淺析真空斷路器的控制電路結(jié)構(gòu)及控制邏輯

李晶 王位 劉斌 雷欣 陳奎 符茂林

摘要：本文針對真空斷路器的單線供電、雙線供電的電路結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)介紹，通過對真空斷路器的內(nèi)部邏輯及主斷環(huán)的控制邏輯進行對比分析，得出雙線供電電路結(jié)構(gòu)可以提高真空斷路器的可靠性，為真空斷路器的進一步改善研究提供思路，為軌道交通行業(yè)中真空斷路器的選型提出建議方案。

Abstract： This paper gives a detailed introduction to the single-line power supply and two-wire power supply structure of vacuum circuit breaker. By comparing and analyzing the internal control logic of the vacuum circuit breaker and the control logic of the main break loop， it is concluded that the two-wire power supply circuit structure can improve the reliability of the vacuum circuit breaker. It provides ideas for further improvement of vacuum circuit breakers， and provides solutions for the selection of vacuum circuit breakers in the rail transit industry.

關(guān)鍵詞：真空斷路器;單線供電;雙線供電;電路;控制邏輯;可靠性

Key words： vacuum circuit breaker;single-line power supply;two-wire power supply;circuit;control logic;reliability

1 ?概述

作為軌道交通車輛的關(guān)鍵部件，真空斷路器被用于開斷、接通主電路，同時又起過載、短路和接地保護的作用，其穩(wěn)定可靠的工作對軌道車輛的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。真空斷路器的電路結(jié)構(gòu)可分為單線供電和雙線供電兩種，多數(shù)電力機車及動車組均采用單線供電方式的真空斷路器，只有少數(shù)動車組的真空斷路器采用雙線供電方式。本文主要是對真空斷路器兩種電路結(jié)構(gòu)進行對比介紹，分析兩者的控制邏輯，得出單、雙線供電電路的優(yōu)劣勢，為真空斷路器的選型提供思路。

2 ?主斷路器的動作原理

合閘：當(dāng)給出主斷閉合信號，電磁閥和保持線圈得電，氣路打開，壓縮空氣由儲風(fēng)缸通過電磁閥流入壓力氣缸，推動活塞向上運動，此時動觸頭隨著活塞的移動而運動，恢復(fù)彈簧壓縮，主觸頭閉合，觸頭壓力彈簧壓縮，活塞到達行程末端，由于保持線圈電磁吸力的作用，實現(xiàn)主斷路器合閘狀態(tài)的保持，電磁閥失電斷開氣路，完成真空斷路器的合閘動作。

分閘：當(dāng)保持線圈失電，活塞在彈簧力作用下移動，主觸頭打開，將實現(xiàn)真空斷路器的分閘。

3 ?單線供電主斷路器的內(nèi)部控制原理

3.1 控制原理分析

對于單線供電真空斷路器，控制系統(tǒng)中有一個ON/OFF開關(guān)，如圖1所示，主斷只需提供一個閉合/斷開指令，即提供一個DC110V控制回路即可實現(xiàn)分合閘操作，其控制原理圖如圖2所示，其中：①是印制電路板;②是計數(shù)器;③是電磁閥;④是主觸頭輔助聯(lián)鎖;⑤是壓力開關(guān);⑥是外部電阻盒;⑦是保持線圈。

由圖2可知，對于單線供電斷路器，“1”接控制電源（負(fù)極）-Ubat，“2”接控制電源（正極）+Ubat，當(dāng)接收到主斷閉合指令時，一路電流通過二極管、電阻盒給保持線圈供電;另一路電流給時間繼電器和電磁閥供電，若真空斷路器儲風(fēng)缸氣壓足夠，壓力開關(guān)閉合，就會給晶體管觸發(fā)電流，晶體管c（集電極）和e（發(fā)射極）兩端就會導(dǎo)通，110V電壓還經(jīng)過與MOS管柵極G并聯(lián)的反向穩(wěn)壓管和電容，當(dāng)電容充電，穩(wěn)壓管反壓大于7V時，MOS管導(dǎo)通，電磁閥將會得電打開氣路，驅(qū)動主觸頭動作，時間繼電器開始計時，一段時間后時間繼電器的常閉觸點斷開，此時MOS管關(guān)斷，電磁閥失電斷開氣路，真空斷路器在保持線圈的作用下保持閉合狀態(tài)，直到ON/OFF開關(guān)斷開，保持線圈失電，斷路器斷開。

