电力机车低压电气柜接线端子排设计
发布时间：2022-02-24
摘 要：为使低压电气柜布线线路规整、接线美观、维护方便，以电力机车低压电气柜为例，介绍低压电气柜设备和线路布局，详细论述低压电气柜网络控制系统、控制回路和辅助回路接线端子排的设计思路、选型方法，以及在低压电气柜内部的布局和注意事项。在设计低压电气柜时，电气设备应按功能分区域布置，数据总线、控制线和辅助电缆走线通道根据相应电气设备布置区域设计。应根据设备布置区域和电气原理设计端子排。设计端子排应全方位考虑，形成独立布线通道，避免各系统间相互干扰，预留安装操作空间。
关键词：电力机车;低压电气柜;端子排;布线
0 引言
接线端子可以用来方便地连接导线，在全球工业、交通、建筑等诸多领域中运用非常普遍。电力机车电气柜柜内设备分线及与柜外设备连接时，都要通过专门的接线端子。这些接线端子组合起来的固定装置，称为端子排。接线端子排能使布线规整、接线美观，而且便于维护。在连接远距离线路时方便施工，使线路连接更加牢固，后期排查故障时也省时、省力。以电力机车低压电气柜 (以下简称“低压柜”) 为例，介绍低压柜端子排设计。
1 低压柜设备和线路布局
低压柜是电力机车网络控制系统、控制回路和辅助电气设备的载体，主要承担以下功能：① 控制辅助电源 AC 440 V (定频和变频) 及辅助负载; ②分配 DC 110 V 电源、控制电路;③控制网络。
由于低压柜内部电气设备电压等级不同，导致低压柜内部运行环境极为复杂。为保证低压柜能够正常可靠运行，在设计低压柜时，应按功能分区域布置电气设备。
根据电气设备布置区域及电气原理设计端子排，形成独立布线通道。通道设置应满足 GB/T 34571—2017《轨道交通 机车车辆布线规则》 相关要求，保证布线通道的完整性和合理性，避免各系统间相互干扰。
1.1 设备布局
低压柜内部根据功能分区如下：低压柜上部为网络控制系统设备安装区域;左下柜及左下后侧为控制回路设备安装区域;右下柜及右下后侧为辅助回路设备安装区域。低压柜前面安装断路器和转换开关，便于司乘人员操作。
低压柜上部、左下、右下分别设置通往各个区域的检修门。低压柜布局如图 1 所示。
低压柜内部功能分区可以根据整车辅助电源来向作相应调整。例如，左右互换，使控制回路和辅助回路设备安装区域对调，方便大线进出低压柜[1]。
1.2 线路布局
低压柜线路布局方案主要考虑以下 3 类电缆：数据总线、控制线和辅助电缆。相应走线通道应根据相应设备分区设计。
数据总线和控制线由左下柜进线口，到达低压柜内部。数据总线从左下柜最外侧数据线通道，到达柜顶网络控制系统安装区。控制线从左下柜外侧与数据总线通道平行的控制线通道，到达左下柜控制电路设备安装区。辅助电缆包括电源进线和负载出线，电压等级为 AC 440 V。
为避免辅助电缆对数据总线和控制线的影响，布线通道设置在右下柜。设计时应考虑就近固定、转弯半径、接线点顺序流等影响因素，避免大线在低压柜内部来回绕线及交叉。所有电缆都通过端子排对外连接。端子排布置在相应功能区域，要求便于施工、操作及维护。低压柜所有电缆进线口设置在低压柜底板上。
2 网络控制系统接线端子设计
低压柜内部集成了网关模块 GWM、车辆控制模块 VCM、事件记录模块 ERM、数字量输入输出模块 DXM 和智能显示模块 IDU 等网络控制模块，以实现对整个机车的网络控制、数据采集及状态监控功能。大量数据控制线由低压柜外部进入低压柜内部，部分控制线还需要打断分线。由于网络控制区域空间有限，为便于网络系统调试和整体设计，不影响观察网络模块，在网络模块安装区布置的端子排均采用 4 线端子。网络控制系统端子排如图 2 所示。
3 控制回路接线端子设计
继电器、接触器安装在低压柜内部控制回路设备安装区域，操作面板布置了大量 DC 110 V 配电断路器。针对 DC 110 V 控制回路，需在低压柜内部布置大量分线端子，在低压柜内外部布置控制线连接分线端子、屏蔽线接线端子、DC 110 V 电源接线端子等。
3.1 低压柜内部分线端子
低压柜内部分线端子用于低压柜内部等电位点分线，因此端子排采用 4 线端子，即同一电位可以接 4 根线，便于分线，布置在端子安装板上部。低压柜内部分线端子如图 3 所示。
3.2 低压柜内外部控制线连接分线端子
为方便低压柜内外部控制线连接，将低压柜内外部控制线连接分线端子排设置在控制回路安装区域，接近控制电缆进线口，即端子安装板下部。低压柜内外部控制线连接分线端子排采用 2 线/2 针端子。2 线用于低压柜内部，2 针用于低压柜外部。低压柜内外部连接时，外部电缆接入连接插头，连接插头端子 2 针即可完成连接。在检修和维护低压柜时，可以直接拔出相应连接器插头，即可断开连接。在恢复线路时，插好对应连接器插头即可。这样可以节约维护时间。
由于 2 线/2 针式分线端子需要增加连接插头和端子排实际接线高度，因此需要考虑布线空间及其高度对其他相邻电气设备的影响。
