轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体的制作方法

本发明涉及轨道交通电气设备技术领域，尤其是涉及一种高压绝缘的复合材料电气柜体。

背景技术：

电力机车车辆的牵引系统是为列车运行提供牵引和制动的动力、为整车控制提供电能的关键部分，作为连接网侧高压与列车低压设备的枢纽，其安全性至关重要。由于网侧电压很高，能达到2.5万伏，为保证列车运行安全，牵引系统中的变压器、断路器等高压模块除满足运行中的冲击和振动要求外，还要求与外界绝缘电压等级高达8.5万伏。以往的高压模块柜体通常采用金属材料，在柜体中填充变压器油或硅胶等绝缘介质达到绝缘要求。

随着轨道交通技术的发展，轨道交通电气设备的轻量化和小型化要求越来越高，各设备的安装空间非常有限，而以往采用变压器油或硅胶绝缘的金属柜体重量和体积都非常大，无法满足要求，急需发明一种重量轻、体积小、绝缘性能优异，并且能满足冲击和振动条件下的强度和刚度要求的新型电气柜体。

复合材料具有材料特性和结构可设计的优点，在轻量化领域是金属材料的理想替代材料。采用绝缘纤维（如玻璃纤维、玄武岩纤维）和绝缘基体材料（如高绝缘型环氧树脂）组成的复合材料，应用于轨道车辆高压模块柜体，既能发挥结构复合材料的作用，又能体现功能复合材料的优势。

现有技术中，申请号为201811301010.3的发明公开了一种复合材料电气绝缘箱及其制造方法，包括箱体、连接在箱体上的箱盖、安装在箱体前侧面下部的输入输出接线柱，还包括内、外部安装件；箱体和箱盖均为三明治结构。该技术提出了一种轻量化绝缘箱体结构及制造方法，但对于小型化没有进一步的研究，没有解决箱体小型化带来的内部绝缘空气间隙及爬电距离不足的难题，而该问题正是实现柜体小型化的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种高强度、高压绝缘、轻量化的轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体，解决小型化及内部绝缘空气间隙及爬电距离不足的难题。

本发明的技术方案是：一种轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体，包括下柜体和连接在下柜体上面的上盖板、安装在下柜体内右部的高压模块；还包括“回”字形结构；“回”字形结构包括设置于下柜体内右侧面上的凸“回”字形结构和设置在高压模块上的凹“回”字形结构；凸“回”字形结构与凹“回”字形结构相配合，凸“回”字形结构邻近凹“回”字形结构，凸“回”字形结构的大部分位于凹“回”字形结构中，且凸“回”字形结构与高压模块之间保持有间隙。

凸“回”字形结构包括一大一小二个方框，每个方框均为左右开口、中间为空的长方体形，大方框位于小方框外围且相互之间保持有距离，凸“回”字形结构的纵截面为“回”字形；高压模块右侧面上与凸“回”字形结构相对应位置设置有凹“回”字形结构，凹“回”字形结构包括一大一小二个框形凹槽，大凹槽位于小凹槽外围，凹“回”字形结构的纵截面为“回”字形；凸“回”字形结构与凹“回”字形结构相配合，凸“回”字形结构的大方框和小方框分别插入在大凹槽和小凹槽中，且大方框和大凹槽内表面之间、小方框和小凹槽内表面之间均保持有间隙。

凸“回”字形结构还包括两块侧板，大方框和小方框右侧的上部和下部各连接有一块侧板，侧板连接下柜体；或者，在大方框和小方框右侧连接一块中部为空的长方形薄板，长方形薄板连接下柜体。

凸“回”字形结构与下柜体一体成型，或者，凸“回”字形结构单独成型后再与下柜体粘接。

凸“回”字形结构中间位置的下柜体上设有两个圆形的低压线缆安装孔；下柜体两侧端面设置有冷却介质管道进出孔、绝缘气体介质充排气孔、信号线束安装孔。

所述的轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体还包括设置于下柜体外部四周侧面靠近底部的环形槽组；环形槽组包括三条环形槽，每条环形槽深10mm、宽6mm；三条环形槽均匀分布。

所述的轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体还包括设置于下柜体外部底面的外部安装座嵌件和用于固定高压模块的内部安装座嵌件，内部安装座嵌件设置于下柜体内顶面；外部安装座嵌件与下柜体内部底面的距离≥10mm，两者之间的距离空间用复合材料填充，外部安装座嵌件与环形槽组最小距离≥10mm，两者之间的距离空间用复合材料填充；内部安装座嵌件底部与下柜体底部之间的间距≥10mm，两者之间的距离空间用复合材料填充。

外部安装座嵌件采用不锈钢材料，外部安装座嵌件上设有螺纹孔，外部安装座嵌件与下柜体的连接方式采用预埋成型或胶接的方式；内部安装座嵌件采用不锈钢材料，内部安装座嵌件上设有螺纹孔，内部安装座嵌件与下柜体的连接采用预埋成型或胶接的方式。

