軌道交通車輛低壓配電接觸器選型方法

（中車長春軌道客車股份有限公司總體研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

軌道交通車輛低壓配電接觸器選型方法

歐陽瑞璟 文永亮 朱明亮 齊 龍

（中車長春軌道客車股份有限公司總體研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

接觸器是軌道交通車輛低壓配電控制電路的核心元件，其選型由電壓等級、使用類別、工作制式、電氣壽命及工作環(huán)境等因素綜合決定。對軌道交通車輛常用負載在各種使用類別的工況下，分析相應的接觸器選型要求，給出了選型原則和建議。

軌道交通車輛；低壓配電；負載控制；接觸器選型

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

接觸器作為軌道交通車輛低壓配電系統(tǒng)的負載控制元器件，容易因為型號和負載不匹配等因素造成系統(tǒng)故障率高、使用壽命短等問題，進而影響軌道交通車輛正常運行。因此，有必要對軌道交通車輛低壓配電接觸器選型原則進行總結和梳理，以提高系統(tǒng)可靠性，避免因過度設計而造成不必要的浪費，降低車輛制造成本。

1 接觸器選型原則

軌道交通車輛低壓配電接觸器的設計選型主要原則如下［1－4］。

（1）主回路額定電壓：接觸器主觸頭的額定電壓Uej≥負載的額定電壓Ue，同時滿足額定絕緣電壓、額定沖擊耐受電壓需求。

（2）主回路額定電流：根據(jù)負載額定工作電流、工作制式、使用頻率、使用壽命等因素，在負載所屬使用類別的電氣壽命和接觸器額定使用電流對照表中，選定適合的接觸器型號。

（3）工作環(huán)境：包括污染等級、外殼防護等級、工作溫度、現(xiàn)場海拔高度、抗振動沖擊性能、阻燃性能以及接線方式等，其選型需滿足實際環(huán)境要求。

（4）控制電路：接觸器要滿足控制電路的電壓、電流、頻率、線圈電流抑制模塊等方面的要求。

2 負載使用類別

接觸器主要依據(jù)負載使用類別進行選型，其他因素作為輔助考慮因素。關于負載使用類別在文獻［5］中有詳細的定義，其中AC－6a／b、AC－7a／b類別在軌道車輛上幾乎不會出現(xiàn)，所以本文就常用的負載使用類別工況下對接觸器的選型進行分析。

2．1 交流負載

交流負載工況下，通常根據(jù)電氣壽命與額定分斷電流的對照表進行接觸器選型。

2．1．1 AC－1類別

無感或微感負載、電阻性負載。此類負載使用類別的電流波動范圍小，一般不受過載電流的影響，操作不頻繁。功率因數(shù)cosφ≥0．95的交流負載都可歸結到這個類別里。此類負載使用類別的分斷電流等于額定負載電流Ie。在產(chǎn)品樣本中，可查到最大額定負載電流值Iemax。如果樣本中沒有查到，也可以按約定發(fā)熱電流Ith≥1．2×Ie來進行選型。

因為接觸器的最大工作溫度是一定的，當環(huán)境溫度升高后，需要進行降容處理。各品牌接觸器降容略有不同，有的是當外界環(huán)境溫度θ＞60°時，也有的是θ＞55°時需要降容處理。

2．1．2 AC－2類別

繞線型感應電動機的啟動與分斷。此類負載使用類別所對應的負載接通電流與分斷電流均為2．5倍Ie。選用方法等同于AC－4負載使用類別。

2．1．3 AC－3類別

鼠籠型感應電動機的啟動與分斷。鼠籠型電動機的接通電流約為Ie的6倍，分斷電流等于Ie。此類負載使用類別也包括了不頻繁的點動或在有限時間內(nèi)的反接制動工況。

2．1．4 AC－4類別

鼠籠型感應電動機的反接制動與寸動。AC－4和AC－3的主要區(qū)別就是前者的分斷電流是后者的6倍，所以相同的負載及相同的額定工作電流工況下，前者的電氣壽命是后者的1／6。

