寧波地鐵1號線列車高速斷路器閉合故障原因分析及解決措施

黃 毅 黃 岳

(1. 西門子交通技術(北京)有限公司株洲分公司， 412001， 株洲；2. 廣東粵電茂名新能源有限公司， 525099， 茂名∥第一作者， 工程師)

高速斷路器用于城市軌道交通列車與接觸網之間主電路的斷開和接通，同時具有過載和短路保護作用。寧波地鐵1號線發生了多起因高速斷路器閉合故障導致的牽引箱故障。本文對該線列車的高速斷路器故障原因進行分析，并提出相應的解決方案。

1 高速斷路器控制原理及應用說明

1.1 高速斷路器控制原理

寧波地鐵1號線列車采用西門子牽引傳動系統。該系統是基于SIBAS32平臺來實現的，高速斷路器的控制功能大部分是通過軟件實現的。在列車激活、司機室占用及受電弓升起的條件下，列車的ICU(牽引逆變器)進行自檢，檢查高速斷路器、LC(線路接觸器)和PCC(預充電接觸器)的狀態。高速斷路器的控制原理如圖1所示。

注：TCU——牽引控制單元； BAT——蓄電池。

如圖1所示，在與接觸網斷開的情況下，LC和PCC的常閉觸頭保持閉合。如果運行正常，經濟電阻的旁路接觸器K130閉合，將限流經濟電阻旁路，高速斷路器在大電流激勵延時閉合。當TCU收到高速斷路器閉合的反饋信號，K130將斷開。此時經濟電阻將持續串聯到高速斷路器回路，高速斷路器線圈通過小電流保持主觸頭吸合狀態，從而減少高速斷路器線圈的功率損耗。

當TCU接收到ICU高速斷路器閉合的反饋信號后，TCU將控制ICU閉合接觸器(K120)。這時TCU控制ICU閉合PCC，將牽引系統連接到接觸網。

ICU持續監視預充電進程。在中間環路預充電結束后ICU將控制閉合LC，并打開PCC，整個牽引系統上電初始化完成。

1.2 高速斷路器應用說明

根據高速斷路器的用戶手冊，高速斷路器線圈閉合電流滿足范圍為4.1～12.9 A，脈沖持續時間為0.5～1.0 s。

如圖2所示，高速斷路器線圈的工作原理為：

1) 時刻A：閉合脈沖起始時刻，此時繼電器F、G閉合，線圈H獲得閉合脈沖。

2) 時段B：閉合脈沖0.5～1.0 s，高速斷路器在該閉合電流下穩定吸合。

3) 時刻C：保持電流起點。當收到高速斷路器穩定吸合，接觸器G打開。

4) 時段D：線圈H獲得電阻限制后的保持電流，該保持電流為閉合電流的5%。

5) 時刻E：當高速斷路器需要分斷情況下，接觸器F打開，切斷保持電流。

a) 線圈電流變化

1.3 K130接觸器的選型依據

根據功能設計和負載需求，K130的選型依據如下：① 主觸點為3對常開觸點；② 主觸點額定電壓為110 V DC；③ 主觸點可承受的電流最大值為12.9 A。

K130主觸頭應用于高速斷路器線圈電路直流感性負載，3對主觸點串聯的最大直流工作電流為15.0 A，通過高速斷路器線圈的電流值范圍為4.1～12.9 A。此電流值范圍在接觸器允許的電流范圍內，滿足技術要求。

在高速斷路器主觸頭的正常閉合過程中，K130采用3對主觸頭串聯的形式切斷和連接高速斷路器線圈負載。在斷開負載時，將高速斷路器線圈磁場能量變化引起的高能電弧分斷為3段進行滅弧，增大電弧抑制能力，提高其直流分斷能力，降低觸頭的磨損程度，延長觸點壽命。

在正常的牽引箱內，對K130主觸點的電壓、電流進行實測，測量點見圖1。在高斷閉合穩定后，吸合時測量點的電壓約為125 V。K130主觸頭閉合后負載穩定電流約為8.0 A。