下柜体前侧面设置有高压接线柱；高压接线柱采用不锈钢材料，高压接线柱与下柜的连接采用预埋成型或胶接的方式，高压接线柱外露部分设有沿柜体长度方向的螺纹孔；

下柜体外部左端面设置有拉手结构；拉手结构采用复合材料，拉手结构与下柜体整体成型或与下柜体胶接连接；

下柜体顶部设有法兰面，法兰面上设置有凹槽，凹槽内放置有密封条，上盖板通过螺栓紧固压紧密封条密封连接下柜体。

下柜体底部为底部泡沫夹心层；下柜体底部采用复合材料层+泡沫夹心层+复合材料层的三明治结构，下柜体内部底面的复合材料层厚度为10mm，下柜体外部底面的复合材料层厚度为5~10mm；

下柜体侧面和上盖板局部均采用复合材料层+泡沫夹心层+复合材料层的三明治结构；

复合材料为纤维增强树脂基复合材料，纤维选用玻璃纤维和玄武岩纤维中的一种或几种；树脂为高绝缘型环氧树脂；泡沫为pet、pmi、pei中的一种或几种。

本发明提供的轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体，具有以下优点：

（1）本发明采用连续纤维增强复合材料制成的柜体，具有良好的力学性能、耐腐蚀性能，在满足承载的同时，还能提供优良的绝缘性能，可以达到8.5万伏保压1min的绝缘要求，相比于金属柜体，能够将固体和液体绝缘介质替换为气体绝缘介质，大幅降低整柜的重量。

（2）本发明采用增加爬电距离设计，在满足绝缘性能要求的前提下，尽可能地缩小柜体的体积，实现小型化。

（3）本发明柜体结构简单，内部高压模块安装方便，柜体外部设有拉手结构，方便柜体检修和拆装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动地前提下，还可以根据这些附图获取其他的实施例。

图1是本发明轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体的立体示意图；

图2是本发明轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体的在另一视角下的立体结构示意图；

图3是本发明轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体的主视剖视图；

图4是本发明轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体的右视剖视图；

图5是沿图3中a-a线的剖视图；

图6是沿图3中b-b线的剖视图；

图7是高压模块与凸“回”字形结构配合（剖视）示意图；

图中：1-上盖板，2-下柜体，3-外部安装座嵌件，4-内部安装座嵌件，5-高压接线柱，6-凸“回”字形结构，7-拉手结构，8-环形槽组，9-底部泡沫夹心层，10-低压线缆安装孔，11-冷却介质管道进出孔，12-绝缘气体介质充排气孔，13-信号线束安装孔，14-高压模块。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，对于本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图7所示，一种轨道车辆用高压绝缘复合材料电气柜体，包括下柜体2和连接在下柜体上面的上盖板1，还包括外部安装座嵌件3、内部安装座嵌件4、高压接线柱5、“回”字形结构（包括凸“回”字形结构6和凹“回”字形结构）、拉手结构7、环形槽组8、底部泡沫夹心层9、低压线缆安装孔10、冷却介质管道进出孔11、绝缘气体介质充排气孔12、信号线束安装孔13、高压模块14。凸“回”字形结构的大部分位于凹“回”字形结构中。

设置于下柜体2内部右侧面上的凸“回”字形结构6，凸“回”字形结构包括一大一小二个各自围合的方框，每个方框均为左右开口、中间为空的长方体形，大方框位于小方框外围且相互之间保持有适当的距离，凸“回”字形结构的纵截面为“回”字形。高压模块14右侧面上与凸“回”字形结构相对应位置设置有凹“回”字形结构，凹“回”字形结构包括一大一小二个框形凹槽，每个凹槽均为沿长方形边长延伸分布的凹槽，大凹槽位于小凹槽外围，凹“回”字形结构的纵截面为“回”字形。凸“回”字形结构与高压模块14上对应位置的凹“回”字形结构相配合，凸“回”字形结构的大方框和小方框分别插入在大凹槽和小凹槽中，且大方框和大凹槽内表面之间、小方框和小凹槽内表面之间均保持有一定的间隙，凸“回”字形结构6中间位置的下柜体上留有两个低压线缆安装孔10（采用圆孔），用于放置低压输出线缆。凸“回”字形结构与下柜体整体成型，或者，凸“回”字形结构6单独成型后，与下柜体2粘接。凸“回”字形结构还可包括两块侧板，大方框和小方框右侧的上部和下部各连接一块侧板，再通过侧板将凸“回”字形结构连接到下柜体；也可以在大方框和小方框右侧连接一块中部为空的长方形薄板，长方形薄板与方框结构相配合，再通过长方形薄板将凸“回”字形结构连接到下柜体。由于下柜体2结构紧凑、尺寸小，凸“回”字形结构6中间的低压端距离周围的高压端间距太小，小于复合材料表面的爬电距离，采用“回”字形结构设计可以增大高压与低压端的爬电距离到安全间距，保证整个柜体的绝缘性能。凸“回”字形结构6设置在下柜体2内部，不增加柜体外部体积，能够提高柜体内部空间利用率，在解决绝缘问题的同时，保证柜体的小型化要求。

