地鐵列車(chē)蓄電池輸出控制斷路器的選型

李鴻隆 王 攀 焦 陽(yáng) 沈嘉雍

地鐵列車(chē)蓄電池輸出控制斷路器的選型

李鴻隆 王 攀 焦 陽(yáng) 沈嘉雍

摘 要：以地鐵列車(chē)的蓄電池輸出控制斷路器的選型為例，介紹了微型斷路器的基本功能、特性選擇以及在地鐵列車(chē)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地鐵列車(chē)；蓄電池；斷路器；選型；應(yīng)用

李鴻?。罕本┑罔F車(chē)輛裝備有限公司，工程師，北京 100079

0　引言

蓄電池作為地鐵列車(chē)的低壓供電設(shè)備，用于列車(chē)的起動(dòng)控制及緊急情況下（如列車(chē)突然失去高壓電源）向列車(chē)應(yīng)急負(fù)載提供45 min直流供電，以利于列車(chē)救援及人員疏散。而控制蓄電池組輸出的控制斷路器，其作用就凸顯重要，不僅承擔(dān)著對(duì)列車(chē)低壓負(fù)載電路的正常切除和接通，在電路出現(xiàn)短路、過(guò)載故障時(shí)，還是具有能夠迅速斷開(kāi)故障電路、保護(hù)負(fù)載系統(tǒng)設(shè)備功能的開(kāi)關(guān)裝置，對(duì)其科學(xué)準(zhǔn)確地選型是列車(chē)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。

1　斷路器基本結(jié)構(gòu)

斷路器由操作機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)、保護(hù)裝置(各種脫扣器)、滅弧系統(tǒng)等組成。其主觸點(diǎn)通常是通過(guò)手動(dòng)操作閉合的。主觸點(diǎn)閉合后，自由脫扣機(jī)構(gòu)將主觸點(diǎn)鎖閉在合閘位置上。過(guò)電流脫扣器的線(xiàn)圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯(lián)，欠電壓脫扣器的線(xiàn)圈和電源并聯(lián)。當(dāng)電路發(fā)生短路或嚴(yán)重過(guò)載時(shí)，過(guò)電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，主觸點(diǎn)斷開(kāi)主電路。當(dāng)電路過(guò)載時(shí)，熱脫扣器的熱元件發(fā)熱使雙金屬片向上彎曲，推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。當(dāng)電路欠電壓時(shí)，欠電壓脫扣器的銜鐵釋放，也使自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

斷路器的脫扣器型式有過(guò)電流脫扣器、欠電壓脫扣器、分勵(lì)脫扣器等。過(guò)電流脫扣器還可分為過(guò)載脫扣器和短路(電磁)脫扣器，并有長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)之分。其中過(guò)電流瞬時(shí)脫扣器最為常用。

2　地鐵列車(chē)車(chē)載蓄電池控制電路

目前，國(guó)內(nèi)地鐵列車(chē)每編組的車(chē)輛數(shù)量根據(jù)線(xiàn)路客流大小多為6輛或8輛編組型式。在無(wú)列車(chē)牽引用電需求的情況下，通常每列車(chē)設(shè)置2套蓄電池組，并聯(lián)向列車(chē)的低壓直流負(fù)載供電。車(chē)載蓄電池組投入/分?jǐn)嗫刂频幕倦娐啡鐖D1所示。圖1中的QF28即為蓄電池輸出控制斷路器，一般安裝于車(chē)下蓄電池箱的控制箱內(nèi)。由于電路中沒(méi)有設(shè)置斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，如果列車(chē)中的1個(gè)QF28斷路器在列車(chē)上電時(shí)發(fā)生負(fù)載啟動(dòng)電流沖擊造成脫扣跳開(kāi)情況，因其不會(huì)影響到另1輛拖車(chē)（Tc）蓄電池組的正常投入將無(wú)法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因而對(duì)于1列車(chē)中單個(gè)斷路器跳開(kāi)的時(shí)間和當(dāng)時(shí)的車(chē)輛狀態(tài)均無(wú)從知曉，只有在該車(chē)組當(dāng)日首次出車(chē)按下蓄電池投入按鈕（圖1 中BATC）投入蓄電池時(shí)，如果另1個(gè)蓄電池控制箱內(nèi)的QF28斷路器這時(shí)也發(fā)生了啟動(dòng)電流沖擊造成的脫扣跳開(kāi)，1列車(chē)的2個(gè)QF28斷路器均跳開(kāi)，致使列車(chē)無(wú)法正常上電才能被司機(jī)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)列車(chē)已不能按正常排表時(shí)間上線(xiàn)運(yùn)行，只能按故障未出庫(kù)退出運(yùn)行圖。

