城市軌道交通車輛高速斷路器控制原理及技術(shù)優(yōu)化

中車株洲電力機(jī)車有限公司 鐘金林

現(xiàn)階段，城市軌道交通電氣系統(tǒng)具有負(fù)載多、電壓高、容量大的特點(diǎn)，子系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生短路、過(guò)載等故障時(shí)，電流過(guò)大，極易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞，甚至出現(xiàn)接觸網(wǎng)損壞。高速斷路器是地鐵車輛電氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，主要用來(lái)承擔(dān)電路過(guò)電流保護(hù)任務(wù)。城市軌道交通系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，如果發(fā)生短路、過(guò)流等故障時(shí)能夠快速地切斷電路，起到保護(hù)電路的作用。但在實(shí)踐中由于高速斷路器是一個(gè)機(jī)械元件，在使用的過(guò)程中具有動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、分?jǐn)嚯娀∮绊懯褂脡勖忍攸c(diǎn)。文章以某一城市軌道交通電氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，闡述并分析了現(xiàn)有高速斷路器方案的特點(diǎn)，并提出技術(shù)發(fā)展及方案優(yōu)化，為城市軌道交通車輛高速斷路器的使用提供參考。

1 高速斷路器簡(jiǎn)介

高速斷路器是電力行業(yè)的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備，高速斷路器在電力系統(tǒng)中的主要功能是按照電力網(wǎng)系統(tǒng)工作將電網(wǎng)中的某一區(qū)域內(nèi)的電路或者說(shuō)某些電力設(shè)備投入使用或者是將電路、設(shè)備推出運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式的控制，此時(shí)，開(kāi)關(guān)觸頭承載的為負(fù)荷電流。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中的某些區(qū)域線路或者是線路上的設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，高速斷路器能夠快速地將發(fā)生故障部分線路或者是設(shè)備與電網(wǎng)系統(tǒng)的連接切斷，進(jìn)而保護(hù)電力網(wǎng)中其它正常運(yùn)行的部分不受故障部分線路或設(shè)備的影響，達(dá)到保護(hù)電力網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定的目的。此時(shí)，開(kāi)關(guān)觸頭承載的是電力網(wǎng)中發(fā)生的故障電流或者是短路電流。

2 高速斷路器控制原理

2.1 主要構(gòu)成部件

高速斷路器是由玻璃纖維絕緣材料制成的固定絕緣框架，主要包括主電路、脫扣裝置、滅弧柵、閉合裝置、輔助觸頭等。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速斷路器主要部件

2.2 工作原理

高速斷路器在運(yùn)行的過(guò)程中主要包括五種狀態(tài)：吸合、保持、斷開(kāi)、滅弧、脫扣。

（1）吸合原理。電路系統(tǒng)在供電后，斷路器閉合，此時(shí)由于系統(tǒng)內(nèi)的閉合線圈裝置得電，電磁力作用在連接叉上，并施加給動(dòng)觸頭一個(gè)向左的作用力，驅(qū)動(dòng)觸頭在作用下，發(fā)生移動(dòng)與靜觸頭連接，此時(shí)輔助觸頭開(kāi)始移動(dòng)。值得注意的是，連接叉施加的力作用在動(dòng)觸頭上時(shí)，動(dòng)觸頭會(huì)與靜觸頭結(jié)合，為了降低兩者在結(jié)合的過(guò)程中出現(xiàn)較大的作用力（撞擊力），設(shè)置一個(gè)能夠有效釋放撞擊力的裝置，即閉合阻尼器。（2）保持原理。斷路器在閉合后，電流通過(guò)線圈，作用在輔助觸頭上，此時(shí)，輔助觸頭在電磁作用下發(fā)生自鎖，保持得電。（3）斷開(kāi)原理。斷開(kāi)時(shí)，意味著線圈失電，則電磁片為通電，此時(shí)連接叉退回，動(dòng)觸頭在連接叉作用力的帶動(dòng)下復(fù)位。同樣，為避免觸頭復(fù)位時(shí)產(chǎn)生較大撞擊力損害支架，因此，同樣設(shè)置一個(gè)可以減輕撞擊力的斷開(kāi)阻尼器。（4）滅弧原理。在斷開(kāi)的瞬間，兩觸頭之間會(huì)產(chǎn)生電弧，通過(guò)左右連接進(jìn)入滅弧柵，實(shí)現(xiàn)滅弧。（5）脫扣原理。在模塊運(yùn)行的過(guò)程中，如果主電路的電流過(guò)高，超過(guò)了安全電流值，那么脫扣裝置形成磁場(chǎng)，電磁片向上，在作用力的效果下，連接叉向下移動(dòng)，使得電磁力無(wú)法作用在動(dòng)觸頭上，實(shí)現(xiàn)脫扣。

3 軌道交通車輛中高速斷路器控制的應(yīng)用

3.1 車輛控制

在司機(jī)臺(tái)上設(shè)置高速斷路器分和自復(fù)位按鈕。使用過(guò)程中，只能由司機(jī)進(jìn)行操作，為將閉合命令有效地區(qū)分開(kāi)，斷路器使用的是電氣互鎖控制。列車只有在保持持續(xù)性受電才能確保將相應(yīng)端的斷路器閉合，在緊急情況下，司機(jī)可以隨時(shí)按下緊急停車按鈕。

