動車組貫通回路電路板保護(hù)技術(shù)研究

王雙全，馬升潘，馮慶鵬，毛瑞雷

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111)

動車組貫通回路用以實現(xiàn)對整列動車組的控制、保護(hù)，主要包括：斷路器、電纜、電路板等部件。斷路器在回路出現(xiàn)過流、短路時，通過自動斷開的方式保護(hù)后級電路?，F(xiàn)車存在因斷路器保護(hù)值與電路板載流能力不匹配造成的電路板燒損故障，對線路運(yùn)行秩序造成嚴(yán)重影響。為迅速鎖定故障點、有效規(guī)避火情，保障列車運(yùn)行秩序及乘客安全，本文對動車組貫通回路電路板保護(hù)設(shè)計進(jìn)行分析研究。

1 典型貫通回路

依靠設(shè)計、生產(chǎn)水平的提升及嚴(yán)格的出廠篩選，動車組用電路板本身質(zhì)量可得到有效控制。本文在不考慮電路板本身質(zhì)量缺陷前提下，以動車組貫通回路中電路板位置為基準(zhǔn)，確定貫通回路中接地位置與電路板燒損的關(guān)系，將列車貫通回路分為兩類。

Ⅰ類回路：電路板位于回路末端，為回路的最終負(fù)載，如圖1所示。該類回路斷路器的選取僅需考慮回路器件(如開關(guān))和電纜載流量大于斷路器的保護(hù)值即可，斷路器可對回路中任意點短路接地進(jìn)行有效保護(hù)。

圖1 Ⅰ類回路

Ⅱ類回路：回路進(jìn)入電路板后又再次引出電路板(不包括地線引出)啟動其他負(fù)載，如圖2所示。該類回路A點接地后不會導(dǎo)致電路板燒損，保護(hù)邏輯同Ⅰ類回路，但B點接地后可能會導(dǎo)致電路板燒損。因此，針對動車組貫通回路存在的B點接地情況，在對斷路器、熔斷器等設(shè)備選型時需考慮與后級電路板載流能力的匹配。

圖2 Ⅱ類回路

2 電路板銅箔負(fù)載能力設(shè)計

印刷電路板主要由環(huán)氧樹脂、玻纖和覆銅板以及導(dǎo)線組成，屬于混合物質(zhì)。印刷電路板表面涂三防漆，它是一種特殊的配方涂料，通常是由聚氨酯、聚合類樹脂、有機(jī)硅等組成的結(jié)構(gòu)膠。無論是設(shè)計選型不合理還是外部故障短路都會導(dǎo)致印刷電路板過流，發(fā)熱變形、破壞三防漆，甚至導(dǎo)線熔斷，印刷電路板失效，因此有必要對印刷電路板載流能力進(jìn)行研究[1-5]。

根據(jù)GB/T 4588.3—2002《印制板的設(shè)計和使用》中圖8，導(dǎo)體通流后產(chǎn)生電流熱效應(yīng)，隨著時間的推移，導(dǎo)體表面的溫度不斷地上升直至穩(wěn)定。穩(wěn)定的判斷條件是所有測試點在1 h測試間隔內(nèi)前后溫差不超過2 ℃，此時測得任意測試點的溫度與測試最后的1/4周期環(huán)境溫度平均值的差值為溫升Δt，單位為℃[6]。動車組用電路板設(shè)計采用上述原則，選取合適的銅箔寬度和厚度滿足電路板負(fù)載要求，為保證足夠余量，目前電路板設(shè)計參考導(dǎo)體溫升10 ℃進(jìn)行選型。

3 電路板銅箔載流能力測試

結(jié)合動車組運(yùn)用中電氣柜內(nèi)實際工作溫度，對電路板銅箔進(jìn)行載流量能力測試。目前使用的PCB板材TG值≥150 ℃(TG值為基板由固態(tài)融化為橡膠態(tài)流質(zhì)的臨界溫度，即熔點)，以此作為參考依據(jù)進(jìn)行如下試驗：