3.2 單線控制結(jié)構(gòu)存在的弊端

①當(dāng)主斷路器延時繼電器故障失效后，MOS管長時間得電，電磁閥將長時間工作，而該電路沒有其他保護措施斷開電磁閥回路，這樣將導(dǎo)致主斷路器出現(xiàn)故障（如MOS管燒損、電磁閥線圈燒損、主斷漏風(fēng)等故障）影響電力機車的安全穩(wěn)定運行。

典型案例：2010年夏季，裝于HXD1C型大功率貨運機車上的BVAC.N99D型真空斷路器高溫運行時出現(xiàn)無法合閘故障，經(jīng)過分析得出故障原因為延時繼電器在高溫運行時失效，使得電磁閥長時間通電，溫升超限發(fā)生燒毀，從而使得電磁閥得電無法打開氣路，導(dǎo)致真空斷路器無法合閘[1]。

②該電路結(jié)構(gòu)中的主斷電磁閥和主斷保持線圈同時啟動，易導(dǎo)致主斷110V電源電壓的不穩(wěn)定，產(chǎn)生電壓波動，易發(fā)生主斷不合閘故障，影響了電力機車的正常穩(wěn)定運行。

③對于單線供電電路結(jié)構(gòu)，時間繼電器在ON/OFF開關(guān)閉合后就會得電開始計時，這樣就存在著由于延時繼電器故障造成合閘時間過短，真空斷路器主觸頭還沒有閉合的時候，時間繼電器就斷開MOS管的觸發(fā)回路，電磁閥失電打開氣路，導(dǎo)致真空斷路器無法閉合的風(fēng)險，影響電力機車的安全穩(wěn)定運行。

典型案例：1）HXD3 0138機車因BVAC.N99型主斷路器閉合后，延時繼電器未在575～650ms內(nèi)給邏輯控制單元電信號，致使邏輯控制單元無法在預(yù)定的時間內(nèi)斷開啟動電磁閥的電源，牽引控制單元TCU接收不到主斷路器的反饋信號而導(dǎo)致被封鎖[2]。2）HXD1B 0142機車主斷路器控制電源板延時繼電器發(fā)生故障，造成合閘延時過短，真空斷路器合閘不到位導(dǎo)致主斷狀態(tài)輔助聯(lián)鎖接觸不良，TCU接收不到反饋信號而實施封鎖[3]。

4 ?雙線供電主斷路器的內(nèi)部控制原理

4.1 控制原理分析

圖3為雙線供電斷路器結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，相比對單線供電電路增加了一個自復(fù)位開關(guān)，其合閘供電時間為2s。其控制原理圖如圖4所示，其中①是印制電路板;②是計數(shù)器;③是電磁閥;④是主觸頭輔助聯(lián)鎖;⑤是壓力開關(guān);⑥是外部電阻盒;⑦是保持線圈。

由圖4可知，對于雙線控制電路，MOS管回路與主斷保持回路分開給電，一路電流通過二極管、電阻盒給保持線圈供電;通過輔助聯(lián)鎖為時間繼電器供電，保證了只有在主斷閉合之后，時間繼電器才會失電斷開電磁閥回路;輔助聯(lián)鎖與壓力開關(guān)并聯(lián)連接到NPN型晶體管，為晶體管提供觸發(fā)信號。另一路電流通過MOS管給電磁閥供電。