AC－2的電氣壽命確定方法與AC－4的方法相同，只是分斷電流的倍數(shù)不同（Ic＝2．5Ie），通過使用同一曲線，也可得出對應的電氣壽命值。

在許多情況下，接觸器是在AC－3和AC－4／AC－2使用類別下混合使用，即在正常通斷與點動操作方式下混合使用。文獻［2］中給出了混合使用時觸頭壽命X的計算式：

式中：

A——AC－3的觸頭壽命，萬次；

B——AC－4／AC－2的觸頭壽命，萬次；

C——AC－4／AC－2時操作占通斷次數(shù)的百分比。

如果產(chǎn)品樣本沒有給出AC－4的相應指標，則接觸器大致可按電氣壽命及起動電流選用。

2．1．5 AC－5a／b類別

白熾燈／放電燈的通斷。照明設備主要可以分成白熾燈和鹵素燈（阻性負載）兩大類。氣體放電燈（感性負載）可分為低壓放電燈（熒光低壓汞燈）、低壓鈉燈等）和高壓放電燈（熒光高壓汞燈、高壓鈉燈、氙氣燈及金屬鹵化物燈等）。

白熾燈的使用類別是AC－5a，氣體放電燈使用類別是AC－5b。不同使用類別的照明設備，其起動電流和起動時間不一樣。如起動時間很短，可選擇其Ith等于Ie的1．1倍即可；起動時間稍長以及功率因數(shù)較低的可選擇其Ith比Ie更大一些。

2．1．6 AC－8a／b類別

具有手／自動復位過載脫扣器的密封制冷壓縮機的電機控制。此類負載使用類別是典型的空調(diào)壓縮機負載工況。文獻［4］在定義分斷和接通能力試驗時，對AC－8a／b類別的要求等同于或略低于AC－3類別。由于壽命試驗中沒有單獨定義其試驗條件，所以在實際應用中接觸器供應商沒有單獨給出AC－8a／b類別的預計電氣壽命，選型的時候多按AC－3類別來考慮。

2．2 直流負載

接觸器選型時要嚴格區(qū)分主回路負載類型是直流還是交流。交流接觸器用于直流負載時只適用于DC－1至DC－5類別的負載，對于DC－5類別以上的直流負載建議使用直流接觸器。直流負載有以下幾種使用類別：

（1）DC－1類別，阻性負載。時間常數(shù)L／R≤1 ms，起動和分斷時電流均約為負載的Ie。

（2）DC－3類別，并勵電動機的反接制動與寸動。L／R≤2ms，起動時電流約為2．5Ie，分斷時電流小于或等于主電壓電流。

（3）DC－5類別，串勵電動機的反接制動與寸動。L／R≤7．5ms，起動時電流約為2．5Ie，分斷時電流等于更高電壓時的電流。

低壓配電的一些主要供應商生產(chǎn)的接觸器產(chǎn)品都是按照交流負載進行設計的，應用在直流負載時應降容使用。通常使用串聯(lián)和并聯(lián)的方法提高觸點的電氣壽命。

由于直流和交流負載工況不同，應采用每個觸點分斷功率和電氣壽命的對應曲線進行產(chǎn)品選型。文獻［1］中給出了直流負載使用類別下分斷功率計算式（見表1）。

表1 直流負載使用類別下分斷功率計算

目前有些直流負載，如直流供電顯示屏、直流供電熒光燈等，其內(nèi)部自帶容性的穩(wěn)壓電源模塊，在接通瞬間有一個較大的接通峰值電流，因此，需保證接通電流小于根據(jù)分斷功率所選型號6倍的AC－3工作電流。當容量不夠時，可優(yōu)先考慮通過觸點并聯(lián)的方式，降低每個觸點的接通電流。

3 機械與電氣壽命

3．1 電氣壽命估算

可以根據(jù)產(chǎn)品的使用頻率、服役時間等條件估算出對產(chǎn)品電氣壽命的需求。以下為某使用頻率較高的制動空壓機電氣壽命估算。設一些參數(shù)為：10動作次數(shù)／往返，10往返／天，300使用天數(shù)／年，10年（或是一個大修期）使用年限，設計余量為0．5。由此可得出電氣壽命估算值為：

