南京地鐵電客車高壓熔斷器箱原理及故障分析

摘" 要：該文基于南京地鐵2號線地鐵電客車近年來發(fā)生的高壓電路故障，從理論計算及現(xiàn)場情況對故障原因進(jìn)行分析與探討。由于在運(yùn)營過程中，部件自身原因?qū)е鹿δ苁Вl(fā)電路中的電流異常，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)性故障。通過分析得到故障原因并調(diào)整相應(yīng)的維護(hù)策略，以此來避免或減少該類故障的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：地鐵列車；列車受流系統(tǒng)；絕緣子；地鐵車輛維護(hù)；高壓電路

中圖分類號：U216" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0133-04

南京地鐵軌道交通2號線開通于2010年5月，該線路地鐵列車由中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司制造生產(chǎn)，其牽引受流系統(tǒng)使用了法國阿爾斯通（ALSTOM）公司的產(chǎn)品方案。以電力作為動力的地鐵車輛，如何安全地將外部電力轉(zhuǎn)化為自身動力，成為地鐵車輛設(shè)計的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

1" 高壓熔斷器箱在列車中的作用及原理

南京地鐵列車采用外部1 500 V直流高壓作為列車的動力來源，它通過列車高壓受流系統(tǒng)，將電壓傳輸至列車的各個主要系統(tǒng)，并將其轉(zhuǎn)化為不同大小的電壓供列車各個部件使用。列車高壓受流系統(tǒng)主要由一臺可升降的受電弓系統(tǒng)、傳輸電纜、避雷器和高壓熔斷器箱等部件組成，每列地鐵車輛總共配置2套該系統(tǒng)。其中，高壓熔斷器箱安裝于列車頂部，為一個密閉的箱體，箱體內(nèi)有2套熔斷器，如果遇到電壓異常，電流超過熔斷器閾值時，熔斷器會斷開列車與外部電路連接，起到對列車部件的保護(hù)作用（圖1、圖2）。

2" 熔斷器箱相關(guān)事件及故障現(xiàn)象

南京地鐵2號線自開通以來，已發(fā)生多起高壓熔斷器箱故障，每一次故障都對列車正線運(yùn)營產(chǎn)生了較大的影響，以下列舉幾起較為典型的故障加以參考。

2021年9月1日10：22接到行調(diào)通知：南京2號線8月31日下午15：22羊山到經(jīng)天路下行（包含經(jīng)天路折返線I道）接觸網(wǎng)失電， 自動重合閘不成功故障，經(jīng)電調(diào)試送電成功后， 羊山至經(jīng)天路下行（包含經(jīng)天路折返線I道）單邊供電。據(jù)了解區(qū)間內(nèi)027028報高壓熔斷器故障，故障期間該車一直在經(jīng)天路備用。

2013年8月24日3：58接到行調(diào)來電，2號線金馬路到馬群區(qū)間接觸網(wǎng)跳閘，停電7 min，站務(wù)人員發(fā)現(xiàn) 017B車受電弓打火，有3節(jié)車廂有很重的焦糊味。列車單弓運(yùn)行回油坊橋庫，回庫登頂檢查發(fā)現(xiàn)017B車高壓熔斷器箱箱蓋丟失，并且內(nèi)部有明顯的打火燒糊痕跡，熔斷器箱底部與車體的連接座被電流熱效應(yīng)熔斷，017C車頂空調(diào)蓋板有明顯電流灼傷現(xiàn)象，初步檢查受電弓各項(xiàng)機(jī)構(gòu)和避雷器外觀無異常，碳條有電流拉弧灼燒的痕跡。

2017年8月9日15：00時，2號線馬群調(diào)度室接報經(jīng)天路至羊山公園開關(guān)大電流保護(hù)跳閘，后自動重合閘成功。羊山至經(jīng)天路上下行接觸網(wǎng)單邊供電，故障區(qū)段2308（025+026）次026端受電弓顯示灰色問號，運(yùn)行至經(jīng)天路I道下線。車輛回庫后發(fā)現(xiàn)故障列車DDU報至少一個高壓熔斷器故障，PCE3鎖閉，026單元多個車體顯黃。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)026B車高壓熔斷箱HVDR和MF2（400A）熔斷器燒損，高壓熔斷器蓋板丟失，車內(nèi)、車下多個斷路器跳開，接觸網(wǎng)跳閘。

