SS4B 電力機車主斷路器控制改進

楊維才

（國能新朔鐵路有限責任公司機務分公司，內蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

隨著我國社會經濟的不斷發展，各地之間交流日益頻繁，鐵路作為各城市之間的連接的橋梁經過幾十年時間發展，鐵路運輸所使用電力機車類型也逐漸增多。SS4B 電力機車為能夠與新形勢發展需求相匹配，便需加大對其主斷路器關注力度，從而促使SS4B 電力機車自身能效得到充分發揮，同時延長主斷控制使用壽命。

1 SS4B 電力機車主斷路器控制改進的重要性

SS4B 型電力機車屬于第三代控制型電力機車。該機車由我國自主設計研制，在現有機車設計理論的基礎上進行繼承和自主創新，不斷推動電力機車的進一步發展。SS4B 型電力機車的設計方案符合傳統電力機車設計方案的標準[1]，設計方案嚴格管理，確保標準化、專業化、通用化，科學規范的設計方案與現有科技進步基本融合，其各個層面的性能均滿足鐵路運輸的要求，尤其是在極端的工作環境中。SS4B 型電力機車的主斷路器是其中的關鍵部件，確保所有電力機車的安全運行。如果出現問題，將對鐵路貨運造成重大損失，其維修和保養的消耗大量的人力、物力和資金，并且維修要求較高。且維修工作需要花費大量時間，大大降低了鐵路貨運的經濟效益和生產力。

2 SS4B 型電力機車一代LCU 使用情況

SS4B 型電力機車雖然由兩節4 軸電力機車組成，但由于設計方案具有外重聯控制效果，可在一個駕駛室內同時運行兩臺4 軸電力機車。這使SS4B 基本上變成了一個16 軸的電力機車。每輛車有兩個島式轉向架[2]。SS4B 型電力機車的驅動力傳遞采用底部斜撐桿推拉回路牽引帶設備。該類設備動態模型可靠性好，附著力使用率高。因為SS4B 機車的主電路采用兩種不同的供電系統方式，具有良好的功率因數，可使SS4B 型機車在運行過程中完成相控元件級電壓變換。

2.1 使用現狀

主斷路器作為電力機車工作全過程中的關鍵設備，電流流過時，由于變壓器動作電位的作用極易發生變化，使其運行狀態受到一定的壓抑和嚴重傷害。此外，斷路器主體工作中的“兩瓷罐”也會因所用原料性能差而被壓碎，冷延性強，易受外界危害；相應的外部相互作用力極強，外部惡劣的環境也會促使瓷罐的沖擊韌性降低，與金屬連接時極易被過大的地應力作用壓碎[3]。

2.2 故障原因分析

從常見故障的分析來看，SS4B 型電力機車使主斷路器脫扣的電路有很多。主斷路器分斷的數據信號最終并聯到兩臺機車重新接通。如果不能準確指示主要斷點，就很難對常見故障進行應急處理。首先，由于SS4B 型電力機車原設計中主斷路器的信號和指示信號不是數據信號，就會造成主斷路器要跳閘信號一切正常。例如，機車的主接地裝置存在故障，主斷路器跳閘數據信號接在輔助觸點上“零電壓”故障。

3 SS4B 電力機車主斷路器控制改進要點

3.1 二代LCU 邏輯控制單元改進

3.1.1 機械及電氣接口與原LCU 一致

為了讓SS4B 電力機車順利工作，需要對電器觸點之間的距離進行操控。這是因為SS4B 型電力機車的主斷路器在運行時，其運行的驅動力來自電機，而電機本身的結構比較復雜，整個運行過程中產生的熱量大，所以故障概率較高[4]。這時就需要依靠電力機車維修水平提高主斷路器的性能。SS4B 型電力機車主斷路器與電器觸點距離的有效操縱和調整將進一步提高。因為電力機車在長期工作的過程中由于滾動軸承之間的間隙過大而堆積灰塵、增加滑動摩擦，非常不利于機車的穩定運行。

3.1.2 重新設計輸出通道電路

對于SS4B 型電力機車，其主斷路器相對于其他類型的機械設備性能有所提高，因環境因素的損壞減少。因此，有必要區分突發的現場情況。但必須注意，從主斷路器到逐步預防工作需要一定的時間。在此期間，SS4B 型電力機車的主斷路器將始終運行工作，高運轉、低排熱、高功率的情況不容忽視，在相對較短的時間內造成大量熱量。這需要控制主斷路器的排氣系統速率，改善電磁感應網絡的運行，使主斷路器必須處于穩定的閉合狀態，以保證所有正常供電、消耗和實際操作特征。

3.1.3 采用ARM 主控芯片替代原51 單片機

傳統的51 單片機是8 位CPU，而ARM 芯片是32 位系統CPU。簡單的說，51 單片機就是早期使用的“賽揚”型電腦，ARM芯片就是現在的“雙核處理器”。雖然兩者差別不大，可以作為硬件開發服務平臺來完成技術標準，但是ARM 芯片由于自身的特點（響應速度、工作能力和存儲容量等）。在技術開發層面也比51 單片機得心應手，方便后期升級、擴容、更新、改造。