设置于下柜体2外部四周靠近底部的环形槽组8，包括三条环形槽，三条环形槽均匀分布，每条环形槽的尺寸为10mm（深）x6mm（宽），其作用为可以增加下柜体2外部四周靠近底部区域60mm的爬电距离，避免出现因高压模块底部电荷集中而导致沿下柜体外部四周底部向柜体底部安装座爬电的问题。

设置于下柜体2外部底面的外部安装座嵌件3，安装座通过外部安装座嵌件与下柜体外部连接，起到安装固定作用；外部安装座嵌件采用不锈钢材料，不需要进行特殊的防腐处理，外部安装座嵌件3上设计有螺纹孔，用于螺栓连接，外部安装座嵌件3与下柜体2的连接采用预埋成型或胶接的方式，为保证柜体高压绝缘性能，外部安装座嵌件3与下柜体2内部底面的距离≥10mm，两者之间的距离空间全部用复合材料填充，外部安装座嵌件与环形槽组最小距离≥10mm，两者之间的距离空间全部用复合材料填充。

设置于下柜体2内部顶面的内部安装座嵌件4（即模块安装座嵌件），采用不锈钢材料，用于固定内部高压模块；不需要进行特殊的防腐处理，内部安装座嵌件4上设计有螺纹孔，用于高压模块的螺栓紧固，内部安装座嵌件4与下柜体2的连接采用预埋成型或胶接的方式，为保证柜体高压绝缘性能，内部安装座嵌件4底部与下柜体2底部泡沫夹心层9之间的间距≥10mm，两者之间的距离空间全部用复合材料填充。

设置于下柜体2前侧面的高压接线柱5，采用不锈钢材料，不需要进行特殊的防腐处理，高压接线柱5与下柜体2的连接采用预埋成型或胶接的方式，外露部分设计有沿柜体长度方向的螺纹孔，方便在狭小的空间里连接线缆，降低柜体组件的安装难度。

设置于下柜体2外部左端面的拉手结构7，采用复合材料，与下柜体2整体成型或胶接连接，通过将下柜体底部固定在导轨上，借助拉手结构7可以将柜体（包括上盖板和下柜体）从狭小的空间拉出，实现柜体内部高压模块的检修或更换的目的。

设置于下柜体2端面的冷却介质管道进出孔11、绝缘气体介质充排气孔12、信号线束安装孔13，满足柜体内部高压模块的热管理、内部绝缘气体浓度调节与监测、信号传输等功能要求。

下柜体2顶部法兰面上设置有凹槽，用于放置密封条，与上盖板1通过螺栓紧固压紧密封条密封。

下柜体侧面和上盖板局部（绝缘要求较低的部位）均采用复合材料层+泡沫夹心层+复合材料层的三明治结构；优选为：下柜体2侧面和上盖板1局部均采用2.5mm厚复合材料层+5mm厚泡沫夹心层+2.5mm厚复合材料层的三明治结构，其余部分全部为复合材料。下柜体底部采用复合材料层+泡沫夹心层+复合材料层的三明治结构，下柜体内部底面的复合材料层厚度为10mm，下柜体外部底面的复合材料层厚度为5~10mm；优选为：下柜体2底部由内到外采用10mm厚复合材料层+60mm厚泡沫夹心层+5mm厚复合材料层的三明治结构。通过试验验证表明，两层复合材料设计可以解决由于下柜体内部高压模块存在电荷集中而导致底部对外部部件产生闪络的问题。复合材料为纤维增强树脂基复合材料，纤维选用绝缘性能优异的玻璃纤维和玄武岩纤维中的一种或几种；树脂为高绝缘型环氧树脂；泡沫为pet、pmi、pei中的一种或几种；采用这种结构设计的的柜体可以达到8.5万伏保压1min的绝缘耐压等级，还可以满足车辆运行冲击振动过程中的密封性能要求，并且大幅降低高压模块系统的整体体积。

本发明不仅能够满足高压绝缘、轨道车辆设备的冲击振动和承载要求，还具有轻量化和小型化的特点；本发明在现有技术的基础上，同样采用三明治结构，但是针对该内部绝缘空气间隙及爬电距离不足的问题提出了新的结构设计解决方案，能够满足8.5万伏保压1min的绝缘耐压要求。

对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和修饰，如改变柜体各面的布局、改变内部模块的安装方式、增加爬电距离的“回”字形改为环形或其他形状、增加凸起环形的数量等，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。