根據(jù)電氣壽命估算值要求，再根據(jù)其他方面輸入條件進行相關接觸器的選型。

3．2 觸點并聯(lián)使用對電氣壽命的影響

可以選用較小容量的接觸器并聯(lián)使用，以起到分流的作用，降低每個觸點的接通、分斷電流。但必須注意，并聯(lián)后接觸器的約定發(fā)熱電流并不完全與并聯(lián)的極數(shù)成正比。這是由于動、靜觸頭回路的電阻值不一定完全相等，以致流過的電流不一定是平均分配的，所以文獻［1］中明確兩極并聯(lián)后電流只能增加到1．8倍，三極并聯(lián)后電流只能增加到2～2．4倍。

3．3 觸點串聯(lián)使用對電氣壽命的影響

當接觸器的觸點串聯(lián)使用時，電流不變，每個觸點的電壓變小，可加速電弧的熄滅。所以，觸點串聯(lián)后可以提高工作電壓，但要注意不應超過接觸器的額定絕緣電壓。

4 工作制式

接觸器選型時，需要考慮工作制式的影響。當工作頻率超過產(chǎn)品規(guī)定值時，需要按照產(chǎn)品樣本提供的規(guī)則進行降容處理。

接觸器額定電流是指接觸器在長期工作狀態(tài)下的最大允許電流，持續(xù)時間≤8h，且安裝于敞開的控制板上。如果冷卻條件較差，在選用接觸器時，其額定電流按負荷額定電流的110%～120%選取。對于長時間工作的電機，由于其氧化膜沒有機會得到清除，至使接觸電阻增大，導致觸點發(fā)熱超過允許溫升，所以在實際選用時，可將接觸器的額定電流減少30%使用。

5 工作環(huán)境

接觸器選型時，對工作環(huán)境的具體要求如下。

（1）污染等級：文獻［4］規(guī)定的污染等級為3級，即導電性污染環(huán)境，或由于凝霜使干燥的非導電性變成導電性的污染環(huán)境。

（2）外殼防護等級：觸點的密封等級應不小于IP 50。

（3）工作溫度：－20℃～40℃，高溫環(huán)境下需考慮降容處理。

（4）海拔高度：1 500m以下，高海拔情況下需考慮降容處理。

（5）抗振動沖擊性能：需滿足IEC 61373標準的要求。

（6）阻燃性能：需滿足通用國際防火要求。

（7）接線方式：優(yōu)選端子連接方式。

6 控制電路

直流線圈產(chǎn)品的電壓范圍應滿足鐵路寬電壓范圍要求。以DC 110V電壓為例，線圈的正常工作范圍是77．0～137．5V（IEC 60571標準的要求）。

接觸器控制線圈通常會設置線圈電流抑制器模塊，來保證線圈的正常工作。通常情況下，直流110V線圈選用二極管，交流線圈使用RC電路的效果比較好。

7 結語

將上述接觸器選型的通用原則和軌道交通車輛低壓配電系統(tǒng)的實際情況相結合，給出了各負載類型下各使用類別的接觸器選型建議（見表2）。

表2中給出的細化選型建議能夠更好地指導接觸器選型工作，這對提高車輛的可靠性和經(jīng)濟性有重要意義。

［1］ 施奈德電氣公司．TeSys系列電動機起動與保護產(chǎn)品名錄［G］．天津：施奈德電氣中國有限公司，2012．

［2］ 通用電氣（GE）公司．軌道交通電氣產(chǎn)品應用手冊［G］．北京：通用電氣（GE）北京分公司，2010．

［3］ ABB集團．低壓控制產(chǎn)品手冊［G］．天津：博瑞林特自動化科技有限公司，2015．

［4］ 國際電工委員會（IEC）．低壓開關設備和控制設備（第1部分：總則）：IEC 60947－1—2011［S］．

［5］ 國際電工委員會（IEC）．低壓開關設備和控制設備（第4部分：接觸器和電動機起動器）：IEC 60947－4—2009［S］．

Contactor Selection in Low－voltage Distribution on Rail Transit Vehicle

OUYANG Ruijing，WEN Yongliang，ZHU Mingliang，QI Long

Contactor is the key element in rail transit vehicle control circuit，the type selection of which depends on comprehensive factors like rated voltage，utilization category，working frequency，electrical durability，working condition and so on．According to the normal loads of rail transit trains in different operating modes，correspongding type selections of contactor installed on railway vehicle are analyzed，the selection principle and suggestions are propsed．

rail transit vehicle；low－voltage distribution；load control；contactor selection

U270．38＋1

10．16037／j．1007－869x．2017．02．014

2016－09－25）