地铁列车蓄电池输出控制断路器的选型

李鸿隆 王 攀 焦 阳 沈嘉雍

地铁列车蓄电池输出控制断路器的选型

李鸿隆 王 攀 焦 阳 沈嘉雍

摘 要：以地铁列车的蓄电池输出控制断路器的选型为例，介绍了微型断路器的基本功能、特性选择以及在地铁列车中的应用。

关键词：地铁列车；蓄电池；断路器；选型；应用

李鸿隆：北京地铁车辆装备有限公司，工程师，北京 100079

0　引言

蓄电池作为地铁列车的低压供电设备，用于列车的起动控制及紧急情况下（如列车突然失去高压电源）向列车应急负载提供45 min直流供电，以利于列车救援及人员疏散。而控制蓄电池组输出的控制断路器，其作用就凸显重要，不仅承担着对列车低压负载电路的正常切除和接通，在电路出现短路、过载故障时，还是具有能够迅速断开故障电路、保护负载系统设备功能的开关装置，对其科学准确地选型是列车能够稳定运行的重要保证。

1　断路器基本结构

断路器由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成。其主触点通常是通过手动操作闭合的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁闭在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片向上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作。

断路器的脱扣器型式有过电流脱扣器、欠电压脱扣器、分励脱扣器等。过电流脱扣器还可分为过载脱扣器和短路(电磁)脱扣器，并有长延时、短延时、瞬时之分。其中过电流瞬时脱扣器最为常用。

2　地铁列车车载蓄电池控制电路

目前，国内地铁列车每编组的车辆数量根据线路客流大小多为6辆或8辆编组型式。在无列车牵引用电需求的情况下，通常每列车设置2套蓄电池组，并联向列车的低压直流负载供电。车载蓄电池组投入/分断控制的基本电路如图1所示。图1中的QF28即为蓄电池输出控制断路器，一般安装于车下蓄电池箱的控制箱内。由于电路中没有设置断路器状态监测功能，如果列车中的1个QF28断路器在列车上电时发生负载启动电流冲击造成脱扣跳开情况，因其不会影响到另1辆拖车（Tc）蓄电池组的正常投入将无法被及时发现，因而对于1列车中单个断路器跳开的时间和当时的车辆状态均无从知晓，只有在该车组当日首次出车按下蓄电池投入按钮（图1 中BATC）投入蓄电池时，如果另1个蓄电池控制箱内的QF28断路器这时也发生了启动电流冲击造成的脱扣跳开，1列车的2个QF28断路器均跳开，致使列车无法正常上电才能被司机发现，此时列车已不能按正常排表时间上线运行，只能按故障未出库退出运行图。

上电时的负载启动冲击电流属于负载的正常特性而非故障状态，电路设计时，若断路器的特性参数选择合适，是不会因启动电流的冲击而偶尔或频繁发生脱扣保护动作的。从上述分析可知，该断路器的选型不合适，将会对运营秩序造成很大的影响，因此，对于地铁列车的蓄电池输出控制断路器特性的合理选择则凸显重要。

图1　蓄电池投入/分断控制电路

3　断路器脱扣特性分析

断路器的脱扣特性包括热脱扣特性和电磁脱扣特性2种，是由断路器的内部结构所决定的。电磁脱扣特性通常用于电路发生短路或严重过载时的保护，其机构动作可使断路器迅速跳闸断开，切断电源与负载之间的电气连接，实现对负载的保护，其动作特性具有瞬时特性或定时限特性。热脱扣特性则是当电路过载时，其热元件发热使金属片向上弯曲，推动自由脱扣机构动作，动作特性具有反时限特性。

一般直流电源电路中常用的断路器脱扣特性(曲线)有B、C、D 3种，不同品牌同一脱扣特性断路器产品的瞬时脱扣范围会略有不同，例如：施耐德NC125H型C特性产品瞬时脱扣范围（7～10) In，D特性产品瞬时脱扣范围（10～14) In，In为断路器额定电流。各特性产品适用的负载电路如表1所示。

图1所示电路中的QF28断路器是车载直流电源与其负载之间的桥梁，它的作用有2个：一是正常接通或切除负载电源；二是在电路故障时迅速跳闸切断电源，保护负载设备。

表1　不同脱扣特性的断路器适用的场合

正常情况下，地铁列车的蓄电池组主要用于列车运行所需负载的上电启动控制，当列车的静止逆变电器（SIV）启动并正常工作后，蓄电池组则进入浮充电状态，以维持列车上电启动负载以及应急负载所需用电容量。因此，车载蓄电池组所带的直接负载主要包括：牵引/制动控制系统、列车车门控制系统、空调及通风控制系统、列车直流照明系统、列车网络控制系统、列车广播及媒体播放系统、车载信号系统等。对于多个负载系统共用1个供电电源的地铁列车来说，各负载系统的电源输入电路设计及器件选型不尽相同，负载呈复合特性状况，在对图1电路中的QF28断路器进行设计选型时，其额定工作电流通过所带各负载的功率进行计算确定，以满足负载正常工作的需求；而脱扣保护特性的选择则需要考虑各负载系统综合因素，一旦选择的特性不能够可靠承受这种多负载同时启动的叠加电流的冲击或处于脱扣保护值的临界范围，出现本文第2节内容所描述的情况，则会对线路的正常运营秩序带来不良影响。在笔者经历过的地铁车辆的设计验证过程中，曾遇到过此种情况的发生，通过试验现场对实际负载的多种组合启动电流的测试，验证了该断路器的特性选择处于负载启动电流的临界范围。