當(dāng)接收到主斷閉合指令時，ON/OFF開關(guān)（300）閉合及自復(fù)位開關(guān)（200）閉合時，保持線圈處于得電狀態(tài)，若真空斷路器儲風(fēng)缸氣壓足夠，壓力開關(guān)閉合，就會給晶體管觸發(fā)電流，晶體管c（集電極）和e（發(fā)射極）兩端就會導(dǎo)通，進而MOS管導(dǎo)通，電磁閥線圈將會得電，驅(qū)動主觸頭動作，真空斷路器閉合，此時時間繼電器開始計時，600ms后時間繼電器斷開MOS管的觸發(fā)電路，電磁閥失電打開真空斷路器的氣路，真空斷路器在保持線圈電磁吸力的作用下保持閉合狀態(tài)，直到ON/OFF開關(guān)斷開，保持線圈失電，真空斷路器斷開。自復(fù)位開關(guān)（200）的作用是使MOS管將最多只能得電2s，這就大大降低由于延時繼電器故障導(dǎo)致MOS管、電磁閥線圈燒損的故障率。

4.2 雙線供電電路結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)勢

①雙線供電的真空斷路器采用對電磁閥和保持線圈分別供電的電路結(jié)構(gòu)，可有效避免由于主斷電磁閥和主斷保持線圈同時啟動而造成110V電源電壓的不穩(wěn)定、主斷不合閘故障，提高真空斷路器的可靠工作。

②雙線供電方式在斷路器外部也加入了延時開關(guān)，由網(wǎng)絡(luò)模塊控制，相對于時間繼電器是一種冗余控制，可有效的避免主斷內(nèi)部延時繼電器失效后，電磁閥將一直處于得電狀態(tài)，造成MOS管、電磁閥燒毀的故障。提高真空斷路器的可靠性，保證機車的穩(wěn)定運行。

③在雙線供電電路結(jié)構(gòu)中，電流通過輔助聯(lián)鎖為時間繼電器供電，保證了只有在主斷閉合之后，時間繼電器才會失電斷開電磁閥回路，避免了真空斷路器主觸頭沒有閉合時，時間繼電器就斷開MOS管的觸發(fā)回路，電磁閥失電的風(fēng)險。

5 ?結(jié)束語

本文針對真空斷路器單、雙線供電電路進行了對比介紹，詳細(xì)分析真空斷路器的內(nèi)部邏輯及主斷環(huán)的控制邏輯，得出：相比于單線供電式真空斷路器，雙線供電式真空斷路器可有效避免由于主斷電磁閥和主斷保持線圈同時啟動而造成110V電源電壓的不穩(wěn)定、主斷不合閘故障，提高真空斷路器的可靠工作;可有效的避免主斷內(nèi)部延時繼電器失效后，電磁閥將一直處于得電狀態(tài)，造成MOS管、電磁閥燒毀的故障。彌補了真空斷路器單線供電電路結(jié)構(gòu)的缺點與不足，提高真空斷路器的可靠性，為真空斷路器的進一步改善研究提供思路，為軌道交通行業(yè)真空斷路器的選型提供借鑒。

參考文獻：

[1]王泰杰，李濤，廖鄉(xiāng)萍.真空斷路器高溫運行故障原因分析及解決方案[J].電力機車與城軌車輛，2012，35（01）：59-61.

[2]劉磊.HX_D3型機車BVAC.N99型主斷路器故障分析及對策[J]. 電力機車與城軌車輛，2016，39（05）：85-86，89.

[3]徐瑞剛.HX_D1B型機車真空主斷路器的控制原理及故障分析[J].電力機車與城軌車輛，2013，36（02）：63-64.

[4]劉永祥.高壓真空斷路器預(yù)防性試驗及故障處置[J].內(nèi)燃機與配件，2018（06）：139-140.

作者簡介：李晶，助理工程師，2018年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)（碩士），現(xiàn)于中車株洲電力機車有限公司從事電力機車設(shè)計和開發(fā)工作。