有軌電車高速斷路器控制電路分析及改進

王 平，王 瑩，雷佳祺

(北京公交有軌電車有限公司西郊線分公司，北京 100080)

1 概 述

西郊線車輛的牽引系統為意大利安薩爾多公司提供，高速斷路器(High Speed Circuit Breaker，以下簡稱HSCB)作為有軌電車牽引主電路重要的模塊，對車輛的高壓供給、系統保護起著至關重要的作用。HSCB性能好壞直接影響車輛運營的安全性、可靠性，間接關系到車輛的維修成本[1]。本文從運營角度對HSCB工作原理、使用情況、控制方式等做出介紹，并針對控制方式作出具體分析和改進。

2 高速斷路器工作原理及功能

高速斷路器采用Microelettrica Scientifica公司的IR3000型產品，內部閉合機構采用電機驅動，接觸面由吸持線圈緊密吸持，廣泛應用于有軌電車領域[2]。

2.1 結構組成

西郊線有軌電車為5模塊，編組方式為MA-RA-P-RB-MB，高速斷路器安裝于P車頂部，每列車配置一臺。在受電弓升起的情況下，通過操作司機臺上的高速斷路器璇鈕，將合、分的信號直接輸入。

高速斷路器主要有滅弧裝置(固定滅弧觸點、活動滅弧觸點、滅弧罩)、閉合電機、控制板、固定主觸點、活動主觸點、輔助觸點、吸持磁體、吸持線圈、減震器、主彈簧等組成，如圖1、圖2所示。

圖1 高速斷路器結構

圖2 高速斷路器結構

2.2 工作原理

牽引主電路主要由線路電抗器、功率開關、功率電容器、高壓開關、高壓電纜等器件組成。組成器件價格昂貴，過流耐受電流小，耐受時間短等特點。當出現過流時應盡快切斷故障電流，保護其主要器件，并隔離故障區域[3]。本車高速斷路器采用直流750 V單極磁性滅弧自動脫扣型空氣斷路器，額定電流1 500 A，斷路時間小于30 ms。它有分斷能力迅速和可靠性高的特點，對車輛核心部件牽引逆變器起到很好的保護作用[4]

內部工作原理：車輛系統正常情況下，HSCB通過硬線正常啟動后，經反泵繼電器Kx觸點使Kch線圈得電，Kch常開觸點閉合后，電機得電運行。同時內部吸持線圈Br得電，經RC控制電路調節電流保證Br磁場。在Br磁場的作用下，電機工作動使活動觸點與固定主觸點吸合，隨電機的運行帶動聯動桿作用，使常開的輔助觸點54閉合。經R2、C4電路使Kx繼電器線圈得電，Kx觸點閉合方向改變，導致Kch線圈失電，隨之Kch觸點斷開，電機停止運行。輔助觸點54具有自鎖功能，Kx線圈持續保持有電閉合狀態，HSCB主觸點能夠保持閉合。當人員操作或者因故障引起斷開時，HSCB外部控制電路失電，Br線圈失電，無磁力作用，動觸點在彈簧拉力的作用下與主觸點斷開。內部工作原理如圖3所示。

圖3 HSCB內部電路示意

2.3 功能

HSCB電路中承擔著重要作用，牽引系統如發生短路、過載等故障時，瞬時的大電流會造成設備損壞，甚至影響到接觸網，HSCB在閉合且非人工斷開操作狀態下，遇到故障主觸點脫扣跳開，保護車輛設備安全。保護條件如下：

(1)IGBT相位模塊故障；

(2)無法斷開，HSCB在450 ms內未斷開；

(3)線電壓過高；

(4)濾波電壓過壓，超過940 V持續10 s或濾波電壓大于1 050 V；

(5)線路過流，線電流大于600 A或電機兩個相電流之間的不平衡量大于50 A；

(6)指令錯誤；

(7)預充電錯誤，充電電阻已達最大能量值；

(8)牽引系統板卡故障等。

因此牽引設備發生以上故障會通過HSCB脫扣響應出來。

3 控制方式

3.1 使用情況

(1)工作方式：西郊線為折返線路，正線運行到兩端時司機需要將本端HSCB斷開，拔下激活鑰匙后前往另一端司機室重新進行激活，接通HSCB后可對車輛牽引，因此需要對其反復操作。