2018年7月29日12：47，0709次列車在仙林中心站報067B車DDU上顯示受電弓顯示問號，司機(jī)在DDU上降067B車單弓無效，運(yùn)行至學(xué)則路站清客，司機(jī)拍蘑菇降弓，升后弓限速運(yùn)行至鐘靈街存車線下線。PCE1和PCE2鎖閉，BGCB跳開，67B車RIOMBCB2跳開。晚間列車回庫后檢查067B車熔斷器箱內(nèi)打火嚴(yán)重，箱內(nèi)HVDR、MF1/MF2燒損，箱蓋缺失。

3" 故障分析

3.1" 現(xiàn)場情況分析

通過對現(xiàn)場情況的分析，前述事件都造成了正線區(qū)域故障車區(qū)間內(nèi)的接觸網(wǎng)跳閘事件，并導(dǎo)致相關(guān)區(qū)間的列車在運(yùn)行過程中緊急停車。在對幾起故障事件分析中發(fā)現(xiàn)，在故障過程中，由于某些原因產(chǎn)生了異常的電流情況，致使接觸網(wǎng)及與之接觸的列車受流系統(tǒng)，發(fā)生瞬時跳閘故障。產(chǎn)生的電流超過高壓熔斷器箱內(nèi)熔斷器的熔斷閾值，熔斷器熔斷，造成列車發(fā)生故障。

3.2" 電路分析

牽引供電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3所示。

地鐵牽引供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)側(cè)短路故障，繼電保護(hù)通過直流饋線柜斷路器進(jìn)行大電流脫扣保護(hù)，就近切除短路故障點(diǎn)，然后進(jìn)行大雙邊供電以確保供電安全。單個直流饋線柜大電流脫扣保護(hù)值通常為8～13 kA。

根據(jù)直流饋線電流脫扣值可知，故障時，系統(tǒng)回路1直流阻抗最大值為

系統(tǒng)等效電路如圖4所示。

等效電路中：V1為接觸網(wǎng)電壓（1 500 V）；RLine為線路電阻，取50 mΩ；RA為接觸網(wǎng)電阻，取4 mΩ；R0為故障點(diǎn)電弧等效電阻，取4 mΩ；Rx為故障點(diǎn)電弧與車體電阻；R2為接觸電阻及線路電阻，取10 mΩ；R3為預(yù)充電電阻；C1為支撐電容；R4為牽引折算電阻；則Rx=187-50-4-4=129 mΩ，回路2的電阻為10+4+129=143 mΩ。

絕緣子故障后，支撐電容通過回路2放電，電壓跌落約314 V，最小放電電流約為314/0.143=2 200 A，即通過熔斷器的電流最小值為2 200 A。接觸網(wǎng)繼電保護(hù)動作后，支撐電容繼續(xù)通過回路2放電，最小放電電流約為（1 500-314）/0.143=8 300 A，即通過熔斷器的電流最小值為8 300 A。

3.3" 絕緣子特性

熔斷器主要由熔體和安裝熔體組成，串接在電路中，主要起到短路保護(hù)作用。當(dāng)電路正常工作時，熔斷器允許通過一定大小的電流，其熔體不熔化；當(dāng)電路發(fā)生短路故障時，熔體通過的故障電流很大，產(chǎn)生的熱量使得熔體熔化， 自動切斷電路，從而達(dá)到保護(hù)的目的。

