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(shù)(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(wǎng)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(fā)生了多起因高速斷路器閉合故障導(dǎo)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(yīng)的解決方案。

1 高速斷路器控制原理及應(yīng)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(tǒng)。該系統(tǒng)是基于SIBAS32平臺來實現(xiàn)的，高速斷路器的控制功能大部分是通過軟件實現(xiàn)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(yù)充電接觸器)的狀態(tài)。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(wǎng)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(jīng)濟電阻的旁路接觸器K130閉合，將限流經(jīng)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(jīng)濟電阻將持續(xù)串聯(lián)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(tài)，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(tǒng)連接到接觸網(wǎng)。

ICU持續(xù)監(jiān)視預(yù)充電進程。在中間環(huán)路預(yù)充電結(jié)束后ICU將控制閉合LC，并打開PCC，整個牽引系統(tǒng)上電初始化完成。

1.2 高速斷路器應(yīng)用說明

根據(jù)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(xù)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(wěn)定吸合。

3) 時刻C：保持電流起點。當收到高速斷路器穩(wěn)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(jù)

根據(jù)功能設(shè)計和負載需求，K130的選型依據(jù)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(yīng)用于高速斷路器線圈電路直流感性負載，3對主觸點串聯(lián)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(nèi)，滿足技術(shù)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(lián)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(nèi)，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(wěn)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(wěn)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(fā)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(jīng)深入調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障的同時出現(xiàn)了K130主觸頭發(fā)黑現(xiàn)象，分析具體原因如下：

1) 經(jīng)調(diào)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(shù)要求，線圈得電持續(xù)時間達到0.5～1.0 s后，主觸頭方可穩(wěn)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(dǎo)致高速斷路器主觸頭不能正常吸合的風(fēng)險。經(jīng)現(xiàn)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(wěn)定吸合所需的時間要求，故在高速斷路器閉合指令發(fā)出后，高速斷路器吸合不穩(wěn)定，從而引發(fā)了牽引故障。

2) 從接觸器應(yīng)用方面分析，主觸頭在不影響功能情況下的發(fā)黑屬于正常現(xiàn)象。若發(fā)生熔焊導(dǎo)致主觸頭在吸合狀態(tài)下不能正常分斷，可以歸結(jié)為此接觸器非常規(guī)應(yīng)用或負載電流超限。在實際應(yīng)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(fā)生的電流浪涌及電流沖擊，由此產(chǎn)生的空氣電離電弧燒蝕主觸頭，使接觸面氧化發(fā)黑。主觸頭接觸面在多次的斷開操作中形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致接觸電阻變大，進而導(dǎo)致接觸面溫度過高。當接觸電阻增大至一定數(shù)值后將造成分壓過大，導(dǎo)致高速斷路器主觸頭不能正常吸合或需要多次發(fā)出吸合請求，最終導(dǎo)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(wěn)定吸合所需時間，以及 K130主觸頭容量選型不當。TCU控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中，因閉合脈沖時間過短，導(dǎo)致K130主觸點在分斷過程中由于不穩(wěn)定電流和多次閉合后的惡性循環(huán)使電弧增強，主觸頭發(fā)生燒蝕發(fā)黑現(xiàn)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(yīng)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(tài)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(fā)生熔焊故障，有效避免主觸頭發(fā)黑現(xiàn)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(shè)計功能。通過升級TCU軟件，增加高速斷路器線圈得電持續(xù)時間，以達到高速斷路器主觸頭吸合穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)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(fēng)險。

3 結(jié)語

通過優(yōu)化TCU控制系統(tǒng)軟件，將經(jīng)濟電阻旁路接觸器K130的斷開延時參數(shù)由原來的100 ms調(diào)整為500 ms。目前該措施已應(yīng)用到寧波地鐵1號線的列車上。經(jīng)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(fā)黑現(xiàn)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(dǎo)意義。