王 平，王 瑩，雷佳祺

(北京公交有軌電車(chē)有限公司西郊線(xiàn)分公司，北京 100080)

1 概 述

西郊線(xiàn)車(chē)輛的牽引系統(tǒng)為意大利安薩爾多公司提供，高速斷路器(High Speed Circuit Breaker，以下簡(jiǎn)稱(chēng)HSCB)作為有軌電車(chē)牽引主電路重要的模塊，對(duì)車(chē)輛的高壓供給、系統(tǒng)保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。HSCB性能好壞直接影響車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的安全性、可靠性，間接關(guān)系到車(chē)輛的維修成本[1]。本文從運(yùn)營(yíng)角度對(duì)HSCB工作原理、使用情況、控制方式等做出介紹，并針對(duì)控制方式作出具體分析和改進(jìn)。

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(chǎn)品，內(nèi)部閉合機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，接觸面由吸持線(xiàn)圈緊密吸持，廣泛應(yīng)用于有軌電車(chē)領(lǐng)域[2]。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

西郊線(xiàn)有軌電車(chē)為5模塊，編組方式為MA-RA-P-RB-MB，高速斷路器安裝于P車(chē)頂部，每列車(chē)配置一臺(tái)。在受電弓升起的情況下，通過(guò)操作司機(jī)臺(tái)上的高速斷路器璇鈕，將合、分的信號(hào)直接輸入。

高速斷路器主要有滅弧裝置(固定滅弧觸點(diǎn)、活動(dòng)滅弧觸點(diǎn)、滅弧罩)、閉合電機(jī)、控制板、固定主觸點(diǎn)、活動(dòng)主觸點(diǎn)、輔助觸點(diǎn)、吸持磁體、吸持線(xiàn)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(jié)構(gòu)

圖2 高速斷路器結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

牽引主電路主要由線(xiàn)路電抗器、功率開(kāi)關(guān)、功率電容器、高壓開(kāi)關(guān)、高壓電纜等器件組成。組成器件價(jià)格昂貴，過(guò)流耐受電流小，耐受時(shí)間短等特點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)應(yīng)盡快切斷故障電流，保護(hù)其主要器件，并隔離故障區(qū)域[3]。本車(chē)高速斷路器采用直流750 V單極磁性滅弧自動(dòng)脫扣型空氣斷路器，額定電流1 500 A，斷路時(shí)間小于30 ms。它有分?jǐn)嗄芰ρ杆俸涂煽啃愿叩奶攸c(diǎn)，對(duì)車(chē)輛核心部件牽引逆變器起到很好的保護(hù)作用[4]

內(nèi)部工作原理：車(chē)輛系統(tǒng)正常情況下，HSCB通過(guò)硬線(xiàn)正常啟動(dòng)后，經(jīng)反泵繼電器Kx觸點(diǎn)使Kch線(xiàn)圈得電，Kch常開(kāi)觸點(diǎn)閉合后，電機(jī)得電運(yùn)行。同時(shí)內(nèi)部吸持線(xiàn)圈Br得電，經(jīng)RC控制電路調(diào)節(jié)電流保證Br磁場(chǎng)。在Br磁場(chǎng)的作用下，電機(jī)工作動(dòng)使活動(dòng)觸點(diǎn)與固定主觸點(diǎn)吸合，隨電機(jī)的運(yùn)行帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)桿作用，使常開(kāi)的輔助觸點(diǎn)54閉合。經(jīng)R2、C4電路使Kx繼電器線(xiàn)圈得電，Kx觸點(diǎn)閉合方向改變，導(dǎo)致Kch線(xiàn)圈失電，隨之Kch觸點(diǎn)斷開(kāi)，電機(jī)停止運(yùn)行。輔助觸點(diǎn)54具有自鎖功能，Kx線(xiàn)圈持續(xù)保持有電閉合狀態(tài)，HSCB主觸點(diǎn)能夠保持閉合。當(dāng)人員操作或者因故障引起斷開(kāi)時(shí)，HSCB外部控制電路失電，Br線(xiàn)圈失電，無(wú)磁力作用，動(dòng)觸點(diǎn)在彈簧拉力的作用下與主觸點(diǎn)斷開(kāi)。內(nèi)部工作原理如圖3所示。