上電時(shí)的負(fù)載啟動(dòng)沖擊電流屬于負(fù)載的正常特性而非故障狀態(tài)，電路設(shè)計(jì)時(shí)，若斷路器的特性參數(shù)選擇合適，是不會(huì)因啟動(dòng)電流的沖擊而偶爾或頻繁發(fā)生脫扣保護(hù)動(dòng)作的。從上述分析可知，該斷路器的選型不合適，將會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)秩序造成很大的影響，因此，對(duì)于地鐵列車(chē)的蓄電池輸出控制斷路器特性的合理選擇則凸顯重要。

圖1　蓄電池投入/分?jǐn)嗫刂齐娐?/p>

3　斷路器脫扣特性分析

斷路器的脫扣特性包括熱脫扣特性和電磁脫扣特性2種，是由斷路器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。電磁脫扣特性通常用于電路發(fā)生短路或嚴(yán)重過(guò)載時(shí)的保護(hù)，其機(jī)構(gòu)動(dòng)作可使斷路器迅速跳閘斷開(kāi)，切斷電源與負(fù)載之間的電氣連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的保護(hù)，其動(dòng)作特性具有瞬時(shí)特性或定時(shí)限特性。熱脫扣特性則是當(dāng)電路過(guò)載時(shí)，其熱元件發(fā)熱使金屬片向上彎曲，推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，動(dòng)作特性具有反時(shí)限特性。

一般直流電源電路中常用的斷路器脫扣特性(曲線(xiàn))有B、C、D 3種，不同品牌同一脫扣特性斷路器產(chǎn)品的瞬時(shí)脫扣范圍會(huì)略有不同，例如：施耐德NC125H型C特性產(chǎn)品瞬時(shí)脫扣范圍（7～10) In，D特性產(chǎn)品瞬時(shí)脫扣范圍（10～14) In，In為斷路器額定電流。各特性產(chǎn)品適用的負(fù)載電路如表1所示。

圖1所示電路中的QF28斷路器是車(chē)載直流電源與其負(fù)載之間的橋梁，它的作用有2個(gè)：一是正常接通或切除負(fù)載電源；二是在電路故障時(shí)迅速跳閘切斷電源，保護(hù)負(fù)載設(shè)備。

表1　不同脫扣特性的斷路器適用的場(chǎng)合

正常情況下，地鐵列車(chē)的蓄電池組主要用于列車(chē)運(yùn)行所需負(fù)載的上電啟動(dòng)控制，當(dāng)列車(chē)的靜止逆變電器（SIV）啟動(dòng)并正常工作后，蓄電池組則進(jìn)入浮充電狀態(tài)，以維持列車(chē)上電啟動(dòng)負(fù)載以及應(yīng)急負(fù)載所需用電容量。因此，車(chē)載蓄電池組所帶的直接負(fù)載主要包括：牽引/制動(dòng)控制系統(tǒng)、列車(chē)車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)、空調(diào)及通風(fēng)控制系統(tǒng)、列車(chē)直流照明系統(tǒng)、列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、列車(chē)廣播及媒體播放系統(tǒng)、車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)等。對(duì)于多個(gè)負(fù)載系統(tǒng)共用1個(gè)供電電源的地鐵列車(chē)來(lái)說(shuō)，各負(fù)載系統(tǒng)的電源輸入電路設(shè)計(jì)及器件選型不盡相同，負(fù)載呈復(fù)合特性狀況，在對(duì)圖1電路中的QF28斷路器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型時(shí)，其額定工作電流通過(guò)所帶各負(fù)載的功率進(jìn)行計(jì)算確定，以滿(mǎn)足負(fù)載正常工作的需求；而脫扣保護(hù)特性的選擇則需要考慮各負(fù)載系統(tǒng)綜合因素，一旦選擇的特性不能夠可靠承受這種多負(fù)載同時(shí)啟動(dòng)的疊加電流的沖擊或處于脫扣保護(hù)值的臨界范圍，出現(xiàn)本文第2節(jié)內(nèi)容所描述的情況，則會(huì)對(duì)線(xiàn)路的正常運(yùn)營(yíng)秩序帶來(lái)不良影響。在筆者經(jīng)歷過(guò)的地鐵車(chē)輛的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程中，曾遇到過(guò)此種情況的發(fā)生，通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)際負(fù)載的多種組合啟動(dòng)電流的測(cè)試，驗(yàn)證了該斷路器的特性選擇處于負(fù)載啟動(dòng)電流的臨界范圍。

