有轨电车高速断路器控制电路分析及改进

王 平，王 莹，雷佳祺

(北京公交有轨电车有限公司西郊线分公司，北京 100080)

1 概 述

西郊线车辆的牵引系统为意大利安萨尔多公司提供，高速断路器(High Speed Circuit Breaker，以下简称HSCB)作为有轨电车牵引主电路重要的模块，对车辆的高压供给、系统保护起着至关重要的作用。HSCB性能好坏直接影响车辆运营的安全性、可靠性，间接关系到车辆的维修成本[1]。本文从运营角度对HSCB工作原理、使用情况、控制方式等做出介绍，并针对控制方式作出具体分析和改进。

2 高速断路器工作原理及功能

高速断路器采用Microelettrica Scientifica公司的IR3000型产品，内部闭合机构采用电机驱动，接触面由吸持线圈紧密吸持，广泛应用于有轨电车领域[2]。

2.1 结构组成

西郊线有轨电车为5模块，编组方式为MA-RA-P-RB-MB，高速断路器安装于P车顶部，每列车配置一台。在受电弓升起的情况下，通过操作司机台上的高速断路器璇钮，将合、分的信号直接输入。

高速断路器主要有灭弧装置(固定灭弧触点、活动灭弧触点、灭弧罩)、闭合电机、控制板、固定主触点、活动主触点、辅助触点、吸持磁体、吸持线圈、减震器、主弹簧等组成，如图1、图2所示。

图1 高速断路器结构

图2 高速断路器结构

2.2 工作原理

牵引主电路主要由线路电抗器、功率开关、功率电容器、高压开关、高压电缆等器件组成。组成器件价格昂贵，过流耐受电流小，耐受时间短等特点。当出现过流时应尽快切断故障电流，保护其主要器件，并隔离故障区域[3]。本车高速断路器采用直流750 V单极磁性灭弧自动脱扣型空气断路器，额定电流1 500 A，断路时间小于30 ms。它有分断能力迅速和可靠性高的特点，对车辆核心部件牵引逆变器起到很好的保护作用[4]

内部工作原理：车辆系统正常情况下，HSCB通过硬线正常启动后，经反泵继电器Kx触点使Kch线圈得电，Kch常开触点闭合后，电机得电运行。同时内部吸持线圈Br得电，经RC控制电路调节电流保证Br磁场。在Br磁场的作用下，电机工作动使活动触点与固定主触点吸合，随电机的运行带动联动杆作用，使常开的辅助触点54闭合。经R2、C4电路使Kx继电器线圈得电，Kx触点闭合方向改变，导致Kch线圈失电，随之Kch触点断开，电机停止运行。辅助触点54具有自锁功能，Kx线圈持续保持有电闭合状态，HSCB主触点能够保持闭合。当人员操作或者因故障引起断开时，HSCB外部控制电路失电，Br线圈失电，无磁力作用，动触点在弹簧拉力的作用下与主触点断开。内部工作原理如图3所示。

图3 HSCB内部电路示意

2.3 功能

HSCB电路中承担着重要作用，牵引系统如发生短路、过载等故障时，瞬时的大电流会造成设备损坏，甚至影响到接触网，HSCB在闭合且非人工断开操作状态下，遇到故障主触点脱扣跳开，保护车辆设备安全。保护条件如下：

(1)IGBT相位模块故障；

(2)无法断开，HSCB在450 ms内未断开；

(3)线电压过高；

(4)滤波电压过压，超过940 V持续10 s或滤波电压大于1 050 V；

(5)线路过流，线电流大于600 A或电机两个相电流之间的不平衡量大于50 A；

(6)指令错误；

(7)预充电错误，充电电阻已达最大能量值；

(8)牵引系统板卡故障等。

因此牵引设备发生以上故障会通过HSCB脱扣响应出来。

3 控制方式

3.1 使用情况

(1)工作方式：西郊线为折返线路，正线运行到两端时司机需要将本端HSCB断开，拔下激活钥匙后前往另一端司机室重新进行激活，接通HSCB后可对车辆牵引，因此需要对其反复操作。