熔斷器的動作是靠熔體的熔斷來實(shí)現(xiàn)的，熔斷器有個非常明顯的特性，就是安秒特性。串聯(lián)回路里，熔斷器的R值基本不變，發(fā)熱量與電流I的平方成正比，與發(fā)熱時間t成正比，也就是說：當(dāng)電流較大時，熔體熔斷所需的時間就較短（圖5）。而電流較小時，熔體熔斷所需用的時間就較長，甚至如果熱量積累的速度小于熱擴(kuò)散的速度，熔斷器溫度就不會上升到熔點(diǎn)，熔斷器甚至不會熔斷。熔斷器發(fā)熱焦耳定律為Q=R■I2dt。

圖5中IR為熔體的額定電流，熔體長期工作而不致熔斷的電流。

南京2號線熔斷器向內(nèi)使用的熔斷器為2個額定電流為500 A+500 A熔斷器并聯(lián)，即額定電流為1 000 A，遠(yuǎn)小于故障短路電流，熔斷器在絕緣子被擊穿后瞬時熔斷。

3.4" 故障具體原因分析

從上文得知，由于產(chǎn)生了異常的大電流，熔斷器箱內(nèi)的熔斷器承受了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其閾值的電流導(dǎo)致其熔斷，因列車存在2套獲取外部電壓的受流裝置，所以當(dāng)一套裝置發(fā)生故障后，未對列車運(yùn)營產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。在此選取2021年9月1日發(fā)生的故障作為典型案例進(jìn)行詳細(xì)的故障分析，以確定其造成異常電流的具體原因。

在該起故障事件中，檢查發(fā)現(xiàn)故障位置的高壓熔斷器箱箱蓋已產(chǎn)生較大形變，打開箱蓋后目視箱體內(nèi)已損壞嚴(yán)重，一個額定電流為500 A的熔斷器（MF1）和下方的一個絕緣子已明顯損壞。使用儀器測量熔斷器，確認(rèn)熔斷器已處于熔斷狀態(tài)，熔斷器旁的輔助熔斷器觸點(diǎn)已彈出，輔助熔斷器已幾乎脫離原安裝位置，熔斷器已失效。熔斷器安裝座旁的絕緣子有燒蝕現(xiàn)象，箱內(nèi)粉塵較多。熔斷器現(xiàn)場狀態(tài)如圖6所示。

根據(jù)上述情況故障情況分析故障發(fā)生原因如下。

1）首先考慮絕緣性能失效。

2）熔斷器MF1燒毀了，指示彈出，進(jìn)線端主熔連接銅排燒蝕，輔熔幾乎無緊密連接，無導(dǎo)電連接面積近80%。這種情況可以說明熔斷器后端有短路點(diǎn)，造成絕緣子燒毀。

3）根據(jù)之前幾次事故與此次事故的對比分析發(fā)現(xiàn)：前幾次事故發(fā)生時只有絕緣子燒毀，主熔斷器是完好的，而此次出現(xiàn)2個故障點(diǎn)（主熔、絕緣子），并且熔斷器端頭銅排燒蝕嚴(yán)重，說明熔斷器后端存在短路，造成熔斷器燒毀及銅排燒蝕，造成絕緣子燒毀。每一次的短路電流是非常大的，它可以將熔斷器熔斷，同時也會對絕緣子造成最大限度的沖擊。多次的沖擊也會造成對地絕緣（絕緣子），絕緣性能下降直至失效。

4）絕緣子被擊穿/閃絡(luò)放點(diǎn)，在故障部位形成電弧。在電弧未熄滅期間，接觸網(wǎng)經(jīng)車體接地，接觸網(wǎng)與車體電弧形成電流路徑。牽引系統(tǒng)支撐電容通過接地點(diǎn)放電形成電流回路。高壓熔斷器絕緣子受損（或表面污染閃絡(luò)放電）后導(dǎo)致高壓對地放電短路的現(xiàn)象，高壓對地放電后箱體內(nèi)瞬間產(chǎn)生大量高溫氣體而爆炸（箱體蓋有形變）（圖7）。