3.1.4 控制板通用化設計

電源通信板由兩個完全獨立的系統組成，兩個系統的硬件和軟件開發是一樣的，唯一的區別是連接了兩套不同的I/O 板，每個系統包括4 部分：電源轉換模塊、中央處理模塊、串口通信模塊和CAN 通信模塊。電力機車采用直流110 V 供電系統的開關電源為本系統中各I/O 板及電源轉換模塊供電系統，電源轉換模塊輸出5 V 電壓為系統內部供電。電源通信板除了為工作中的LCU 提供電源外，還根據CAN 總線獲取各I/O 板的實時數據信息內容，解出后由RS-485 總線送至機車彩顯，控制電路的故障檢測提供信息。

3.1.5 重新選型電子器件、電路集成化設計

在SS4B 電力機車在線診斷系統軟件中，服務器電路板采用4 層電路板設計，設計的合理布局、圖形邊界、安全間隔、電磁兼容測試等主要參數符合國家行業標準。相關要求。本系統電路設計方案如下：①數據板電路主要由最小CPU 系統、18 個110 V開關量采集安全通道、RS-485 模塊應用和CAN 模塊應用組成；②仿真板涉及的子模塊比較多，主要包括STM32F407 最小系統、5 個交流電流采樣電路、5 個直流電流采樣電路、3 個電流檢測電路、波形檢測電路和110 V PWM 檢測電路，配合根據各個子模塊的相互協調，對機車模擬輸入數據信號進行采集。

3.2 真空主斷路器110 V 控制單元改進

真空主斷路器控制單元板主要功能是控制真空主斷路器的動作邏輯順序，并對斷路器的動作次數進行記錄，為真空主斷路器的保養提供依據。真空主斷路器控制單元板在運行中時常發生故障，將導致機車無法正常運行。真空主斷路器在運行中出現故障時，必須切除該主斷路器，及時更換。

改造項目將原有真空主斷路器控制單元板更換為雙備份型控制單元板，從而有效保障真空主斷路器繼續工作，確保機車的正常運行。改造后的真空主斷路器雙備份型控制單元板，具有兩套控制電路，平時工作在主控制單元，當主控制單元發生故障時，可按下切換開關，使真空主斷路器控制單元板切換到備用控制單元，從而有效保障真空主斷路器繼續工作，確保機車的正常運行。舊式的110 V 控制單元9700 元/個，新式的110 V 控制單元8500 元/個。經過改造之后，按2015 年的統計，全年共發生真空主斷路器肘節機構故障12 臺次，直接節約成本14 400 元。SS4B 型電力機車真空主斷路器110 V 控制單元改進前后的對比如圖1、圖2 所示，改造之后真空主斷路器控制單元板在SS4B 機車已經試運行超過3 個月，運行效果良好。

圖1 改造前的主斷路器110 V控制單元

圖2 改造后的主斷路器110 V控制單元

3.3 真空主斷路器肘節機構改造

肘節機構在真空主斷路器控制電路中的作用至關重要，在改造之前，肘節結構包括連接螺栓、彈簧銷以及側板等結構，SS4B 型電力機車真空主斷路器在實際運行過程中經常會發生肘節斷裂的故障，導致斷裂故障發生的原因是肘節機構內部的側板出現裂縫或者連接螺栓出現裂縫，給SS4B 型電力機車真空主斷路器的安全、穩定運行埋下了嚴重的安全隱患。因此，需要對肘節機構進行改造，采用整體式腰孔肘節代替原來的分體式肘節機構，能夠有效避免上述原因導致斷裂故障。

肘節機構有原來的分體式結構改進為整體式腰形孔肘節機構，即將原肘節機構的連接板和側板融合為一個整體連接板，去除了原設計中連接板和側板的連接緊固螺栓和彈簧銷，成為整體式的肘節機構，改造后的肘節機構運行穩定。分體式肘節機構2600 元/個，整體式的肘節機構1900 元/個，經過改造之后，按照2015 年統計，全年共發生真空主斷路器肘節機構故障11 臺次，直接節約成本7700元。SS4B 型電力機車真空主斷路器肘節機構改造前后的對比見圖3，改造之后真空主斷路器肘節機構改造在SS4B 上已經試運行超過3 個月，運行效果良好。

圖3 主斷路器肘節機構

3.4 主斷路器控制電路的改進

對于任何電力機車而言，主斷路器都是其總保護開關，是控制電路的關鍵環節，在保證電力機車安全方面發揮著至關重要的作用[5]。但是SS4B 型電力機車的主斷路器控制電路和其他設備相比更容易受到外界環境的影響，當遇到突發狀況時將導致出現主斷路器無法正常運行的情況。因此，需要做好控制電路的改進工作。在進行控制電路改進時需要選擇可出的機械器件、電氣元件，嚴格控制電路的電壓，為主斷路器控制回路的穩定運行提供可靠、穩定的環境。通過做好控制電路改進，還能夠有效控制主斷路器的排風速度，為主斷路器提供安全的運行環境，充分激發SS4B 型電力機車主斷路器的性能，在不閉合的狀態下安全、穩定地運行。

4 結束語

對SS4B 型電力機車主斷路器常見故障原因及檢修進行探討，確立SS4B 型電力機車檢修維護的重要因素和關鍵對策，對SS4B 機車二代LCU 邏輯控制單元、110 V 控制單元改進、肘節機構及控制電路開展改進工作，保證SS4B 型電力機車主斷路器安全、穩定地運行。斷路器的使用壽命和電力機車質量的提高，對進一步提高鐵路貨運能力意義重大。