牽引用大容量隔爆電阻器的研制設計
1 引言
目前,煤炭行業復蘇給低迷的煤礦井下輔助運輸設備市場帶來了一片生機,而現有的巷道掘進多采用沿煤層方式,使長距離大坡度的蓄電池機車頗受歡迎。為了適用長距離大坡度的路況要求,現大多采用膠套輪、齒軌以及增大功率等方式來滿足與之對應的大牽引力的要求,而人們最擔心的制動問題一直沒找到比較合適的方式,其中機械和液壓等制動方式均不可能滿足煤礦井下輔助運輸設備限制表面溫度不超過150℃的基本要求,只能采用下坡發電制動的方式。因此,機車啟動和電氣制動的重要器件—牽引用隔爆電阻器就需要很大容量,以便放出機車制動時產生的熱量,同時又不使其表面溫度超過規定要求。現有牽引用隔爆電阻器因為只考慮平道啟動時使用,故其容量偏小。其主要結構形式為有骨架的螺旋式電阻器、外加隔爆外殼且隔爆外殼上裝有散熱片。電阻器產生的熱量一部分由電阻器本身吸收,另一部分利用了輻射和電阻器內部的空氣對流,使熱量通過電阻器外殼及其散熱片向周圍空氣散發,因此傳熱效率較低。這種結構方式,使單位體積的電阻器容量受到了極大的限制。而機車所能提供給電阻器的空間是有限的,不可能通過增加隔爆電阻器體積和重量來解決其容量問題,這樣必須另辟蹊徑才能解決這種問題。基于以上原因,對牽引用隔爆電阻器重新進行了分析和研究,研制了新型的隔爆電阻器,并從結構和原理上進行了根本性的改進,突破了現有隔爆電阻器的容量瓶頸。
2 工作原理
通過研究歸納了影響電阻器容量的因素:(1)熱的傳遞方式。熱傳遞方式有3種:傳導、對流和輻射,而其中熱傳導方式導熱效率是最高。(2)電阻元件本身熱容量限制。電阻器的作用是限制電流,一般根據機車啟制動要求和牽引電機參數來確定電阻值。即電阻值
R=ρLPS
式中ρ——電阻元件電阻率;
S——電阻元件截面積。
所以必須通過同時增加其長度和截面積來增加電阻元件熱容量,但這種方式受電阻器體積的限制。(3)電阻帶的單位載流量與熱的傳導率成正比。理論上講,如果電阻帶產生的熱量能及時全部地傳導出去,電阻帶的載流量可以達到無限大,但要受到工藝、材料等因素的影響和限制。綜上所述,牽引用隔爆電阻器提高容量的最佳途徑是用可靠有效的熱傳導方式。
在現有的熱傳導器件中,一種新型高效的傳熱元件—熱管日漸成熟。熱管是一種傳熱性極好的人工構件。常用的熱管由三部分組成:主體為封閉的金屬管,內部有少量工作介質和毛細結構。熱管工作時利用了3種物理學原理:(1)在真空狀態下,液體的沸點降低;(2)同種物質的汽化潛熱比顯熱高得多;(3)多孔毛細結構對液體的抽吸力可使液體流動。
熱管工作時與熱源靠近的一段(蒸發段)內的液體吸熱而蒸發,蒸汽攜帶汽化潛熱經空腔流向另一段(冷凝段),汽體經管壁與外界冷媒體換熱放出潛熱而完成了傳熱任務,冷凝成液體,經毛細結構的抽吸力量或重力回流到蒸發段進入下一個工作循環。熱管利用與金屬銅、鋁等實體材料的天然傳熱方式完全不同的”相變”傳熱的原理,它的有效導熱性是銅、鋁等有色金屬的成百上千倍,其熱傳導效率在99%以上;25°時,5s內啟動傳熱,單向傳熱。所以熱管是傳熱領域的重大發明和科技成果,給人類社會帶來巨大的實用價值,現已廣泛應用于電力電子器件散熱、太陽能熱水器、空調等多種領域。
