一种高防护等级矿用电动轮变流器的柜门密封形式

高俊峰，周志宇，张利军，张国营，付如愿，俞鹏程

（1.中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿，鄂尔多斯 010300；2.株洲中车时代电气股份有限公司，株洲 412001）

引言

中国变流器市场目前正处于一个高速增长的时期，应用领域非常广阔，目前已在在电力、冶金、造纸、石化、建材、油气钻采、市政、起重机械、纺织化纤、煤炭、电梯、轨道交通、船舶、暖通空调、风电、食品饮料包装机械等工业传动领域得到了广泛应用。

面对繁多的应用领域，变流器的使用环境必然复杂多变，同时基于其作为电气设备的固有属性，对变流器的可靠性提出了更高的要求。变流器设备是否能够可靠的工作，除取决于电气系统及其部件本身的可靠性之外，与产品的环境适应性及设备的防护性能有着极其密切的关系。

矿用电动轮变流器一般直接安装在车辆走台上，属于露天环境，环境的温度、湿度、灰尘等都对产品防护有点重大的影响。针对这种情况，本文提出了一种高防护等级变流器的柜门密封形式，并通过试验验证了该方法的可行性，目前该密封形式已开始推广应用到矿用电动轮变流器结构中。

1 防护需求与问题分析

1.1 IP65防护需求

目前矿用电动轮变流器应用场所粉尘或金属粉末较多、污染较重及对防水要求较高，设计一种高防护等级的变流器成为一种必然[1]。矿用电动轮变流器应用环境中含有金属粉尘等导电物质。若其进入变流器内部，会对主电路电位间的电气间隙和爬电距离带来较大影响，甚至带来灾难性后果。而柜门的密封是变流器防护的关键，为满足这种应用工况，本文设计了一种可达IP65高防护等级的变流器柜门密封形式，通过前期的理论计算、设计分析和后期试验验证，结果表明这种结构形式简单、可靠，很好地实现了IP65防护功能。

目前国内统一采用IP防护技术标准为：GB/T 4208-2008。IPXX表示设备防护等级，其中第一个X表示对固体异物的防护有IP0X～ IP6X共7个等级，表示从无防护到尘密级别；第二个X表示对水的防护有IPX0～ IPX8共9个等级，表示从无防护到垂直滴水再到各角度喷水直至达到潜水级别。

1.2 传统密封形式

变流器柜体结构设计中，柜体结构一般采用整体焊接或搭接的形式，为了维护的方便性，柜门结构不可或缺，而正是这一结构形式给柜体的整体防护效果造成了极大地效果，因此如何有效的进行柜门密封是实现柜体防护的任务重点。

传统的柜门密封形式主要有2种：①面压紧密封；②开槽嵌入密封。

1）面压紧密封

如图2所示，门板与柜体作为两个配合平面，在其中一方安装面上布置（一般用胶粘结）密封垫/发泡橡胶，选用合适压缩量，另一方施力紧固密封。见图1。

图2 开槽嵌入密封形式、失效形式

这种方法密封效果直接由密封垫性能决定，并且受材料刚度、紧固点间距、压缩变形量等影响较大[2]。一方面：若一方刚度不够出现平面翘曲，而附近紧固点较远，则局部出现缝隙，造成密封失效；另一方面：金属与橡胶材料间胶粘的连接模式，柜体为金属材料，而密封橡胶普遍存在老化现象，因此极易出现密封条脱开开裂等问题，此时面与面的配合方式将完全不能阻止灰尘与水的进入，防护失效。故此种防护等级一般较低。

2）开槽嵌入密封

如图2所示，在面压紧密封的基础上进行改进，在其中一方安装面上设置专用槽，槽内嵌入密封材料，另一方施力紧固密封。

开设专用密封材料安装槽，使密封材料有效定位，并防止其脱落，此方法优于直接面压紧的方式，在各类产品中应用非常广泛。但该方法仍无法避免直接面压紧的配合模式，若密封材料出现回弹失效，或压紧面水平度不足，则灰尘和水将直接经由面与面间的失效间隙进入柜体，密封失效[3]。

2 一种新型柜门密封形式

针对传统密封形式存在的普遍问题，设计了一种高防护等级的柜门密封方式，主要通过密封结构、密封材料、密封形式三个方面进行了密封设计[4]。

1）密封结构：嵌套密封

结构形式：在门板与柜体配合处，设计迂回结构（见图3），两者相互嵌套，避免柜体内外缝隙直通，增加水/尘进入的行程及阻力，从结构上保证密封效果。

图3 新型密封形式（密封结构、密封材料、双重密封）

结构量值：选用一种密封材料进行试验分析（见图4），该密封条压缩量≤55 %时，回弹力与压缩量之间呈一定的线性关系，当压缩量＞55 %后，回弹力急剧变大。回弹力由门板提供，若门板刚度不足，回弹力过大极易造成门板变形密封失效。因此本文密封结构压缩量值根据试验结果验证取值。

