地鐵列車蓄電池輸出控制斷路器的選型

李鴻隆 王 攀 焦 陽 沈嘉雍

地鐵列車蓄電池輸出控制斷路器的選型

李鴻隆 王 攀 焦 陽 沈嘉雍

摘 要：以地鐵列車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中的應用。

關鍵詞：地鐵列車；蓄電池；斷路器；選型；應用

李鴻隆：北京地鐵車輛裝備有限公司，工程師，北京 100079

0　引言

蓄電池作為地鐵列車的低壓供電設備，用于列車的起動控制及緊急情況下（如列車突然失去高壓電源）向列車應急負載提供45 min直流供電，以利于列車救援及人員疏散。而控制蓄電池組輸出的控制斷路器，其作用就凸顯重要，不僅承擔著對列車低壓負載電路的正常切除和接通，在電路出現短路、過載故障時，還是具有能夠迅速斷開故障電路、保護負載系統設備功能的開關裝置，對其科學準確地選型是列車能夠穩定運行的重要保證。

1　斷路器基本結構

斷路器由操作機構、觸點、保護裝置(各種脫扣器)、滅弧系統等組成。其主觸點通常是通過手動操作閉合的。主觸點閉合后，自由脫扣機構將主觸點鎖閉在合閘位置上。過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯，欠電壓脫扣器的線圈和電源并聯。當電路發生短路或嚴重過載時，過電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機構動作，主觸點斷開主電路。當電路過載時，熱脫扣器的熱元件發熱使雙金屬片向上彎曲，推動自由脫扣機構動作。當電路欠電壓時，欠電壓脫扣器的銜鐵釋放，也使自由脫扣機構動作。

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

2　地鐵列車車載蓄電池控制電路

目前，國內地鐵列車每編組的車輛數量根據線路客流大小多為6輛或8輛編組型式。在無列車牽引用電需求的情況下，通常每列車設置2套蓄電池組，并聯向列車的低壓直流負載供電。車載蓄電池組投入/分斷控制的基本電路如圖1所示。圖1中的QF28即為蓄電池輸出控制斷路器，一般安裝于車下蓄電池箱的控制箱內。由于電路中沒有設置斷路器狀態監測功能，如果列車中的1個QF28斷路器在列車上電時發生負載啟動電流沖擊造成脫扣跳開情況，因其不會影響到另1輛拖車（Tc）蓄電池組的正常投入將無法被及時發現，因而對于1列車中單個斷路器跳開的時間和當時的車輛狀態均無從知曉，只有在該車組當日首次出車按下蓄電池投入按鈕（圖1 中BATC）投入蓄電池時，如果另1個蓄電池控制箱內的QF28斷路器這時也發生了啟動電流沖擊造成的脫扣跳開，1列車的2個QF28斷路器均跳開，致使列車無法正常上電才能被司機發現，此時列車已不能按正常排表時間上線運行，只能按故障未出庫退出運行圖。

上電時的負載啟動沖擊電流屬于負載的正常特性而非故障狀態，電路設計時，若斷路器的特性參數選擇合適，是不會因啟動電流的沖擊而偶爾或頻繁發生脫扣保護動作的。從上述分析可知，該斷路器的選型不合適，將會對運營秩序造成很大的影響，因此，對于地鐵列車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/分斷控制電路

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，是由斷路器的內部結構所決定的。電磁脫扣特性通常用于電路發生短路或嚴重過載時的保護，其機構動作可使斷路器迅速跳閘斷開，切斷電源與負載之間的電氣連接，實現對負載的保護，其動作特性具有瞬時特性或定時限特性。熱脫扣特性則是當電路過載時，其熱元件發熱使金屬片向上彎曲，推動自由脫扣機構動作，動作特性具有反時限特性。

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

圖1所示電路中的QF28斷路器是車載直流電源與其負載之間的橋梁，它的作用有2個：一是正常接通或切除負載電源；二是在電路故障時迅速跳閘切斷電源，保護負載設備。

表1　不同脫扣特性的斷路器適用的場合

正常情況下，地鐵列車的蓄電池組主要用于列車運行所需負載的上電啟動控制，當列車的靜止逆變電器（SIV）啟動并正常工作后，蓄電池組則進入浮充電狀態，以維持列車上電啟動負載以及應急負載所需用電容量。因此，車載蓄電池組所帶的直接負載主要包括：牽引/制動控制系統、列車車門控制系統、空調及通風控制系統、列車直流照明系統、列車網絡控制系統、列車廣播及媒體播放系統、車載信號系統等。對于多個負載系統共用1個供電電源的地鐵列車來說，各負載系統的電源輸入電路設計及器件選型不盡相同，負載呈復合特性狀況，在對圖1電路中的QF28斷路器進行設計選型時，其額定工作電流通過所帶各負載的功率進行計算確定，以滿足負載正常工作的需求；而脫扣保護特性的選擇則需要考慮各負載系統綜合因素，一旦選擇的特性不能夠可靠承受這種多負載同時啟動的疊加電流的沖擊或處于脫扣保護值的臨界范圍，出現本文第2節內容所描述的情況，則會對線路的正常運營秩序帶來不良影響。在筆者經歷過的地鐵車輛的設計驗證過程中，曾遇到過此種情況的發生，通過試驗現場對實際負載的多種組合啟動電流的測試，驗證了該斷路器的特性選擇處于負載啟動電流的臨界范圍。