圖3 HSCB內(nèi)部電路示意

2.3 功能

HSCB電路中承擔(dān)著重要作用，牽引系統(tǒng)如發(fā)生短路、過(guò)載等故障時(shí)，瞬時(shí)的大電流會(huì)造成設(shè)備損壞，甚至影響到接觸網(wǎng)，HSCB在閉合且非人工斷開(kāi)操作狀態(tài)下，遇到故障主觸點(diǎn)脫扣跳開(kāi)，保護(hù)車(chē)輛設(shè)備安全。保護(hù)條件如下：

(1)IGBT相位模塊故障；

(2)無(wú)法斷開(kāi)，HSCB在450 ms內(nèi)未斷開(kāi)；

(3)線(xiàn)電壓過(guò)高；

(4)濾波電壓過(guò)壓，超過(guò)940 V持續(xù)10 s或?yàn)V波電壓大于1 050 V；

(5)線(xiàn)路過(guò)流，線(xiàn)電流大于600 A或電機(jī)兩個(gè)相電流之間的不平衡量大于50 A；

(6)指令錯(cuò)誤；

(7)預(yù)充電錯(cuò)誤，充電電阻已達(dá)最大能量值；

(8)牽引系統(tǒng)板卡故障等。

因此牽引設(shè)備發(fā)生以上故障會(huì)通過(guò)HSCB脫扣響應(yīng)出來(lái)。

3 控制方式

3.1 使用情況

(1)工作方式：西郊線(xiàn)為折返線(xiàn)路，正線(xiàn)運(yùn)行到兩端時(shí)司機(jī)需要將本端HSCB斷開(kāi)，拔下激活鑰匙后前往另一端司機(jī)室重新進(jìn)行激活，接通HSCB后可對(duì)車(chē)輛牽引，因此需要對(duì)其反復(fù)操作。

(2)按操作次數(shù)：按照一列車(chē)每天上線(xiàn)運(yùn)行13圈計(jì)算，每圈在兩端需斷開(kāi)或閉合操作，共計(jì)動(dòng)作4次，一天運(yùn)營(yíng)完成至少需要操作4×13=52次(不包含庫(kù)內(nèi)備車(chē)和出庫(kù)前的操作)，按照全年計(jì)算HSCB動(dòng)作總次數(shù)為365×52=18 980次。

(3)故障情況：經(jīng)過(guò)故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)一年左右，在司機(jī)折返換端對(duì)高速斷路器進(jìn)行合操作時(shí)，車(chē)輛會(huì)報(bào)出高速斷路器無(wú)法閉合的故障，無(wú)高壓，車(chē)輛無(wú)法牽引運(yùn)行，最終車(chē)輛被救援下線(xiàn)，此類(lèi)問(wèn)題給運(yùn)營(yíng)造成了很大的隱患。經(jīng)檢測(cè)模塊外部控制電路電壓正常，隨后進(jìn)行拆卸，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電機(jī)傳動(dòng)桿在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有卡滯現(xiàn)象，電機(jī)電源線(xiàn)有燒損的痕跡。最終得出電機(jī)軸承卡滯，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法運(yùn)行，高速斷路器無(wú)法閉合。

(4)整改：出現(xiàn)電機(jī)軸承卡滯的問(wèn)題與其本身質(zhì)量問(wèn)題及頻繁操作均有關(guān)系。整體更換內(nèi)部控制電機(jī)，同時(shí)對(duì)車(chē)輛的高速斷路器控制電路做出改進(jìn)，減少司機(jī)操作高速斷路器的次數(shù)，預(yù)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(tài)、高速斷路器旋鈕處于“閉合”狀態(tài)，高速斷路器未操作“斷開(kāi)”、TCU控制未出現(xiàn)讓HSCB斷開(kāi)的故障，未觸發(fā)安全制動(dòng)等，滿(mǎn)足以上條件高速斷路器模塊方可得電。車(chē)輛HSCB電路設(shè)計(jì)過(guò)分考慮換端時(shí)的安全性，因此將激活信號(hào)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(jìn)后的控制電路