3.5" 絕緣子分析

根據(jù)TB T 1333.1—2002《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛電氣設(shè)備 第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則》8.2.6.2.5節(jié)要求（圖8），接觸網(wǎng)牽引系統(tǒng)電壓DC1500 V時，在污染等級PD4時，額定沖擊耐受電壓為18 kV。經(jīng)核查絕緣子電氣性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，絕緣子機(jī)械性足以滿足熔斷器安裝需求。通過對現(xiàn)場剩余未損壞絕緣子進(jìn)行調(diào)查，絕緣子試驗(yàn)報告電氣性能試驗(yàn)與機(jī)械性能試驗(yàn)滿足要求，如果故障前絕緣子受損，可能存在如下原因。

①絕緣子在車輛運(yùn)行過程中，某些外部環(huán)境因素影響（如雷擊、諧波、超壓）會造成該絕緣子耐壓值在一定程度上的下降。②隱性裂紋，是指在安裝過程中，存在于絕緣子內(nèi)的力。③網(wǎng)壓過高與諧波含量過大都可能導(dǎo)致正常工況下正常工作絕緣子的擊穿現(xiàn)象。

3.6" 結(jié)論

主熔連接銅排燒蝕，輔助熔斷器幾乎無緊密連接，無導(dǎo)電連接面積近80%。推測為熔斷器后端有短路點(diǎn)產(chǎn)生放電短路燒毀絕緣子或可能為絕緣子在故障前已經(jīng)絕緣性能下降；由于上述原因?qū)е赂邏簩Φ囟搪?，瞬間產(chǎn)生大電流，主熔斷器額定電流為1 000 A，遠(yuǎn)小于故障短路電流，熔斷器在絕緣子被擊穿后瞬時熔斷。

4" 故障建議與預(yù)防措施

其一，根據(jù)南京二號線地鐵列車維護(hù)手冊要求（高壓熔斷器箱部分）（表1）對超10 a車輛所有熔斷器箱進(jìn)行絕緣普查，以確認(rèn)受環(huán)境及力學(xué)因素影響（可能存在裂紋、老化等），電氣性能絕緣子的絕緣指標(biāo)是否下降，對不良品進(jìn)行更換。

其二，按照熔斷器箱維護(hù)手冊的要求及頻次進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)（表1）。

其三，每年夏季雷雨季節(jié)增多，由于雷暴等極端天氣可能會導(dǎo)致絕緣子工作異常，所以需要檢修人員在雷暴天氣到來前加強(qiáng)對受流裝置相關(guān)部件的檢查，確保各部件在極端天氣中工作良好。

5" 結(jié)束語

地鐵作為城市中一種快捷的交通出行方式，保證地鐵安全平穩(wěn)的運(yùn)行是一項(xiàng)非常重要的工作。本文所列舉的高壓熔斷器箱故障，其主要原因是因?yàn)榻^緣子出現(xiàn)老化破損，導(dǎo)致其喪失原有的功能，引發(fā)故障。在檢修工作中，加強(qiáng)檢修質(zhì)量，提升檢修品質(zhì)，及時處理隱患，降低運(yùn)營風(fēng)險，是每個地鐵維護(hù)人員的重要責(zé)任，也是保障乘客安全出行的重要使命。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王雄，陳潔蓮，吳雪峰，等.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)雙向變流器直流側(cè)短路保護(hù)方案[J].控制與信息技術(shù)，2021（3）：26-32.

[2] 陳凱捷.并聯(lián)電抗器合閘過程分析及影響研究[J].工程與試驗(yàn)，2021，61（3）：47-48，74.

[3] 南京中車浦鎮(zhèn)有限公司熔斷器箱維護(hù)手冊[Z].2017.

Abstract： Based on the high-voltage circuit faults that have occurred in subway buses of Nanjing Metro Line 2 in recent years， this paper analyzes and discusses the causes of the faults based on theoretical calculations and field conditions. During operation， the component itself causes functional failure， causing abnormal current in the circuit， which in turn causes systemic failure. The cause of the failure is analyzed and the corresponding maintenance strategy is adjusted to avoid or reduce the occurrence of such failures.

作者簡介：王藝霏（1989-），女，工程師。研究方向?yàn)榈罔F車輛維護(hù)。