按圖3搭載試驗回路，試驗環(huán)境溫度范圍為16～18 ℃。電路板為4層板，所測銅箔為電路板表層銅箔，逐漸增加回路電流使對應(yīng)銅箔表面溫度達(dá)到并穩(wěn)定在150 ℃，1 h后(線路板不燒損)記錄電流數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場搭建試驗臺如圖4所示。

圖3 試驗回路

圖4 試驗臺現(xiàn)場圖

動車組用電路板銅箔尺寸規(guī)格為：(1)厚度1 oz，寬度范圍0.5～2 mm；(2)厚度2 oz，寬度范圍0.8～1.5 mm。本文以厚度1 oz，寬度0.5 mm、1 mm、2 mm和厚度2 oz，寬度1 mm的銅箔測試結(jié)果為例進(jìn)行說明。不同規(guī)格銅箔試驗受損曲線如圖5所示。

圖5 不同規(guī)格銅箔試驗受損曲線

由圖5可知，橫坐標(biāo)為銅箔通過電流，縱坐標(biāo)為銅箔通不同電流值后至受損所需時間，其中≥3 600 s理解為銅箔可在該電流值下長期通電。由圖5(a)、圖5(b)可知，電路板銅箔厚度1 oz情況下，其承載能力隨銅箔寬度增加而增加。1 oz、0.5 mm銅箔電路板TG值測試的極限電流值為8.2 A，電流9 A時，3 min燒斷。1 oz、2 mm銅箔通電流22.5 A時，35 s冒煙。

由圖5(c)、圖5(d)可知，電路板銅箔寬度1 mm情況下，其承載能力隨厚度增加而增加。1 oz、1 mm銅箔通15 A電流時，銅箔燒損；2 oz、1 mm銅箔通21 A電流時，銅箔燒損。表1為銅箔燒損電流與Δt=100 ℃時持續(xù)電流數(shù)值統(tǒng)計表格，銅箔燒損電流約為Δt=100 ℃時持續(xù)電流的2倍。

表1 銅箔燒損電流與Δt=100 ℃時持續(xù)電流數(shù)值統(tǒng)計

結(jié)合對銅箔載流能力的測試可知，不同規(guī)格銅箔其受損對應(yīng)電流值及通流時間均存在差異，同一規(guī)格銅箔在不同破壞電流值下通流時間也不同。選取的保護(hù)部件應(yīng)保證銅箔在正常工作電流范圍內(nèi)不會誤動作，對銅箔造成損傷的電流出現(xiàn)時能夠迅速動作。

4 電路板保護(hù)方案

本文對在動車組電氣回路中較常使用的斷路器、熔斷器與銅箔的匹配關(guān)系進(jìn)行分析。

4.1 斷路器與銅箔匹配性分析

以某公司生產(chǎn)的S200系列斷路器為例，其特性曲線如圖6所示。圖6中，1.13In～7.5In之間為熱脫扣區(qū)域(In為斷路器容量的額定值)，7.5In～15In為熱脫扣與電磁脫扣并存區(qū)域，隨著In倍數(shù)的增加，電磁脫扣的概率逐漸增大，當(dāng)達(dá)到15In時，為100%電磁脫扣。斷路器長延時的熱脫扣和瞬時大電流電磁脫扣分別用于過載和短路保護(hù)。S200系列斷路器脫扣特性見表2。

表2 S200系列斷路器脫扣特性

圖6 S200系列斷路器的特性曲線

斷路器本身在原材料批次、生產(chǎn)過程及運(yùn)用環(huán)境等差異因素影響下，其實際脫扣時間存在差異。在試驗室內(nèi)分別選取額定值為2 A、3 A、6 A的斷路器與電路板進(jìn)行匹配試驗，驗證結(jié)果如下。

(1) 6 A斷路器無法保護(hù)1 oz、2 mm和2 oz、2 mm及以下寬度銅箔；

(2) 3 A斷路器可以保護(hù)1 oz、2 mm和2 oz、2 mm及以上寬度銅箔；

(3) 2 A斷路器可以保護(hù)1 oz、1.5 mm和2 oz、0.8 mm及以上寬度銅箔。

斷路器無法對電路板中載流量小于1 oz、1.5 mm和2 oz、0.8 mm規(guī)格的銅箔進(jìn)行有效保護(hù)。為完善貫通回路電路板保護(hù)，需增加對載流量小于1 oz、1.5 mm和2 oz、0.8 mm銅箔的保護(hù)措施。