4　案例分析

發生上述非電路故障導致的斷路器脫扣保護動作的地鐵車輛，當時的設計選型為125 A的C特性產品，在進行設計驗證試驗中發現，投入蓄電池組時，偶爾會發生類似圖1電路中的QF28斷路器脫扣保護分斷現象。因QF28安裝于車下蓄電池箱的控制箱內不易被直觀發現，每次都是在列車中的第2個斷路器脫扣分斷無法正常投入蓄電池時調試人員才發現。經多方檢查與之相關聯的電路接線，排除了各故障車輛接線存在虛接地或短路的可能性；其次通過更換同型號新品斷路器后現象依然存在的情況，排除了因個別器件產品質量問題引起異常動作的可能性。在排除了上述2個原因后，將調查方向轉向了斷路器特性分析。

通過對現車的多次試驗發現，每次QF28斷路器的異常分斷均是在列車上電投入蓄電池的過程中，此時列車同時投入的主要負載包括列車牽引/制動控制、列車廣播及乘客信息顯示、列車車門控制等，結合斷路器C特性抗沖擊電流值范圍推測，在列車DC110V初始上電時，如果負載的啟動瞬時沖擊電流值介于該斷路器的脫扣保護臨界值附近，就有可能導致QF28斷路器有時跳、有時不跳的情況出現。

斷路器產品的電磁脫扣特性試驗的起始狀態通常為冷態，在此條件下，當試驗電流達到產品對應特性允許的最大倍數電流值時（用于直流時，瞬時脫扣器電流限制還應乘1個系數K，一般K＝1.2），在小于0.1 s時間內斷路器瞬時脫扣器即會脫扣動作，因此，峰值電流的持續時間也是斷路器保護特性的重要技術指標之一。

4.1數據采集

為了獲得現車的實際最大沖擊電流值，在試驗現場，使用沖擊電流測試儀器，對車輛多次進行了不同負載、不同蓄電池組合下的列車上電啟動沖擊電流的測試，測試過程中QF28斷路器時有跳開現象，表2為現車測試的列車上電啟動沖擊實際電流值。

根據測試結果發現，帶載情況下列車的啟動電流峰值在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計算，其所能承受的理論最大沖擊電流值應為1 250 A，由于各列車的不同系統電源輸入電路負載特性和器件特性的正常差異，各負載系統啟動疊加后的電流沖擊持續時間無法用理論計算。依據現車測試數據，再結合斷路器特性分析可以判斷，列車的DC110V低壓負載的啟動沖擊電流值及其持續時間應處于器件電磁脫扣特性動作值的臨界區域。在此種情況下，斷路器選擇抗啟動沖擊電流能力更強的同型號D特性產品更為合適。對于同型號的D特性斷路器，其脫扣電流值按（10～14）In計算的話，可承受的最大沖擊電流值可高達1 750 A，在滿足負載額定電流需求下，其抗沖擊能力完全可以覆蓋所有列車的啟動沖擊電流峰值范圍。

NC125H型斷路器的C、D特性曲線對比見圖2、圖3。

表2　列車上電啟動沖擊實際電流值A

圖2　NC125H斷路器C特性曲線

圖3　NC125H斷路器D特性曲線

4.2試驗驗證

為進一步驗證分析結果的準確性，將2只施耐德NC125H/2P型D特性斷路器同時更換到車輛上進行靜態測試，在經過不少于20次的投入、分斷蓄電池試驗過程中，QF28斷路器始終沒有出現異常跳開情況。證明上述分析是正確的，改進措施是有效可行的。

5　結束語

斷路器作為車輛電氣系統中一種重要的保護元器件，其科學合理的設計選型是確保地鐵列車可靠運行的基本條件。

在進行電源電路斷路器的設計選型時，結合斷路器所保護的負載系統設備的輸入功率、負載特性、啟動時產生的沖擊電流峰值及其持續時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參數滿足所帶負載電路的額定工作電流需求，同時能夠承受負載設備的正常啟動沖擊所產生的瞬時大電流，確保負載系統可以正常投入工作；在此基礎之上，所選器件仍具備對電路或設備短路、接地等嚴重故障可靠分斷保護的能力。另外，在車輛設計時，對重要系統的控制斷路器，建議增加狀態監視功能，可通過與脫扣裝置聯動的輔助監視信號觸點，將斷路器閉合、分斷的狀態直觀地顯示在司機臺監控顯示屏上，在發生脫扣分斷情況時，彈出提醒信息，實現“看得見的安全”，便于司乘人員對突發情況的及時處理，更加有利于地鐵車輛正常運營秩序的維護和保障。

參考文獻

[1] DL/T 5044-2004 電力工程直流系統設計技術規程[S]. 北京：中國電力出版社，2004.

責任編輯 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

中圖分類號：TM912∶U266.27