深圳地鐵11號(hào)線(xiàn)應(yīng)急電源熔斷器故障原因

谷越峰

摘要 為了解決在地鐵蓄電池饋電的情況下，地鐵車(chē)輛正常工作的問(wèn)題，在地鐵的充電機(jī)箱體中增加了應(yīng)急啟動(dòng)電源，但是應(yīng)急啟動(dòng)電路前端的熔斷器故障率較高，給運(yùn)營(yíng)和檢修維護(hù)帶來(lái)一定影響。本文從輔助變流器的主電路、熔斷器設(shè)置原理、以及應(yīng)急電源模塊等方面入手，結(jié)合應(yīng)急電源模塊的沖擊電流的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)熔斷器的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了解決方法，為后續(xù)地鐵輔助變流器熔斷器的設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】輔助變流器 應(yīng)急啟動(dòng)電路 熔斷器沖擊電流

城市軌道交通系統(tǒng)的牽引網(wǎng)是專(zhuān)門(mén)給電動(dòng)車(chē)輛供給電源而沿線(xiàn)路鋪設(shè)的裝置，它由正極接觸網(wǎng)供電，負(fù)極走形回流軌兩部分組成。按照IEC和我國(guó)規(guī)程規(guī)定，目前我國(guó)地下通道的牽引網(wǎng)普遍采用兩種，一種是DC750V接觸軌受電，標(biāo)稱(chēng)電壓為直流750V，允許電壓波動(dòng)范圍為500-900V，如昆明地鐵1號(hào)線(xiàn)。另一種是DC1500V架空接觸網(wǎng)受電，標(biāo)稱(chēng)電壓為直流I500V，允許電壓波動(dòng)范圍為1000-1800V，如深圳地鐵11號(hào)線(xiàn)。某地鐵工程采用DC1500V的供電制式，架空接觸網(wǎng)受流的方式，裝置的輔助變流器在應(yīng)用過(guò)程中，加載在應(yīng)急電源模塊輸入端的熔斷器出現(xiàn)了多次燒損故障，給地鐵的應(yīng)用與檢修帶來(lái)了一定壓力。

通過(guò)排查，只有在檢修時(shí)才能發(fā)現(xiàn)熔斷器的故障，并且熔斷器并不是在輔助變流器輸入電路真實(shí)短路情況下出現(xiàn)的開(kāi)路，因此不會(huì)給列車(chē)的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全方面的問(wèn)題，但對(duì)產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性方面存在較大的影響。

本文主要說(shuō)明了地鐵輔助變流器的工作原理、應(yīng)急啟動(dòng)電路以及熔斷器設(shè)置原因、對(duì)熔斷器的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)解決方法，為后續(xù)地鐵輔助變流器熔斷器設(shè)置方面的設(shè)計(jì)選型提供相應(yīng)思路。

1 輔助變流器工作原理

輔助變流器采用典型的DC-AC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將接觸網(wǎng)提供的DC1500V電源先經(jīng)過(guò)充電電路實(shí)現(xiàn)支撐電容的預(yù)充電，待支撐電容電壓充到一定值后再閉合短接接觸器，再經(jīng)過(guò)IGBT三相逆變、三相變壓器隔離濾波后，輸出三相四線(xiàn)制交流正弦波電壓給列車(chē)三相負(fù)載供電，同時(shí)三相正弦交流電壓又給柜內(nèi)的充電機(jī)裝置供電，為列車(chē)的DClIOV蓄電池充電以及DCIIOV干線(xiàn)負(fù)載供電，其主電路原理如圖l所示。其中R1為充電電阻、KM1短接接觸器、KM2充電接觸器、L為平波電感、C為支撐電容、V1-V6為三相逆變模塊的IGBT、TR為△/Y隔離變壓器、ACC為三相交流濾波電容、U/V/W/N為三相四線(xiàn)制輸出電壓、110+/110-為充電機(jī)輸出DCIlOV電壓。

2 熔斷器設(shè)置原理

2.1 熔斷器特性

熔斷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置一般由純銀熔體和石英砂填料組成，其中純銀熔體為gg.gg%的純銀，石英砂的純度應(yīng)采用97%以上的成分，并帶接近圓形顆粒的海沙。為一種保護(hù)電路及實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全運(yùn)行的保護(hù)器件，其工作原理是當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過(guò)規(guī)定值并維持一定時(shí)間后，熔斷器熔斷實(shí)現(xiàn)電路的中斷，從而起到保護(hù)作用。