3.2 牽引逆變器控制

司機(jī)按下斷路器閉合按鈕后，脈沖信號(hào)通過(guò)列車線傳輸至牽引逆變器，在接收到閉合指令后，通過(guò)閉合允許與閉合指令完成對(duì)斷路器的閉合操作。司機(jī)通過(guò)自復(fù)位按鈕以手動(dòng)的形式將斷路器斷開(kāi)，同樣利用列車線將斷開(kāi)信號(hào)傳輸至各牽引逆變器。在接收到斷開(kāi)指令后，將相應(yīng)端設(shè)置為低電平。

3.3 高速斷路器線圈供電控制

斷路器閉合電路時(shí)，會(huì)首先給出一個(gè)閉合激勵(lì)，并在之后斷開(kāi)相應(yīng)端。斷路器閉合過(guò)程如下：首先當(dāng)繼電器閉合后，會(huì)系統(tǒng)會(huì)向短路線圈提供一個(gè)較大的電流，以此達(dá)到激勵(lì)效果，在之后，將非保持繼電器斷開(kāi)，并將其與保持電阻相連接，而斷路器則保持閉合。當(dāng)斷路器設(shè)置為閉合后，此時(shí)相應(yīng)端為低電平，此時(shí)，閉合允許繼電器斷開(kāi)，線圈斷電。

4 方案優(yōu)化

本文以某城市內(nèi)的一個(gè)地鐵項(xiàng)目為研究對(duì)象，為了方面分析將系統(tǒng)整體運(yùn)行原理圖簡(jiǎn)化，如圖2所示。從圖2中我們可以看出，當(dāng)受電后，接觸網(wǎng)內(nèi)的電壓分別通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)（Q1、Q2）、高壓斷路器（HSCB）、充電電路（K1、R、K2）、穩(wěn)壓電容C。

圖2 高速斷路器回路簡(jiǎn)化圖

對(duì)于電容C來(lái)說(shuō)，由于其產(chǎn)生的電壓是存在漸變過(guò)程中，所以可以認(rèn)為在上電的瞬時(shí)，電容的電壓等于0。如果此時(shí)直接進(jìn)行供電，則極易導(dǎo)致出現(xiàn)極大的瞬時(shí)沖擊電流，破壞系統(tǒng)裝置。所以，為降低瞬時(shí)沖擊電流帶來(lái)的不利影響，需要對(duì)在電容上設(shè)置一個(gè)充電電路。當(dāng)斷路器閉合后，首先將充電電路開(kāi)關(guān)K1閉合，充電電阻R為電容C供電，當(dāng)電容充電過(guò)程完成后，則將充電電路開(kāi)關(guān)K2閉合，此時(shí)有K2正常供電。有上述分析可以看出，高速斷路器模塊在運(yùn)行的過(guò)程中存在以下缺點(diǎn)：首先，在充電電路K1所流經(jīng)的電流值要遠(yuǎn)小于高速斷路器與充電電路K2流經(jīng)的電流值，過(guò)高的電流會(huì)造成高速斷路器與充電電路K2的結(jié)構(gòu)過(guò)大，不利于成本控制。此外，高速斷路器主要是用來(lái)保護(hù)系統(tǒng)線路，充電電路K2用來(lái)控制系統(tǒng)電路的啟閉，如果將電路通斷與保護(hù)一體化設(shè)計(jì)，則能夠有效地將斷路器結(jié)構(gòu)縮小化，減少成本。另外，高速斷路器與充電電路K2屬于機(jī)械式斷路器，進(jìn)行分?jǐn)嚯娐窌r(shí)極易出現(xiàn)電弧，不利于高速斷路器的使用穩(wěn)定性。針對(duì)以上兩個(gè)缺點(diǎn)，考慮使用電力電子器件作為固態(tài)開(kāi)關(guān)，對(duì)斷路器模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。改進(jìn)方案如圖3所示。

圖3 高速斷路器優(yōu)化方案圖示

對(duì)比優(yōu)化前與優(yōu)化后的方案可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的方案在保持電器元件數(shù)量不發(fā)生變化時(shí)，使用固態(tài)開(kāi)關(guān)替代了傳統(tǒng)的接觸開(kāi)關(guān)，有效地提升了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與使用壽命；優(yōu)化后的方案采用的是并聯(lián)模式，整體運(yùn)行可靠性顯然優(yōu)于串聯(lián)模式；雖然采用固態(tài)開(kāi)關(guān)會(huì)在一定程度上增加模塊的成本，但固態(tài)開(kāi)關(guān)的使用可以降低斷路器成本，并增加模塊使用壽命；與接觸器相比，固態(tài)開(kāi)關(guān)的使用有效地解決了電弧問(wèn)題的發(fā)生，尤其是在過(guò)流情況下分?jǐn)嗄芰σ笙陆?，?duì)降低成本有著積極作用。

結(jié)論：高速斷路器是城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要設(shè)備，用來(lái)接通與斷開(kāi)車輛電路和接觸網(wǎng)的高壓連接，當(dāng)車輛在行駛的過(guò)程中電路發(fā)生故障時(shí)，高速斷路器能夠起到斷開(kāi)電路和接觸電網(wǎng)的連接，達(dá)到保護(hù)車輛牽引逆變器的木器。所以，對(duì)高速斷路器的電氣控制電路控制進(jìn)行分析，有助于提升車輛排除故障效率，提高車輛運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。