4　案例分析

發(fā)生上述非電路故障導(dǎo)致的斷路器脫扣保護(hù)動(dòng)作的地鐵車(chē)輛，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)選型為125 A的C特性產(chǎn)品，在進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，投入蓄電池組時(shí)，偶爾會(huì)發(fā)生類(lèi)似圖1電路中的QF28斷路器脫扣保護(hù)分?jǐn)喱F(xiàn)象。因QF28安裝于車(chē)下蓄電池箱的控制箱內(nèi)不易被直觀(guān)發(fā)現(xiàn)，每次都是在列車(chē)中的第2個(gè)斷路器脫扣分?jǐn)酂o(wú)法正常投入蓄電池時(shí)調(diào)試人員才發(fā)現(xiàn)。經(jīng)多方檢查與之相關(guān)聯(lián)的電路接線(xiàn)，排除了各故障車(chē)輛接線(xiàn)存在虛接地或短路的可能性；其次通過(guò)更換同型號(hào)新品斷路器后現(xiàn)象依然存在的情況，排除了因個(gè)別器件產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題引起異常動(dòng)作的可能性。在排除了上述2個(gè)原因后，將調(diào)查方向轉(zhuǎn)向了斷路器特性分析。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)車(chē)的多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每次QF28斷路器的異常分?jǐn)嗑窃诹熊?chē)上電投入蓄電池的過(guò)程中，此時(shí)列車(chē)同時(shí)投入的主要負(fù)載包括列車(chē)牽引/制動(dòng)控制、列車(chē)廣播及乘客信息顯示、列車(chē)車(chē)門(mén)控制等，結(jié)合斷路器C特性抗沖擊電流值范圍推測(cè)，在列車(chē)DC110V初始上電時(shí)，如果負(fù)載的啟動(dòng)瞬時(shí)沖擊電流值介于該斷路器的脫扣保護(hù)臨界值附近，就有可能導(dǎo)致QF28斷路器有時(shí)跳、有時(shí)不跳的情況出現(xiàn)。

斷路器產(chǎn)品的電磁脫扣特性試驗(yàn)的起始狀態(tài)通常為冷態(tài)，在此條件下，當(dāng)試驗(yàn)電流達(dá)到產(chǎn)品對(duì)應(yīng)特性允許的最大倍數(shù)電流值時(shí)（用于直流時(shí)，瞬時(shí)脫扣器電流限制還應(yīng)乘1個(gè)系數(shù)K，一般K＝1.2），在小于0.1 s時(shí)間內(nèi)斷路器瞬時(shí)脫扣器即會(huì)脫扣動(dòng)作，因此，峰值電流的持續(xù)時(shí)間也是斷路器保護(hù)特性的重要技術(shù)指標(biāo)之一。

