分 质量管理体系 第4部分 结束语

4. 第一部分 TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器简介 • 第一章 公司简介 • 第二章 TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器工作原理 • 第三章 技术创新点 • 第四章 试验及运行情况

5. 第一章 公司简介 西安伯龙高铁电器销售有限公司（以下简称本公司）成立于2008年8月，主要业务范围包括电力设备、自动化控制设备、电器成套设备、机械产品的研发销售的专业公司，本公司作为西安交大思源智能电器有限公司生产各类系列铁路产品的监制单位，全权负责代理组织销售其相关产品，西安交大思源智能电器有限公司作为生产单位，为本公司提供必要的技术支持。公司是国内少有的能够生产和销售永磁真空断路器的高技术公司，同时可为客户提供可靠完善的售后服务。公司注册资金1000万，座落于国家级高新技术产业开发区-西安市高新技术产业开发区的中心位置。本公司与西安交大思源智能电器有限公司合作拥有自己的铁路产品的研发中心，生产基地，可面向全国为客户提供成熟而高效的服务。本公司拥有多项具有自主知识产权的高科技产品，拥有一个年轻的销售团队，其中本科以上学历的人员占到80%。在新产品开发方面公司依托西安交通大学的科研力量，主要将为中国铁路电力机车提供各类电器产品。我们的产品技术始终保持与国际先进水平同步发展，始终非常重视具有自主知识产权的技术和产品的研发工作，并且本着可持续发展的原则，积极开拓、勇于创新，着眼于市场，服务于用户。依靠坚实的技术实力和奋进的企业精神，目前公司的各项产品已在铁路及民用等领域得到了广泛地应用，获得用户的广泛好评。公司的发展理念是以人为本，用户至上，以诚待人，以信取人，以优胜人。我们将以坚定的自信和真挚的诚意，希望与各界朋友进行合作，共创辉煌的明天。

6. 第二章 TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器工作原理 ㈠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。 ◆2001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。 ◆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“1+1”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、兰州铁路局开始试用，将于2010年正式向市场推广。

7. （一）项目研发意义（续） • 我们研制的基本思路是采用真空灭弧技术、APG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。 • 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、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。

8. （二） TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器工作原理 • TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器由车外和车内两部分组成。 • 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，APG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； 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。 • 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直线运动。

9. TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器

10. ㈢TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器的主要技术参数㈢TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器的主要技术参数

11. ㈣简单方便的安装方式 • 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制插座，其他无须改动。 • 基本连接方式有三种 1、并联连接方式：ZD1、ZD2两台主断路器采用双热备可交替运行。 2、单独与受电弓连接方式：ZD1、ZD2两台主断路器分别与受电弓G1、G2连接，运行中ZD1与G1、 ZD2与G2联动运行。 3、转换开关连接方式： ZD1、ZD2两台主断路器通过转换开关与车顶电路连接。

12. 第三章 项目技术创新点 （一）真空灭弧技术 • 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10kV-35kV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35kV以下，使用真空灭弧技术是安全的、可靠的。 • 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。 • 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1万次，在电力系统的断路器上可以使用5至10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，如果在繁忙的铁路线上，1万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，可将真空灭弧室的机械寿命提高到10万次以上。将来我们使用机械寿命10万次的真空灭弧室，再加上我们采用动态监测和智能缓冲控制技术，可确保真空断路器的机械寿命达到20万次以上。

13. （二）APG工艺固封技术 • 由于电瓷绝缘材料具有一系列优良的绝缘和价格便宜，一直作为高压电器领域主绝缘材料。但是电瓷绝缘材料也存在诸如它的联接必须采用金属连接件，重量重、体积大、不耐碰撞及内外温差大时容易开裂等缺陷。因此，目前高压电器选用复合绝缘材料作为主绝缘材料已经成为一种发展方向。根据电力机车上的使用环境条件，我们选用APG工艺复合绝缘材料。其特点是粘接力强，机械强度高，有较高的耐寒、耐热、耐化学稳定性等特性，具体性能数据如表2所示：

14. 表2 APG工艺复合绝缘材料特性表

15. APG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，工作温度可达到-45℃~95℃左右。 • 我们在和昆明高压电器研究所研制的35kV高原型真空断路器试验过程中，模拟海拔4000米，普通绝缘材料可靠裕度通常需要增加50%，而采用APG工艺复合绝缘材料，可靠裕度仅需增加30%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。 • APG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，而是小水珠粒，不易粘连成线，防止因雨水绝缘放电。

16. （三）永磁操动机构及其智能控制技术 • 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,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,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,断路器机械故障率占总故障的70%左右,这其中主要是由于操动机构引起的。 • 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。这也是TDZ-30/630/1250新型断路器设计上的特点之一。 • 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,所以可靠性明显提高。

17. 它的另一个特点是长寿命,从机构原理看出,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,电磁线圈和磁路为静止机构,只要设计合理,没有外力破坏,一般它不会损坏。其寿命的制约因素,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，特别是钕铁硼永磁材料的制造成功,给永磁机构的长寿命,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，永磁机构本身机械寿命可以达到100万次以上。它的另一个特点是长寿命,从机构原理看出,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,电磁线圈和磁路为静止机构,只要设计合理,没有外力破坏,一般它不会损坏。其寿命的制约因素,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，特别是钕铁硼永磁材料的制造成功,给永磁机构的长寿命,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，永磁机构本身机械寿命可以达到100万次以上。 • 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60ms，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。 • 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。 • 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。

18. （四）其他设计技术 • 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、环境耐温、控制难易程度、寿命设计以及维护安装和外观等方面。 • 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-30/630/1250电力机车真空断路器的运动部件只有一个，作直线运动。 • 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。