熔斷器對(duì)需要保護(hù)的電路有著非常重要的作用，當(dāng)熔斷器需要熔斷時(shí)而未熔斷，電路中的電流不能別切斷，被保護(hù)電路可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)大的電流流過(guò)而損壞電路相應(yīng)器件;另外當(dāng)熔斷器流過(guò)的電流非短路電流時(shí)，熔斷器發(fā)生了熔斷，使得被保護(hù)電路的不能正常工作，影響了設(shè)備的使用。

2.2 熔斷器的設(shè)置

一般情況下，地鐵輔助變流器的DCIIOV控制電源由列車(chē)蓄電池進(jìn)行供電，一旦列車(chē)進(jìn)行庫(kù)檢、月檢等相關(guān)維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，可能造成DCIIOV蓄電池饋電，只能通過(guò)外接DCIIOV充電機(jī)給整列車(chē)的蓄電池充電，蓄電池電壓達(dá)到一定值并滿(mǎn)足整車(chē)控制電源的需要時(shí)，斷開(kāi)外接的DCIlOV充電機(jī)，直接啟動(dòng)輔助變流器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電。對(duì)于出現(xiàn)了蓄電池饋電，地鐵運(yùn)營(yíng)公司不但增加了相關(guān)設(shè)備成本，并且維護(hù)存在非常的不便。

為了解決上述問(wèn)題，輔助變流器設(shè)計(jì)中增加了應(yīng)急啟動(dòng)電路，在存在蓄電池供電的情況下，應(yīng)急電源模塊工作在空載模式，即不給柜內(nèi)的控制機(jī)箱供電。在蓄電池不能正常的情況下，即在列車(chē)蓄電池嚴(yán)重饋電（列車(chē)的I10V蓄電池不能給整列車(chē)提供滿(mǎn)足要求的控制電源）的情況下，通過(guò)啟動(dòng)輔助變流器柜內(nèi)的應(yīng)急電源，給輔助變流器的控制機(jī)箱供應(yīng)DCIlOV電源。當(dāng)列車(chē)存在DC1500V的高壓，同時(shí)輔助變流器的控制電壓正常的情況下，會(huì)立即啟動(dòng)輔助變流器，輔助變流器正常工作后，安裝在柜內(nèi)的DCIlOV充電機(jī)即能正常工作，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電同時(shí)給DClIOV干線(xiàn)提供穩(wěn)定的DCIlOV電源，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的正常運(yùn)行。

應(yīng)急電源模塊的標(biāo)稱(chēng)輸入電壓為DC1500V， 內(nèi)部采用DC/DC變換實(shí)現(xiàn)DCIlOV的輸出，當(dāng)應(yīng)急電源模塊內(nèi)部出現(xiàn)短路或器件損壞時(shí)，可能將直流干線(xiàn)DC1500V短路，造成直流干線(xiàn)不能正常供應(yīng)DC1500V電源，產(chǎn)生整個(gè)線(xiàn)路上列車(chē)不能正常運(yùn)行的嚴(yán)重后果。為了規(guī)避該問(wèn)題，需要在應(yīng)急電源模塊的前端設(shè)置了熔斷器，當(dāng)應(yīng)急電源模塊內(nèi)部出現(xiàn)短路的嚴(yán)重故障時(shí)，通過(guò)熔斷器的斷開(kāi)達(dá)到保護(hù)主電路的功能，增加熔斷器的主電路如圖2所示。其中FU為直流熔斷器，其他的代號(hào)說(shuō)明與圖1-致。

3 熔斷器燒損原因分析

2017年4月11日，深圳地鐵11號(hào)11071車(chē)在做庫(kù)內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法緊急啟動(dòng)，經(jīng)株機(jī)查線(xiàn)正常后，下車(chē)測(cè)量我司充電機(jī)箱體應(yīng)急啟動(dòng)熔斷器發(fā)現(xiàn)不導(dǎo)通，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)充電機(jī)緊急啟動(dòng)電源模塊故障，隨即更換。列車(chē)在進(jìn)行應(yīng)急電壓工作模式的試驗(yàn)時(shí)，輔助變流器不能正常應(yīng)急啟動(dòng)，將電源模塊和熔斷器更換后，輔助變流器的應(yīng)急功能才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3.1 應(yīng)急電源模塊分析

通過(guò)對(duì)輔助變流器柜內(nèi)控制電壓的功率需求進(jìn)行分析，應(yīng)急啟動(dòng)電源功率<600W，正常工作時(shí)流過(guò)熔斷器的電流