(2)按操作次數：按照一列車每天上線運行13圈計算，每圈在兩端需斷開或閉合操作，共計動作4次，一天運營完成至少需要操作4×13=52次(不包含庫內備車和出庫前的操作)，按照全年計算HSCB動作總次數為365×52=18 980次。

(3)故障情況：經過故障統計發現，車輛運營一年左右，在司機折返換端對高速斷路器進行合操作時，車輛會報出高速斷路器無法閉合的故障，無高壓，車輛無法牽引運行，最終車輛被救援下線，此類問題給運營造成了很大的隱患。經檢測模塊外部控制電路電壓正常，隨后進行拆卸，發現內部電機傳動桿在轉動時有卡滯現象，電機電源線有燒損的痕跡。最終得出電機軸承卡滯，導致電機無法運行，高速斷路器無法閉合。

(4)整改：出現電機軸承卡滯的問題與其本身質量問題及頻繁操作均有關系。整體更換內部控制電機，同時對車輛的高速斷路器控制電路做出改進，減少司機操作高速斷路器的次數，預防頻繁的操作影響部件壽命。

3.2 原控制電路

HSCB外圍電路控制條件包含：DC24V電源正常、頭繼電器處于“激活”狀態、高速斷路器旋鈕處于“閉合”狀態，高速斷路器未操作“斷開”、TCU控制未出現讓HSCB斷開的故障，未觸發安全制動等，滿足以上條件高速斷路器模塊方可得電。車輛HSCB電路設計過分考慮換端時的安全性，因此將激活信號作為控制條件之一。原控制電路如圖4所示。

圖4 改造前控制電路

3.3 改進后的控制電路

改進后的HSCB模塊取車輛DC24V控制電源，將安全制動按鈕直接串聯在HSCB璇鈕“斷開”線路上。基于安全角度考慮，車輛遇到緊急情況時，司機拍下安全制動按鈕，HSCB“斷開”繼電器線圈得電，控制回路中“斷開”繼電器常閉觸點斷開失電，可快速控制主觸點斷開。

控制電路改進后車輛不受頭繼電器控制，換端時不依賴激活鑰匙控制，只要車輛系統正常，HSCB依然能保持工作狀態，只有車輛收車后，才需人工斷開HSCB模塊。

4 控制方案對比分析

4.1 電路對比

對比圖4和圖5的控制電路，從電路元器件數量來說，改進后的方案元器件數量及種類保持不變[5]；從電路結構來說，HSCB控制電路摒棄激活繼電器和兩個安全繼電器觸點，能減少因繼電器觸點故障引發的關聯性故障，可靠性提高。

4.2 操作次數

改造后的電路，不需要司機在每次換端后操作斷開HSCB，內部電機也不用每次都被觸發工作。按照修改后的HSCB控制邏輯，上線前司機備車閉合高速斷路器，收車回段后斷開高速斷路器即可。按照全年運營計算一列車操作為365×2=730次(不包含車輛日常維護和因系統保護導致的操作)，改造后電機動作次數減少了18 980-730=18 250次，操作次數降低96.15%，有效減少HSCB故障發生的概率。

4.3 故障率

HSCB電路改造前，車輛在運營約1年左右，在不同車輛報出HSCB無法閉合故障。經過優化電路及統一更換電機的整改后，截止目前運營未再報出同類故障。因HSCB本身問題引起的故障率降為0，可靠性提高。

4.4 壽命

有軌電車HSCB閉合主要是靠控制電路觸發直流電機工作，使主電路的活動觸點與固定觸點閉合。電機軸承壽命與本身質量、溫度、電壓、振動、環境、沖擊等因素有關，軸承運轉時，會有一種強大的沖擊力，常常引起滾動軸承的軌道和滾動外表面疲勞剝落，過于頻繁的操作電機，軸承壽命會受到嚴重影響。如果減少軸承運轉頻次，車輛大修之前可以正常使用，模塊壽命得到保證。

4.5 維護成本

因HSCB為意大利進口設備，設備本身采購周期長，費用較高，車輛出質保后，還會有購買配件以及修復的費用。電路更改后既滿足前期的安全設計要求，在此基礎上維護費用也得到大大的降低。

5 結束語

高速斷路器是牽引的重要保護部分，涉及安全。系統在運營中發生的故障，在充分掌握高速斷路器控制原理及內部結構的前提下，可對控制電路進行改進，降低故障率，滿足車輛可靠性及可操作性要求，同時降低系統維護成本，延長模塊使用壽命。