19. 第四章 试验和试运行情况 • 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,检验断路器固封主体绝缘性能,机械强度性能,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研究。 • 从2001年到2003年方案和结构进行多次修改。过去按照TB/T2055---1999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GB/T11022-----1999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TB/T1333.4-2005/IEC600774:2003铁路应用 机车车辆电气设备 第4部分：电工器件 交流断路器规则进行了型式试验。 ㈠试验内容 • 1. 2004年3月在国家高压电器质量监督检验中心 西安高压电器研究所进行试验。试验内容包括： • 短时工频耐压试验。 • 雷电冲击耐压试验。 • 开断短路电流试验。 • 关合能力试验。 • 动热稳定试验。 • 试验结果符合设计要求。

20. 2．2008年2月，在铁道部产品质量监督检测中心 机车车辆检验站进行型式试验。按照铁道行业标准TB/T1333.4-2005/IEC600774:2003铁路应用 机车车辆电气设备 第4部分：电工器件试验内容包括： • 绝缘性能试验（工频耐压试验、雷电冲击试验和淋雨试验）。 • 工作极限试验。 • 温升试验。 • 机械寿命试验。 • 热稳定性试验。 • 湿热试验 • 盐雾试验 • 电磁兼容性试验 • 震动及冲击试验 • 试验结束后断路器完好，符合铁道部标准及IEC标准，符合设计要求。

21. （二）试运行情况 • 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。 • 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。

22. TDZ-30/630电力机车真空断路器 安装在 SS3型电力机车上

23. 第二部分TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器永磁操动机构智能控制器第二部分TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器永磁操动机构智能控制器

24. 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，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。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，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。

25. 控制器硬件结构图1 ZPJ

26. 控制器硬件结构图2

27. +110v 电源模块 电容器 +5V-5V,+15V 合闸输出 电力电子 驱动模块 调 理 电 路 光 电 隔 离 CPLD智能控制模块 光 电 隔 离 电力电子控制电路 合分闸命令 分闸输出 合分闸状态信号 遥控合分闸命令 运行状态显示 电源电压监视 在线编程接口 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、信号输入模块、信号输出模块、CPLD智能控制模块、电力电子驱动模块。

28. 目前国内外采用的实现方案有3种： 1. 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； 2. 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CPU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。 3. 采用EDA技术(Electronic Design Automation 电子设计自动化)。EDA技术是采用FPGA(Field Progrrammable Gate Array)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)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，是一个先进而可靠的方案。

29. 我公司采用的是第3种方案，即采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为智能控制部件，其设计过程是，借助于计算机，在EDA工具软件quartus II平台上，采用硬件描述语言VHDL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，这是因为硬件电路不管受到什么干扰其电路结构不会发生变化，采用EDA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正常状态的各种措施的可行性。 我公司设计的专用芯片2005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,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ABB公司，其永磁操动机构真空断路器就采用的EDA技术，我们和ABB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超过该公司控制器的水平。

30. 二、可靠性设计 • 1．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。我们在设计中采取的措施主要有： (1).电源输入加有性能优良的电源滤波器，可以防止通过 电源线的传导干扰； (2).专用芯片通过光电电路完全与外部I/O部分隔离，以 保证专用芯片安全运行； (3).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； (4).电路板精心设计，精心布线，避免线路之间的串扰；

31. 2.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，它的负载是一个大的电感，在开通和关断过程中会产生很大的动态dv/dt，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，所以确保这部分电路稳定可靠的工作亦很关键。 (1).在设计中使用抗冲击能力强. dv/dt性能好的IR公司 的IGBT和IGBT控制芯片； (2).精心设计电路参数,反复测试，保证输出波形好； (3).精心设计和调试吸收电路，保证驱动电路稳定工作； (4).过流保护电路，确保电力电子电路的安全运行。 (5).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 用最长时间控制。

32. 3. 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，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，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机现象，即确保控制器永远保持在运行态。

33. 三．永磁操动机构真空断路器的两大技术优势 • 1．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EDA技术，完全可以满足这方面的要求。 • 2．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，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，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使用，这就使开关的更新换代具有连续性。我公司始终在跟踪开关技术的前沿发展，完全有实力向用户提供最先进的开关产品。

34. 第三部分TDZ-30/630/1250电力机车真空主断路器质量管理体系第三部分TDZ-30/630/1250电力机车真空主断路器质量管理体系

35. 一、公司质量管理体系 西安交大思源智能电器有限公司是专业针对电力系统自 动化设备研发，生产的高新科技企业。公司一直坚产品质量 第一方针为宗旨，依据GB/T19001- -2000标准的要求， 建立、实施、完善了公司的质量管理体系，并通过了ISO9000质量体系认证。 公司质量体系运行已多年，依据质量体系的要求结合实际运作，质量体系对公司每一系列产品从研发、生产至 用户使用每一环节、每一工序制定了科学的操作规范公司的 质量目标在每年年中及年末进行的两次考核中都能够完成， 从而使我公司通过由国家认证中心对我公司质量体系的审核。进一步证实了公司的质量体系运行的符合性，可操作性及有效性。

36. 二、TDZ-30/630/1250真空断路器质量体系 由公司自主研发、生产的TDZ-30/630/1250电力 机车真空断路器的质量体系内容： 1、16个质量文件 2、12份质量记录 3、生产过程制定了六个质控点

37. 质量目标 • 顾客满意度 ≥95%， • 现场一次投运合格率 ≥94%， • 生产部成品交验合格率 ≥95%。

38. 第四部分 结束语 经过几年的研究、分析、试验和试运行表明，TDZ-30/630/1250电力机车真空断路器是一个满足铁标和IEC标准， 能为电气化铁路自主创新服务 的一款自动化产品。

39. 谢 谢