4.2 熔斷器與銅箔匹配性分析

適當(dāng)?shù)娜蹟嗵匦院皖~定電流是熔斷器主要功能的必要條件。某品牌的213系列熔斷器(玻璃管抗浪涌型慢熔)特性曲線如圖7所示[7]。

圖7 熔斷器電氣特性曲線

以1 oz、0.5 mm銅箔為例，從圖7中可以看出，選取額定值為2 A、2.5 A熔斷器作為保護(hù)時，熔斷器可在銅箔電流為9 A的1～3 s內(nèi)熔斷實現(xiàn)保護(hù)功能，從而避免銅箔燒損。為進(jìn)一步驗證熔斷器對于電路板銅箔的保護(hù)性能，在試驗室內(nèi)選取213系列2 A、2.5 A、3.15 A熔斷器與1 oz、1.5 mm和2 oz、0.8 mm銅箔電路板進(jìn)行匹配驗證，試驗結(jié)果為：

(1)In=2 A和In=2.5 A時，熔斷器可以保護(hù)1 oz、0.5 mm及以上載流量銅箔；

(2)In=3.15 A時，熔斷器不能夠保護(hù)1 oz、0.5 mm銅箔，但可以保護(hù)1 oz、1 mm及以上載流量銅箔。

通過以上試驗和數(shù)據(jù)分析，熔斷器選型時，工作電流可以按照GB/T 4588.3—2002標(biāo)準(zhǔn)中Δt=100 ℃持續(xù)電流值的2倍進(jìn)行核算，熔斷時間選取2 s，根據(jù)熔斷曲線確定初選規(guī)格，再通過試驗進(jìn)一步驗證。

4.3 電路板保護(hù)方案

動車組貫通回路按功能可分為主干供電線路(以下簡稱“主干線”)和分支控制線路，主干線是從電氣柜引出的饋電線，容量較大，干線接入電路板為多條控制回路供電。斷路器價格高，一個斷路器相當(dāng)于10個熔斷器的價格，因此一般僅在主干線設(shè)計斷路器進(jìn)行短路保護(hù)[8]。電路板中信號線具有密集性特點，一旦一條回路燒損，其破壞性熱量易導(dǎo)致相近回路燒損，進(jìn)一步形成故障聯(lián)鎖[9]。因此，為了對電氣線路進(jìn)行全面保護(hù)，在每個獨(dú)立回路中單獨(dú)設(shè)計熔斷器，熔斷器容量要與電氣回路相匹配，保證一旦發(fā)生短路，熔斷器能立即熔斷[10]。

動車組貫通回路電路板的保護(hù)需綜合考慮電路板銅箔規(guī)格與其前端電路中的斷路器、熔斷器的匹配性，同時在設(shè)計階段還需考慮電路板燒損故障發(fā)生時對故障范圍的有效控制。

已交付動車組貫通回路保護(hù)加改建議為：對電路板銅箔規(guī)格小于1 oz、1.5 mm和2 oz、0.8 mm的關(guān)鍵回路前端加裝熔斷器，如圖8所示。

S1～S4.熔斷器。圖8 已交付動車組貫通回路保護(hù)方案框圖

新造動車組貫通回路保護(hù)設(shè)計建議為：

(1) 3 A斷路器下負(fù)載電路板銅箔規(guī)格設(shè)計為1 oz、2 mm及以上；

(2) 2 A斷路器下負(fù)載電路板銅箔規(guī)格設(shè)計為1 oz、1.5 mm和2 oz、0.8 mm 及以上。

5 結(jié)論

本文通過對動車組電路板銅箔載流能力的摸底及斷路器、熔斷器與電路板銅箔載流能力的匹配性測試，歸納貫通回路保護(hù)電路設(shè)計原則，分別對已交付動車組的加改和新造動車組的設(shè)計提出了優(yōu)化建議。該成果的應(yīng)用能夠有效避免動車組貫通回路電路板燒損甚至火情的發(fā)生，保障列車及乘客人身財產(chǎn)安全。