由以上分析,采用了下面的解決方案。將電阻帶設計成平面柵狀,下襯導熱絕緣層,導熱絕緣層下面為不銹鋼板,起固定和傳熱的作用。不銹鋼板上安裝熱管,熱管的熱端與鋼板鑄成一體,熱管的冷端置于水箱內。這樣,電阻產生的熱量通過導熱絕緣層傳導至不銹鋼板,然后通過鋼板上的熱管將熱量傳遞給水箱內的水,熱量使水箱內的水溫度升高,溫度升到水的沸點時轉化為汽化熱,散發到大氣中。單位體積水的汽化熱是2258kJPkg,是同體積水溫度升高1°所吸收的熱量的80倍左右。這樣,用水汽化來吸收的熱量就不用過多的水作冷卻,從而減小電阻器的體積,同時又保證了隔爆電阻器的外殼溫度不超過150℃。由于熱的傳導方式主要通過熱傳導并利用了性能優良的熱管使導熱效率大為提高,可以大幅度提高單位體積內電阻器的容量。電阻器結構示意如圖1所示。
圖1 電阻器結構示意圖
Fig.1 Diagramofresistorstructure
1氣孔 2熱管 3冷卻水 4不銹鋼板 5導熱絕緣板 6電阻元件 7壓緊板
電阻材料通過對康銅、新康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁、鑄鐵等材料的技術參數和性能價格比進行比較,由于鐵鉻鋁具備電阻率高、工作溫度高、易于加工、價格低廉等特點,采用了鐵鉻鋁材料0Cr25Al5。
導熱絕緣層需要滿足既能迅速將熱量傳導給熱管,又要保證絕緣的要求。通過篩選比較,最后確定從熱導率非常高的Al2O3,MgO(質脆),BeO(有毒,昂貴),SiC(900℃后跑碳)中選取了性能最優的Al2O3,最終確定Al2O3的95瓷為導熱絕緣層,其有關技術參數為:熱導率28189WP(m·K),直流擊穿強度17.6～20kVPmm。
不銹鋼板與熱管的熱端制作成一體,便于熱管的熱端吸收熱量,通過熱管內部的載體將熱量輸送到熱管的冷端,最終傳遞給水箱內的水,這些熱量一部分是水箱內的水溫度升高,另一部分通過水的汽化散發到空氣中。
3 主要性能分析
以為CXQ-55P600J蓄電池膠套輪齒軌機車配套的196P250B型隔爆電阻器為例進行分析。該機車要求電阻單元為R1=0.25Ω,R2=0.5Ω,R3=015Ω,R4=0.33Ω串聯并分別引出抽頭,通過外接控制來進行串并聯調節。工作方式為短時工作制。額定電壓為直流250V,額定電流為196A,外形尺寸:(長×寬×高)550mm×800mm×1200mm。在這樣的空間約束下,普通隔爆電阻器的通過電流僅可達到48A。電阻帶加工成平面柵狀,電阻帶截面設計為2.7mm×7mm,電氣間隙為3mm。通過電阻帶的不同長度來獲得各電阻單元的Al2O3電阻值。在最惡劣的情況下,水箱內的水為沸騰的情況,則鋼板與水接觸面的溫度T3=100℃,設鋼板與氧化鋁板的接觸面溫度為T2,氧化鋁板與電阻元件接觸面的溫度為T1。已知Al2O3厚度δ1=0.01m,鋼板厚度δ2=0.018m,Al2O3導熱率λ1=17WP(m2·℃)、鋼板導熱率λ2=54166WP(m2·℃)、Al2O3和電阻元件接觸面積F1=0.14616m2,鋼板和Al2O3接觸面積F2=0.216m2。設電阻帶的工作溫度為950℃(T1=950℃),則由Q=(λ1Pδ1)F1(T1-T2)=(λ2Pδ2)F2(T2-T3),可以得出T2=333℃。由此,通過對熱管的相關計算,可取熱管功率為60WP根,數量為100根,冷端溫度為60℃,這樣就可保證電阻元件的工作溫度遠低于950℃。
4 結語
通過對電阻器結構的改進,使在同樣空間限制下的電阻器容量提高了4倍多,有效地解決了井下隔爆蓄電池機車起制動電阻的瓶頸問題,使井下隔爆蓄電池機車長距離大坡度運輸成為可能,有效地促進了井下輔助運輸的發展,也為有關散熱問題的場合提供了新的設計思路。
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