(2)按操作次数：按照一列车每天上线运行13圈计算，每圈在两端需断开或闭合操作，共计动作4次，一天运营完成至少需要操作4×13=52次(不包含库内备车和出库前的操作)，按照全年计算HSCB动作总次数为365×52=18 980次。

(3)故障情况：经过故障统计发现，车辆运营一年左右，在司机折返换端对高速断路器进行合操作时，车辆会报出高速断路器无法闭合的故障，无高压，车辆无法牵引运行，最终车辆被救援下线，此类问题给运营造成了很大的隐患。经检测模块外部控制电路电压正常，随后进行拆卸，发现内部电机传动杆在转动时有卡滞现象，电机电源线有烧损的痕迹。最终得出电机轴承卡滞，导致电机无法运行，高速断路器无法闭合。

(4)整改：出现电机轴承卡滞的问题与其本身质量问题及频繁操作均有关系。整体更换内部控制电机，同时对车辆的高速断路器控制电路做出改进，减少司机操作高速断路器的次数，预防频繁的操作影响部件寿命。

3.2 原控制电路

HSCB外围电路控制条件包含：DC24V电源正常、头继电器处于“激活”状态、高速断路器旋钮处于“闭合”状态，高速断路器未操作“断开”、TCU控制未出现让HSCB断开的故障，未触发安全制动等，满足以上条件高速断路器模块方可得电。车辆HSCB电路设计过分考虑换端时的安全性，因此将激活信号作为控制条件之一。原控制电路如图4所示。

图4 改造前控制电路

3.3 改进后的控制电路

改进后的HSCB模块取车辆DC24V控制电源，将安全制动按钮直接串联在HSCB璇钮“断开”线路上。基于安全角度考虑，车辆遇到紧急情况时，司机拍下安全制动按钮，HSCB“断开”继电器线圈得电，控制回路中“断开”继电器常闭触点断开失电，可快速控制主触点断开。

控制电路改进后车辆不受头继电器控制，换端时不依赖激活钥匙控制，只要车辆系统正常，HSCB依然能保持工作状态，只有车辆收车后，才需人工断开HSCB模块。

4 控制方案对比分析

4.1 电路对比

对比图4和图5的控制电路，从电路元器件数量来说，改进后的方案元器件数量及种类保持不变[5]；从电路结构来说，HSCB控制电路摒弃激活继电器和两个安全继电器触点，能减少因继电器触点故障引发的关联性故障，可靠性提高。

4.2 操作次数

改造后的电路，不需要司机在每次换端后操作断开HSCB，内部电机也不用每次都被触发工作。按照修改后的HSCB控制逻辑，上线前司机备车闭合高速断路器，收车回段后断开高速断路器即可。按照全年运营计算一列车操作为365×2=730次(不包含车辆日常维护和因系统保护导致的操作)，改造后电机动作次数减少了18 980-730=18 250次，操作次数降低96.15%，有效减少HSCB故障发生的概率。

4.3 故障率

HSCB电路改造前，车辆在运营约1年左右，在不同车辆报出HSCB无法闭合故障。经过优化电路及统一更换电机的整改后，截止目前运营未再报出同类故障。因HSCB本身问题引起的故障率降为0，可靠性提高。

4.4 寿命

有轨电车HSCB闭合主要是靠控制电路触发直流电机工作，使主电路的活动触点与固定触点闭合。电机轴承寿命与本身质量、温度、电压、振动、环境、冲击等因素有关，轴承运转时，会有一种强大的冲击力，常常引起滚动轴承的轨道和滚动外表面疲劳剥落，过于频繁的操作电机，轴承寿命会受到严重影响。如果减少轴承运转频次，车辆大修之前可以正常使用，模块寿命得到保证。

4.5 维护成本

因HSCB为意大利进口设备，设备本身采购周期长，费用较高，车辆出质保后，还会有购买配件以及修复的费用。电路更改后既满足前期的安全设计要求，在此基础上维护费用也得到大大的降低。

5 结束语

高速断路器是牵引的重要保护部分，涉及安全。系统在运营中发生的故障，在充分掌握高速断路器控制原理及内部结构的前提下，可对控制电路进行改进，降低故障率，满足车辆可靠性及可操作性要求，同时降低系统维护成本，延长模块使用寿命。