3.3 屏蔽线接线端子
低压柜内部分线缆为屏蔽线。例如，电压表电缆屏蔽层需要接地，在端子两侧合适位置设置接地点，因此在屏蔽端子排上设置屏蔽压线框及汇流排，将屏蔽电缆屏蔽层，通过压线框压接在汇流排上，将汇流排端子和接地点连接接地线。这种接地方式可以使屏蔽层与接地导体有足够的接触面积，保证接地有效。屏蔽线接线端子如图 4 所示。
3.4 DC 110 V 电源接线端子
DC 110 V 电源来自于电源柜，在低压柜进行电源分配，包括 DC 110 V+和 DC 110 V-。
DC 110 V+采用螺柱头作为正线接线端子，通过单极断路器进行 110 V 配电，经过低压柜内外部控制线连接端子，分配至整车。
DC 110 V-将汇流铜排作为分线端子，汇流铜排上每个接线点作为一路接地点，通过 4 线端子分线。当出现接地故障时，可将汇流铜排上的接地点逐路切除，便于排除查找接地故障。
DC 110 V 电源接线端子如图 5 所示。
4 辅助回路接线端子设计
在正常情况下，电力机车由 2 台辅助变流器给整车辅机设备提供 AC 440 V 电源。考虑节能和降噪因素，一台在变频模式下工作，为机车变压变频辅机负载供电;另一台在定频模式下工作，为机车其他定频负载供电。当其中一台辅助变流器发生故障时，由另一台辅助变流器在定频模式下工作，给全车辅机负载供电。
辅助回路端子排如图 6 所示。
4.1 辅助回路进线端子
辅助变流器提供 2 路 AC 440 V 电源。通过安装在低压柜内部的辅助接触器分配电源。2 路辅助回路电源进线为 6 根 95 mm2 电缆，电缆外径大，接线头也较大，转弯困难，采用竖直排布的单螺柱头接线端子，作为低压柜内外部电缆连接点。
端子隔板高度和宽度应既能满足绝缘性能，又能保证电缆顺利转弯连接。
电源进线从低压柜底部进线孔，进入接线端子排外侧，端子排内侧用于低压柜与辅助接触器相连。
4.2 辅助回路等电位分线端子
电力机车整车辅机负载设备包括定频模式负载和变频模式负载。每种工作模式下的负载数量都很多，需在辅助接触器到辅机设备保护断路器或辅机设备控制接触器之间，设计辅助回路端子排分线。
端子排采用双螺柱头接线端子，上部 3 路作为变频模式等电位分线端子，下部 3 路作为定频模式等电位分线端子。由于 1 个接线柱仅可以分为 2 个接线点，根据每个模式下辅机设备数量，可将每路接线点采用 2 组或 3 组双螺柱接线端子，通过短接铜排连接，实现等电位分线。
如果端子排空间有限，等电位分线点数量过少，难以满足分线点位，可以根据负载电流大小选择配套的汇流排，将 2 个或 3 个断路器分为 1 组，用汇流排将断路器进线端短接，这样既可以减少辅助回路等电位点端子排，又可以节约空间。
4.3 辅助回路负载接线端子
辅助回路负载位于低压柜外部，控制设备位于低压柜内部，因此低压柜内外部连接需要设计辅助回路出线端子排。设计辅助回路端子排时，根据辅机负载数量、电流大小、电缆线径，确定端子型号及数量。为节约空间，可以不预留大线端子数量，仅预留少量小线端子。
辅助回路负载接线端子排垂直安装在低压柜辅助回路进线孔上部，相同规格端子布置在一起。端子从大到小排布，将大线端子布置在最下方，小线端子布置在最上方，以便电缆布线和进出。
为了方便后期设计更改，在设计辅助回路端子排时，可以为每种规格的端子命名一个名字，单独设计序号。例如，=92-X143.51/52/53，51 代表 16 mm2 大线接线端子，序号由 1—12;52 代表 6 mm2 接线端子，序号由 1—15;53 代表 4 mm2 接线端子，序号由 1—30。后期如果由于某种原因，需要增加 1 个负载、3 个 6 mm2的端子排。在设计变更时，可将=92-X143.52 增加 3 个，序号变为 1—18，同类端子仍可以布置在一起，不影响其他端子接线及序号排列，保证设计的美观性和统一性。
在设计低压柜整体布局时，应注意预留安装操作空间。
5 结语
接线端子排是低压柜内外部电气设备连接的桥梁，是低压柜内部重要的电气元件。接线端子排设计与电力机车电气原理、低压电气设备布局密切相关，直接影响整车电气系统的安全性、可靠性和可维护性。因此，在端子排设计时应全方位考虑，以保证电力机车安全运行。——论文作者：崔洪岩 1 ，丁伟民 2 ，李 丹 1 ，唐 健 1
参考文献
[1] 邹洁璇，王位，丁伟民，等.电磁兼容设计在神华八轴电力机车低压电气柜中的应用 [J].电力机车与城轨车辆，2013 (7)：48-50.
[2] 赵亮，李章，王喜亮.电力机车低压柜预布线工艺研究 [J].电力机车与城轨车辆，2016(7)：66-68.
[3] 李学普，杨春，董萤.电力机车电气屏柜简统化设计浅析[J].铁道机车与动车，2016(4)：10-12.
[4] 景美丽，王利，马新华，等.城市轨道交通车辆车端低压接线箱端子排的改进设计 [J].应用技术，2019 (4)：119- 121.