2 高速斷路器故障原因及其解決措施

2.1 高速斷路器故障原因分析

在寧波地鐵1號線列車的實際運行期間，發生了多起高速斷路器在獲得閉合命令后無法閉合主觸頭的情況，進而引起牽引故障。經深入調查后發現，發生故障的同時出現了K130主觸頭發黑現象，分析具體原因如下：

1) 經調查，在故障車輛的控制軟件中，TCU接收到高速斷路器閉合反饋后延遲100 ms斷開K130。基于高速斷路器的技術要求，線圈得電持續時間達到0.5～1.0 s后，主觸頭方可穩定吸合。若小于此時間要求，則存在合閘不到位、主觸頭吸合壓力偏小進而導致高速斷路器主觸頭不能正常吸合的風險。經現場實測，該高速斷路器線圈大電流加載時間約為385 ms，不能滿足線圈得電主觸頭穩定吸合所需的時間要求，故在高速斷路器閉合指令發出后，高速斷路器吸合不穩定，從而引發了牽引故障。

2) 從接觸器應用方面分析，主觸頭在不影響功能情況下的發黑屬于正?，F象。若發生熔焊導致主觸頭在吸合狀態下不能正常分斷，可以歸結為此接觸器非常規應用或負載電流超限。在實際應用中，高速斷路器線圈作為K130主觸頭負載，在主觸頭接通或斷開回路時發生的電流浪涌及電流沖擊，由此產生的空氣電離電弧燒蝕主觸頭，使接觸面氧化發黑。主觸頭接觸面在多次的斷開操作中形成惡性循環，導致接觸電阻變大，進而導致接觸面溫度過高。當接觸電阻增大至一定數值后將造成分壓過大，導致高速斷路器主觸頭不能正常吸合或需要多次發出吸合請求，最終導致牽引故障。

綜合以上原因， 高速斷路器不能正常閉合的原因是K130閉合脈沖過短，小于高速斷路器穩定吸合所需時間，以及 K130主觸頭容量選型不當。TCU控制系統軟件設計中，因閉合脈沖時間過短，導致K130主觸點在分斷過程中由于不穩定電流和多次閉合后的惡性循環使電弧增強，主觸頭發生燒蝕發黑現象，影響了接觸器的使用壽命。

2.2 高速斷路器故障的解決措施

2.2.1 更換K130接觸器型號

選用工作電流更大的接觸器，對接觸器采用降容應用。建議選用主觸頭工作電流為20 A的接觸器。主觸頭容量增大，一方面可增加主觸頭在閉合狀態的接觸面積，在分斷瞬間可降低單位面積上受到的能量沖擊，降低拉弧能量；另一方面，可防止主觸頭發生熔焊故障，有效避免主觸頭發黑現象，確保接觸器使用壽命。

2.2.2 升級TCU軟件

考慮到更換接觸器成本和工期的因素，還可嘗試升級軟件來解決高速斷路器閉合故障。高速斷路器的閉合和保持控制邏輯屬TCU軟件設計功能。通過升級TCU軟件，增加高速斷路器線圈得電持續時間，以達到高速斷路器主觸頭吸合穩定狀態。經測算，軟件升級后線圈得電時間平均值約為778 ms。與軟件更新前相比，線圈得電時間增加了393 ms，滿足了高速斷路器主觸頭線圈得電時間0.5～1.0 s的要求，避免了主觸頭在接收閉合命令后不能正常吸合的風險。

3 結語

通過優化TCU控制系統軟件，將經濟電阻旁路接觸器K130的斷開延時參數由原來的100 ms調整為500 ms。目前該措施已應用到寧波地鐵1號線的列車上。經過實踐證明，修改延時時間后，有效解決了該線列車高速斷路器閉合故障和K130主觸頭發黑現象，同時避免了更換K130接觸器帶來的成本和工期壓力，這對今后處理此類列車故障具有一定的參考和指導意義。