4　案例分析

发生上述非电路故障导致的断路器脱扣保护动作的地铁车辆，当时的设计选型为125 A的C特性产品，在进行设计验证试验中发现，投入蓄电池组时，偶尔会发生类似图1电路中的QF28断路器脱扣保护分断现象。因QF28安装于车下蓄电池箱的控制箱内不易被直观发现，每次都是在列车中的第2个断路器脱扣分断无法正常投入蓄电池时调试人员才发现。经多方检查与之相关联的电路接线，排除了各故障车辆接线存在虚接地或短路的可能性；其次通过更换同型号新品断路器后现象依然存在的情况，排除了因个别器件产品质量问题引起异常动作的可能性。在排除了上述2个原因后，将调查方向转向了断路器特性分析。

通过对现车的多次试验发现，每次QF28断路器的异常分断均是在列车上电投入蓄电池的过程中，此时列车同时投入的主要负载包括列车牵引/制动控制、列车广播及乘客信息显示、列车车门控制等，结合断路器C特性抗冲击电流值范围推测，在列车DC110V初始上电时，如果负载的启动瞬时冲击电流值介于该断路器的脱扣保护临界值附近，就有可能导致QF28断路器有时跳、有时不跳的情况出现。

断路器产品的电磁脱扣特性试验的起始状态通常为冷态，在此条件下，当试验电流达到产品对应特性允许的最大倍数电流值时（用于直流时，瞬时脱扣器电流限制还应乘1个系数K，一般K＝1.2），在小于0.1 s时间内断路器瞬时脱扣器即会脱扣动作，因此，峰值电流的持续时间也是断路器保护特性的重要技术指标之一。

4.1数据采集

为了获得现车的实际最大冲击电流值，在试验现场，使用冲击电流测试仪器，对车辆多次进行了不同负载、不同蓄电池组合下的列车上电启动冲击电流的测试，测试过程中QF28断路器时有跳开现象，表2为现车测试的列车上电启动冲击实际电流值。

根据测试结果发现，带载情况下列车的启动电流峰值在1 500 A以上，空载情况下基本在1 300 A上下。QF28的选型为施耐德NC125H/2P 型C特性断路器，其额定电流为125 A，按照C特性断路器脱扣电流值为（7～10）In计算，其所能承受的理论最大冲击电流值应为1 250 A，由于各列车的不同系统电源输入电路负载特性和器件特性的正常差异，各负载系统启动叠加后的电流冲击持续时间无法用理论计算。依据现车测试数据，再结合断路器特性分析可以判断，列车的DC110V低压负载的启动冲击电流值及其持续时间应处于器件电磁脱扣特性动作值的临界区域。在此种情况下，断路器选择抗启动冲击电流能力更强的同型号D特性产品更为合适。对于同型号的D特性断路器，其脱扣电流值按（10～14）In计算的话，可承受的最大冲击电流值可高达1 750 A，在满足负载额定电流需求下，其抗冲击能力完全可以覆盖所有列车的启动冲击电流峰值范围。

NC125H型断路器的C、D特性曲线对比见图2、图3。

表2　列车上电启动冲击实际电流值A

图2　NC125H断路器C特性曲线

图3　NC125H断路器D特性曲线

4.2试验验证

为进一步验证分析结果的准确性，将2只施耐德NC125H/2P型D特性断路器同时更换到车辆上进行静态测试，在经过不少于20次的投入、分断蓄电池试验过程中，QF28断路器始终没有出现异常跳开情况。证明上述分析是正确的，改进措施是有效可行的。

5　结束语

断路器作为车辆电气系统中一种重要的保护元器件，其科学合理的设计选型是确保地铁列车可靠运行的基本条件。

在进行电源电路断路器的设计选型时，结合断路器所保护的负载系统设备的输入功率、负载特性、启动时产生的冲击电流峰值及其持续时间等因素综合考虑是十分必要的，不仅可以保证所选断路器的技术参数满足所带负载电路的额定工作电流需求，同时能够承受负载设备的正常启动冲击所产生的瞬时大电流，确保负载系统可以正常投入工作；在此基础之上，所选器件仍具备对电路或设备短路、接地等严重故障可靠分断保护的能力。另外，在车辆设计时，对重要系统的控制断路器，建议增加状态监视功能，可通过与脱扣装置联动的辅助监视信号触点，将断路器闭合、分断的状态直观地显示在司机台监控显示屏上，在发生脱扣分断情况时，弹出提醒信息，实现“看得见的安全”，便于司乘人员对突发情况的及时处理，更加有利于地铁车辆正常运营秩序的维护和保障。

参考文献

[1] DL/T 5044-2004 电力工程直流系统设计技术规程[S]. 北京：中国电力出版社，2004.

责任编辑 冒一平

Selection of Battery Output Control Circuit Breaker for Metro Train

Li Honglong, Wang Pan, Jiao Yang, et al.

Abstract:Taking the selection of battery output control circuit breaker for metro train as an example, the paper introduces the basic function of the miniature circuit breaker, feature selection and application in the metro train operation.

Keywords:metro train, battery, circuit breaker, selection, application

收稿日期2015-02-09

中图分类号：TM912∶U266.27