改進(jìn)后的HSCB模塊取車(chē)輛DC24V控制電源，將安全制動(dòng)按鈕直接串聯(lián)在HSCB璇鈕“斷開(kāi)”線(xiàn)路上?；诎踩嵌瓤紤]，車(chē)輛遇到緊急情況時(shí)，司機(jī)拍下安全制動(dòng)按鈕，HSCB“斷開(kāi)”繼電器線(xiàn)圈得電，控制回路中“斷開(kāi)”繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)失電，可快速控制主觸點(diǎn)斷開(kāi)。

控制電路改進(jìn)后車(chē)輛不受頭繼電器控制，換端時(shí)不依賴(lài)激活鑰匙控制，只要車(chē)輛系統(tǒng)正常，HSCB依然能保持工作狀態(tài)，只有車(chē)輛收車(chē)后，才需人工斷開(kāi)HSCB模塊。

4 控制方案對(duì)比分析

4.1 電路對(duì)比

對(duì)比圖4和圖5的控制電路，從電路元器件數(shù)量來(lái)說(shuō)，改進(jìn)后的方案元器件數(shù)量及種類(lèi)保持不變[5]；從電路結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，HSCB控制電路摒棄激活繼電器和兩個(gè)安全繼電器觸點(diǎn)，能減少因繼電器觸點(diǎn)故障引發(fā)的關(guān)聯(lián)性故障，可靠性提高。

4.2 操作次數(shù)

改造后的電路，不需要司機(jī)在每次換端后操作斷開(kāi)HSCB，內(nèi)部電機(jī)也不用每次都被觸發(fā)工作。按照修改后的HSCB控制邏輯，上線(xiàn)前司機(jī)備車(chē)閉合高速斷路器，收車(chē)回段后斷開(kāi)高速斷路器即可。按照全年運(yùn)營(yíng)計(jì)算一列車(chē)操作為365×2=730次(不包含車(chē)輛日常維護(hù)和因系統(tǒng)保護(hù)導(dǎo)致的操作)，改造后電機(jī)動(dòng)作次數(shù)減少了18 980-730=18 250次，操作次數(shù)降低96.15%，有效減少HSCB故障發(fā)生的概率。

4.3 故障率

HSCB電路改造前，車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)約1年左右，在不同車(chē)輛報(bào)出HSCB無(wú)法閉合故障。經(jīng)過(guò)優(yōu)化電路及統(tǒng)一更換電機(jī)的整改后，截止目前運(yùn)營(yíng)未再報(bào)出同類(lèi)故障。因HSCB本身問(wèn)題引起的故障率降為0，可靠性提高。

4.4 壽命

有軌電車(chē)HSCB閉合主要是靠控制電路觸發(fā)直流電機(jī)工作，使主電路的活動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)閉合。電機(jī)軸承壽命與本身質(zhì)量、溫度、電壓、振動(dòng)、環(huán)境、沖擊等因素有關(guān)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)有一種強(qiáng)大的沖擊力，常常引起滾動(dòng)軸承的軌道和滾動(dòng)外表面疲勞剝落，過(guò)于頻繁的操作電機(jī)，軸承壽命會(huì)受到嚴(yán)重影響。如果減少軸承運(yùn)轉(zhuǎn)頻次，車(chē)輛大修之前可以正常使用，模塊壽命得到保證。

4.5 維護(hù)成本

因HSCB為意大利進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備本身采購(gòu)周期長(zhǎng)，費(fèi)用較高，車(chē)輛出質(zhì)保后，還會(huì)有購(gòu)買(mǎi)配件以及修復(fù)的費(fèi)用。電路更改后既滿(mǎn)足前期的安全設(shè)計(jì)要求，在此基礎(chǔ)上維護(hù)費(fèi)用也得到大大的降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

高速斷路器是牽引的重要保護(hù)部分，涉及安全。系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)中發(fā)生的故障，在充分掌握高速斷路器控制原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，可對(duì)控制電路進(jìn)行改進(jìn)，降低故障率，滿(mǎn)足車(chē)輛可靠性及可操作性要求，同時(shí)降低系統(tǒng)維護(hù)成本，延長(zhǎng)模塊使用壽命。