牵引用大容量隔爆电阻器的研制设计
1 引言
目前,煤炭行业复苏给低迷的煤矿井下辅助运输设备市场带来了一片生机,而现有的巷道掘进多采用沿煤层方式,使长距离大坡度的蓄电池机车颇受欢迎。为了适用长距离大坡度的路况要求,现大多采用胶套轮、齿轨以及增大功率等方式来满足与之对应的大牵引力的要求,而人们最担心的制动问题一直没找到比较合适的方式,其中机械和液压等制动方式均不可能满足煤矿井下辅助运输设备限制表面温度不超过150℃的基本要求,只能采用下坡发电制动的方式。因此,机车启动和电气制动的重要器件—牵引用隔爆电阻器就需要很大容量,以便放出机车制动时产生的热量,同时又不使其表面温度超过规定要求。现有牵引用隔爆电阻器因为只考虑平道启动时使用,故其容量偏小。其主要结构形式为有骨架的螺旋式电阻器、外加隔爆外壳且隔爆外壳上装有散热片。电阻器产生的热量一部分由电阻器本身吸收,另一部分利用了辐射和电阻器内部的空气对流,使热量通过电阻器外壳及其散热片向周围空气散发,因此传热效率较低。这种结构方式,使单位体积的电阻器容量受到了极大的限制。而机车所能提供给电阻器的空间是有限的,不可能通过增加隔爆电阻器体积和重量来解决其容量问题,这样必须另辟蹊径才能解决这种问题。基于以上原因,对牵引用隔爆电阻器重新进行了分析和研究,研制了新型的隔爆电阻器,并从结构和原理上进行了根本性的改进,突破了现有隔爆电阻器的容量瓶颈。
2 工作原理
通过研究归纳了影响电阻器容量的因素:(1)热的传递方式。热传递方式有3种:传导、对流和辐射,而其中热传导方式导热效率是最高。(2)电阻元件本身热容量限制。电阻器的作用是限制电流,一般根据机车启制动要求和牵引电机参数来确定电阻值。即电阻值
R=ρLPS
式中ρ——电阻元件电阻率;
S——电阻元件截面积。
所以必须通过同时增加其长度和截面积来增加电阻元件热容量,但这种方式受电阻器体积的限制。(3)电阻带的单位载流量与热的传导率成正比。理论上讲,如果电阻带产生的热量能及时全部地传导出去,电阻带的载流量可以达到无限大,但要受到工艺、材料等因素的影响和限制。综上所述,牵引用隔爆电阻器提高容量的最佳途径是用可靠有效的热传导方式。
在现有的热传导器件中,一种新型高效的传热元件—热管日渐成熟。热管是一种传热性极好的人工构件。常用的热管由三部分组成:主体为封闭的金属管,内部有少量工作介质和毛细结构。热管工作时利用了3种物理学原理:(1)在真空状态下,液体的沸点降低;(2)同种物质的汽化潜热比显热高得多;(3)多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。
热管工作时与热源靠近的一段(蒸发段)内的液体吸热而蒸发,蒸汽携带汽化潜热经空腔流向另一段(冷凝段),汽体经管壁与外界冷媒体换热放出潜热而完成了传热任务,冷凝成液体,经毛细结构的抽吸力量或重力回流到蒸发段进入下一个工作循环。热管利用与金属铜、铝等实体材料的天然传热方式完全不同的”相变”传热的原理,它的有效导热性是铜、铝等有色金属的成百上千倍,其热传导效率在99%以上;25°时,5s内启动传热,单向传热。所以热管是传热领域的重大发明和科技成果,给人类社会带来巨大的实用价值,现已广泛应用于电力电子器件散热、太阳能热水器、空调等多种领域。