图4 密封条回弹力与压缩量试验及结论

2）密封材料：借鉴汽车行业

针对密封材料难固定、易脱落老化的问题，借鉴了汽车行业车门密封的使用经验。采用卡入式密封材料。

如图3左2所示，密封条结构由金属骨架、装卡部位、密封部位组成。金属骨架结构提升了安装强度；“U型”安装槽保证了密封条在工作状态不出现脱落现象；密封部位的空心结构压缩变形空间大，弥补了面部压紧的门变形问题。密封条对插入力及拔出力均有明确要求[2]，详见表1。

表1 密封条性能要求

3）密封形式：双重密封

结合嵌套式密封结构，在迂回结构的入口处和内部正面配合处共两处设置密封卡槽（图3），安装U型密封条，实现双重密封。以确保在单层密封失效情况下，仍可为变流器提供高等级防护，可靠性提升一倍。

4）其它

紧固安装方式：密封效果与配合面刚度密切相关；

现状分析：目前变流器主要通过增设门锁的方式（见图5），实现门的多点固定，防止局部变形。此方法有3个明显的缺点，首先门锁的卡紧也是一种配合，间隙配合是常用方式，这个间隙的存在一定程度减少了密封材料的压缩变形量，提高了局部失效率；其次门锁一般安装在密封条的内侧，锁芯等结构的存在使防护性能大大折扣，最后仅以固定为目的引入门锁，成本过高。

图5 门锁固定方式、失效方式

本文采取了一种纯机械式的安装方法（见图6），用螺栓紧固代替门锁固定、从密封条内侧固定更改为外侧紧固、内部把手采用无缝隙的内嵌式焊接结构，最后合理的布置紧固点，保证门板有效密封。

3 试验验证与优化

基于以上的密封形式研究结果，我们在产品中进行了工程化应用，并通过试验对该方法进行了有效性验证。

3.1 IP防护试验

试验分为防尘与防水两次进行。

IP6X防尘：在密闭的防尘箱中进行（见图7（a）），柜体内部气压低于周围大气压，用具为金属方孔（金属丝直径50 μm，筛孔尺寸75 μm）筛滤过的滑石粉，用量2 kg/m3，抽气速度为（40～60）V/h，试验2 h。试验效果如下图，壳内无明显灰尘沉积，满足要求，试验合格。

图7 双重密封试验

IPX5防水：φ6.3喷嘴（见图3）、流量12.5 L/min、喷嘴距外壳表面距离（2.5～3）m、试验时间1 min/m2，总时间至少3 min（见图7（b））。

针对本文密封结构分别进行了单层密封、双重密封两次试验。

单层密封试验：根据密封材料性能，密封材料压缩量取8 mm，试验后，柜体无进水现象，满足试验要求，压缩量取值合适。但需注意密封条首尾对接处，连接不当可能会造成进水，可将其设置在柜门下面，也可使用整条型密封条。

双重密封试验：试验效果如图7，无进水现象，满足试验要求。

3.2 高低温试验

针对极端应用环境，产品对硅橡胶、EPDM两种应用较为广泛的密封材料进行了耐高低温（标准GB/T 2423.1/2-2008）的试验（如图8）。

图8 高低温试验

高温性能试验：高低温交变湿热试验箱内温度调至70 ℃，存放16 h保证产品热平衡，之后打开柜门验证密封条状态。

低温性能试验：高低温交变湿热试验箱内温度调至-40 ℃，存放16 h保证产品热平衡，之后打开柜门验证密封条状态。

试验结果：

1）高温试验后，采用两种密封条的柜门均打开正常，密封条压缩、回弹及固定均无异常；

2）低温试验后，可耐-40 ℃的EPDM密封柜门出现冷冻粘连，柜门施大力仍无法打开，恢复至环温25 ℃且静置24 h后方可打开。而硅橡胶在-40 ℃时柜门可正常开关，恢复至环温后无异常。

3.3 试验分析

密封结构：单层嵌套结构即可实现IP65防护要求，但需重点关注密封条对接处，可将其放置在柜门底部，或采用整条密封材料避免接缝的存在。双层结构双重保证，可有效降低密封失效率。

结构量值：根据密封材料性能选择合适的压缩量，防止压缩量过少造成的密封不严，或压缩量过大柜门变形密封失效的问题。

材料类别：在超低温如≤-40 ℃时，优先选用硅橡胶条，不易发生冷冻粘连问题，密封可靠。基于EPDM优良的机械性能，在非低温要求场合，仍为优先选用密封材料。

4 结论

本文针对变流器复杂多变的应用环境，提出了一种高防护等级的柜门密封形式，从密封结构、密封材料、密封形式三个方面进行了研究，分析了传统密封结构存在的问题，通过材料试验求证出压缩量与回弹力的关系，并在产品中进行工程化应用，并最终通过试验验证了密封形式的有效性。该方法结构简单、效果较优，适合在高防护等级的工业屏柜中推广应用。