在試驗(yàn)室對(duì)應(yīng)急電源模塊進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)熔斷器的首次上電沖擊電流為43.4A，測(cè)試波形見(jiàn)圖4，核對(duì)熔斷曲線(xiàn)，在理論上該沖擊電流也不足以造成熔斷器燒損。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)應(yīng)急電源模塊在得電初期存在較大的沖擊電流，分析廠家給的應(yīng)急電源模塊的相應(yīng)電路，發(fā)現(xiàn)其輸入端無(wú)限流電阻，只有并聯(lián)電容，具體的主電路見(jiàn)圖5，其中圖5中的C表示濾波電容。當(dāng)DC1500突然加在應(yīng)急電壓模塊上時(shí)，相當(dāng)于將DC1500V電源直接加載在電容兩端，未設(shè)置限流電阻的情況下，其沖擊電流較大，當(dāng)電容的電壓建立后，幾乎無(wú)沖擊電流的產(chǎn)生。因此列車(chē)在每天首次正線(xiàn)運(yùn)行上高壓時(shí)，即存在一次電流沖擊，反復(fù)多次可能造成熔斷器斷開(kāi)故障。

3.2 應(yīng)用線(xiàn)路分析

單端供電方式下，當(dāng)車(chē)輛過(guò)無(wú)電區(qū)時(shí)，車(chē)輛依照慣性行走，不從受電網(wǎng)進(jìn)行取電;當(dāng)車(chē)輛通過(guò)了無(wú)電區(qū)，重新在電網(wǎng)取電時(shí)會(huì)存在一個(gè)電流沖擊。熔斷器的壽命深受周期的循環(huán)變化負(fù)載的影響，在使用過(guò)程中，應(yīng)急啟動(dòng)電源周期性啟動(dòng)停止，供電線(xiàn)路網(wǎng)壓突變或者合接觸網(wǎng)的瞬間du/dt很大，引起流過(guò)熔斷器電流增大，致使熔斷器周期性承受大尖峰電流，不斷地冷卻和加熱熔斷器體，造成熔斷器的熱脹冷縮發(fā)生，另外熔斷器的壽命與沖擊電流的I²t有關(guān)，隨著沖擊能量和次數(shù)的增加，熔斷器將逐漸老化，造成熔斷器的斷開(kāi)故障。

4 解決方法

通過(guò)上述的分析，可以從列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)路電壓、應(yīng)急電源模塊的接口電路兩方面進(jìn)行優(yōu)化，抑制熔斷器的沖擊電流。具體方案如下：

方案1：采用更大容量的熔斷器，保證在線(xiàn)路波動(dòng)、上電初期的沖擊電流不足以導(dǎo)致熔斷器的燒損，同時(shí)要求大容量的熔斷器在應(yīng)急電源模塊發(fā)生真正短路的情況下，能夠穩(wěn)定、可靠的分?jǐn)?，達(dá)到保護(hù)電源的功能。

方案2：針對(duì)應(yīng)急電源模塊的輸入回路只有電容無(wú)限流電阻的情況，在應(yīng)急電源模塊內(nèi)的輸入回路中增加限流電阻，降低輸入沖擊電流從而減少I(mǎi)²t，提高熔斷器的使用壽命。

通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，方案1實(shí)施簡(jiǎn)單，直接更換相同物理規(guī)格而額定電流更大的熔斷器，而方案2需要將應(yīng)急電源模塊進(jìn)行批量召回并改造，為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，最終制定了2個(gè)同時(shí)實(shí)施的措施，其一為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的列車(chē)采用更換熔斷器的方式;其二為后續(xù)生產(chǎn)的應(yīng)急電源模塊增加限流電阻，降低沖擊電流的方式。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)更換為更大容量的熔斷器后，輔助變流器的應(yīng)急啟動(dòng)電路均能工作正常，更換到現(xiàn)在，未發(fā)生l例熔斷器燒損故障，徹底解決了該問(wèn)題，為后續(xù)地鐵輔助變流器的穩(wěn)定、可靠應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] IEC 60077-5鐵路應(yīng)用機(jī)車(chē)車(chē)輛電氣設(shè)備第5部分：電工器件高壓熔斷器規(guī)則[S].2003.

[2]李靖，高低壓電器及設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3]單保強(qiáng)，張紅江，薛思才等.城軌車(chē)輛受流器熔斷器的選型研究[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2014 （10）：51-54.

[4]王丹，韓振興，方曉.廣州地鐵4號(hào)線(xiàn)接觸軌受流主電路熔斷器故障原因分析[J]，城市軌道交通，2013 （10）：124-126.