由以上分析,采用了下面的解决方案。将电阻带设计成平面栅状,下衬导热绝缘层,导热绝缘层下面为不锈钢板,起固定和传热的作用。不锈钢板上安装热管,热管的热端与钢板铸成一体,热管的冷端置于水箱内。这样,电阻产生的热量通过导热绝缘层传导至不锈钢板,然后通过钢板上的热管将热量传递给水箱内的水,热量使水箱内的水温度升高,温度升到水的沸点时转化为汽化热,散发到大气中。单位体积水的汽化热是2258kJPkg,是同体积水温度升高1°所吸收的热量的80倍左右。这样,用水汽化来吸收的热量就不用过多的水作冷却,从而减小电阻器的体积,同时又保证了隔爆电阻器的外壳温度不超过150℃。由于热的传导方式主要通过热传导并利用了性能优良的热管使导热效率大为提高,可以大幅度提高单位体积内电阻器的容量。电阻器结构示意如图1所示。
图1 电阻器结构示意图
Fig.1 Diagramofresistorstructure
1气孔 2热管 3冷却水 4不锈钢板 5导热绝缘板 6电阻元件 7压紧板
电阻材料通过对康铜、新康铜、镍铬合金、铁铬铝、铸铁等材料的技术参数和性能价格比进行比较,由于铁铬铝具备电阻率高、工作温度高、易于加工、价格低廉等特点,采用了铁铬铝材料0Cr25Al5。
导热绝缘层需要满足既能迅速将热量传导给热管,又要保证绝缘的要求。通过筛选比较,最后确定从热导率非常高的Al2O3,MgO(质脆),BeO(有毒,昂贵),SiC(900℃后跑碳)中选取了性能最优的Al2O3,最终确定Al2O3的95瓷为导热绝缘层,其有关技术参数为:热导率28189WP(m·K),直流击穿强度17.6～20kVPmm。
不锈钢板与热管的热端制作成一体,便于热管的热端吸收热量,通过热管内部的载体将热量输送到热管的冷端,最终传递给水箱内的水,这些热量一部分是水箱内的水温度升高,另一部分通过水的汽化散发到空气中。
3 主要性能分析
以为CXQ-55P600J蓄电池胶套轮齿轨机车配套的196P250B型隔爆电阻器为例进行分析。该机车要求电阻单元为R1=0.25Ω,R2=0.5Ω,R3=015Ω,R4=0.33Ω串联并分别引出抽头,通过外接控制来进行串并联调节。工作方式为短时工作制。额定电压为直流250V,额定电流为196A,外形尺寸:(长×宽×高)550mm×800mm×1200mm。在这样的空间约束下,普通隔爆电阻器的通过电流仅可达到48A。电阻带加工成平面栅状,电阻带截面设计为2.7mm×7mm,电气间隙为3mm。通过电阻带的不同长度来获得各电阻单元的Al2O3电阻值。在最恶劣的情况下,水箱内的水为沸腾的情况,则钢板与水接触面的温度T3=100℃,设钢板与氧化铝板的接触面温度为T2,氧化铝板与电阻元件接触面的温度为T1。已知Al2O3厚度δ1=0.01m,钢板厚度δ2=0.018m,Al2O3导热率λ1=17WP(m2·℃)、钢板导热率λ2=54166WP(m2·℃)、Al2O3和电阻元件接触面积F1=0.14616m2,钢板和Al2O3接触面积F2=0.216m2。设电阻带的工作温度为950℃(T1=950℃),则由Q=(λ1Pδ1)F1(T1-T2)=(λ2Pδ2)F2(T2-T3),可以得出T2=333℃。由此,通过对热管的相关计算,可取热管功率为60WP根,数量为100根,冷端温度为60℃,这样就可保证电阻元件的工作温度远低于950℃。
4 结语
通过对电阻器结构的改进,使在同样空间限制下的电阻器容量提高了4倍多,有效地解决了井下隔爆蓄电池机车起制动电阻的瓶颈问题,使井下隔爆蓄电池机车长距离大坡度运输成为可能,有效地促进了井下辅助运输的发展,也为有关散热问题的场合提供了新的设计思路。