4.1數(shù)據(jù)采集

為了獲得現(xiàn)車(chē)的實(shí)際最大沖擊電流值，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，使用沖擊電流測(cè)試儀器，對(duì)車(chē)輛多次進(jìn)行了不同負(fù)載、不同蓄電池組合下的列車(chē)上電啟動(dòng)沖擊電流的測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中QF28斷路器時(shí)有跳開(kāi)現(xiàn)象，表2為現(xiàn)車(chē)測(cè)試的列車(chē)上電啟動(dòng)沖擊實(shí)際電流值。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，帶載情況下列車(chē)的啟動(dòng)電流峰值在1 500 A以上，空載情況下基本在1 300 A上下。QF28的選型為施耐德NC125H/2P 型C特性斷路器，其額定電流為125 A，按照C特性斷路器脫扣電流值為（7～10）In計(jì)算，其所能承受的理論最大沖擊電流值應(yīng)為1 250 A，由于各列車(chē)的不同系統(tǒng)電源輸入電路負(fù)載特性和器件特性的正常差異，各負(fù)載系統(tǒng)啟動(dòng)疊加后的電流沖擊持續(xù)時(shí)間無(wú)法用理論計(jì)算。依據(jù)現(xiàn)車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)，再結(jié)合斷路器特性分析可以判斷，列車(chē)的DC110V低壓負(fù)載的啟動(dòng)沖擊電流值及其持續(xù)時(shí)間應(yīng)處于器件電磁脫扣特性動(dòng)作值的臨界區(qū)域。在此種情況下，斷路器選擇抗啟動(dòng)沖擊電流能力更強(qiáng)的同型號(hào)D特性產(chǎn)品更為合適。對(duì)于同型號(hào)的D特性斷路器，其脫扣電流值按（10～14）In計(jì)算的話(huà)，可承受的最大沖擊電流值可高達(dá)1 750 A，在滿(mǎn)足負(fù)載額定電流需求下，其抗沖擊能力完全可以覆蓋所有列車(chē)的啟動(dòng)沖擊電流峰值范圍。

NC125H型斷路器的C、D特性曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖2、圖3。

表2　列車(chē)上電啟動(dòng)沖擊實(shí)際電流值A(chǔ)

圖2　NC125H斷路器C特性曲線(xiàn)

圖3　NC125H斷路器D特性曲線(xiàn)

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將2只施耐德NC125H/2P型D特性斷路器同時(shí)更換到車(chē)輛上進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，在經(jīng)過(guò)不少于20次的投入、分?jǐn)嘈铍姵卦囼?yàn)過(guò)程中，QF28斷路器始終沒(méi)有出現(xiàn)異常跳開(kāi)情況。證明上述分析是正確的，改進(jìn)措施是有效可行的。

5　結(jié)束語(yǔ)

斷路器作為車(chē)輛電氣系統(tǒng)中一種重要的保護(hù)元器件，其科學(xué)合理的設(shè)計(jì)選型是確保地鐵列車(chē)可靠運(yùn)行的基本條件。

在進(jìn)行電源電路斷路器的設(shè)計(jì)選型時(shí)，結(jié)合斷路器所保護(hù)的負(fù)載系統(tǒng)設(shè)備的輸入功率、負(fù)載特性、啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流峰值及其持續(xù)時(shí)間等因素綜合考慮是十分必要的，不僅可以保證所選斷路器的技術(shù)參數(shù)滿(mǎn)足所帶負(fù)載電路的額定工作電流需求，同時(shí)能夠承受負(fù)載設(shè)備的正常啟動(dòng)沖擊所產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流，確保負(fù)載系統(tǒng)可以正常投入工作；在此基礎(chǔ)之上，所選器件仍具備對(duì)電路或設(shè)備短路、接地等嚴(yán)重故障可靠分?jǐn)啾Ｗo(hù)的能力。另外，在車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)重要系統(tǒng)的控制斷路器，建議增加狀態(tài)監(jiān)視功能，可通過(guò)與脫扣裝置聯(lián)動(dòng)的輔助監(jiān)視信號(hào)觸點(diǎn)，將斷路器閉合、分?jǐn)嗟臓顟B(tài)直觀(guān)地顯示在司機(jī)臺(tái)監(jiān)控顯示屏上，在發(fā)生脫扣分?jǐn)嗲闆r時(shí)，彈出提醒信息，實(shí)現(xiàn)“看得見(jiàn)的安全”，便于司乘人員對(duì)突發(fā)情況的及時(shí)處理，更加有利于地鐵車(chē)輛正常運(yùn)營(yíng)秩序的維護(hù)和保障。

參考文獻(xiàn)

[1] DL/T 5044-2004 電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2004.

責(zé)任編輯 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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912∶U266.27