城市軌道交通車輛高速斷路器控制原理及技術優化

中車株洲電力機車有限公司 鐘金林

現階段，城市軌道交通電氣系統具有負載多、電壓高、容量大的特點，子系統負載發生短路、過載等故障時，電流過大，極易導致設備發生損壞，甚至出現接觸網損壞。高速斷路器是地鐵車輛電氣系統中的關鍵部分，主要用來承擔電路過電流保護任務。城市軌道交通系統在運行的過程中，如果發生短路、過流等故障時能夠快速地切斷電路，起到保護電路的作用。但在實踐中由于高速斷路器是一個機械元件，在使用的過程中具有動作時間長、分斷電弧影響使用壽命等特點。文章以某一城市軌道交通電氣系統為研究對象，闡述并分析了現有高速斷路器方案的特點，并提出技術發展及方案優化，為城市軌道交通車輛高速斷路器的使用提供參考。

1 高速斷路器簡介

高速斷路器是電力行業的一項關鍵設備，高速斷路器在電力系統中的主要功能是按照電力網系統工作將電網中的某一區域內的電路或者說某些電力設備投入使用或者是將電路、設備推出運行，實現對電網運行方式的控制，此時，開關觸頭承載的為負荷電流。當電網系統中的某些區域線路或者是線路上的設備出現運行故障時，高速斷路器能夠快速地將發生故障部分線路或者是設備與電網系統的連接切斷，進而保護電力網中其它正常運行的部分不受故障部分線路或設備的影響，達到保護電力網運行穩定的目的。此時，開關觸頭承載的是電力網中發生的故障電流或者是短路電流。

2 高速斷路器控制原理

2.1 主要構成部件

高速斷路器是由玻璃纖維絕緣材料制成的固定絕緣框架，主要包括主電路、脫扣裝置、滅弧柵、閉合裝置、輔助觸頭等。結構如圖1所示。

圖1 高速斷路器主要部件

2.2 工作原理

高速斷路器在運行的過程中主要包括五種狀態：吸合、保持、斷開、滅弧、脫扣。

（1）吸合原理。電路系統在供電后，斷路器閉合，此時由于系統內的閉合線圈裝置得電，電磁力作用在連接叉上，并施加給動觸頭一個向左的作用力，驅動觸頭在作用下，發生移動與靜觸頭連接，此時輔助觸頭開始移動。值得注意的是，連接叉施加的力作用在動觸頭上時，動觸頭會與靜觸頭結合，為了降低兩者在結合的過程中出現較大的作用力（撞擊力），設置一個能夠有效釋放撞擊力的裝置，即閉合阻尼器。（2）保持原理。斷路器在閉合后，電流通過線圈，作用在輔助觸頭上，此時，輔助觸頭在電磁作用下發生自鎖，保持得電。（3）斷開原理。斷開時，意味著線圈失電，則電磁片為通電，此時連接叉退回，動觸頭在連接叉作用力的帶動下復位。同樣，為避免觸頭復位時產生較大撞擊力損害支架，因此，同樣設置一個可以減輕撞擊力的斷開阻尼器。（4）滅弧原理。在斷開的瞬間，兩觸頭之間會產生電弧，通過左右連接進入滅弧柵，實現滅弧。（5）脫扣原理。在模塊運行的過程中，如果主電路的電流過高，超過了安全電流值，那么脫扣裝置形成磁場，電磁片向上，在作用力的效果下，連接叉向下移動，使得電磁力無法作用在動觸頭上，實現脫扣。

3 軌道交通車輛中高速斷路器控制的應用

3.1 車輛控制

在司機臺上設置高速斷路器分和自復位按鈕。使用過程中，只能由司機進行操作，為將閉合命令有效地區分開，斷路器使用的是電氣互鎖控制。列車只有在保持持續性受電才能確保將相應端的斷路器閉合，在緊急情況下，司機可以隨時按下緊急停車按鈕。

3.2 牽引逆變器控制

司機按下斷路器閉合按鈕后，脈沖信號通過列車線傳輸至牽引逆變器，在接收到閉合指令后，通過閉合允許與閉合指令完成對斷路器的閉合操作。司機通過自復位按鈕以手動的形式將斷路器斷開，同樣利用列車線將斷開信號傳輸至各牽引逆變器。在接收到斷開指令后，將相應端設置為低電平。

3.3 高速斷路器線圈供電控制

斷路器閉合電路時，會首先給出一個閉合激勵，并在之后斷開相應端。斷路器閉合過程如下：首先當繼電器閉合后，會系統會向短路線圈提供一個較大的電流，以此達到激勵效果，在之后，將非保持繼電器斷開，并將其與保持電阻相連接，而斷路器則保持閉合。當斷路器設置為閉合后，此時相應端為低電平，此時，閉合允許繼電器斷開，線圈斷電。

4 方案優化

本文以某城市內的一個地鐵項目為研究對象，為了方面分析將系統整體運行原理圖簡化，如圖2所示。從圖2中我們可以看出，當受電后，接觸網內的電壓分別通過隔離開關（Q1、Q2）、高壓斷路器（HSCB）、充電電路（K1、R、K2）、穩壓電容C。

圖2 高速斷路器回路簡化圖

對于電容C來說，由于其產生的電壓是存在漸變過程中，所以可以認為在上電的瞬時，電容的電壓等于0。如果此時直接進行供電，則極易導致出現極大的瞬時沖擊電流，破壞系統裝置。所以，為降低瞬時沖擊電流帶來的不利影響，需要對在電容上設置一個充電電路。當斷路器閉合后，首先將充電電路開關K1閉合，充電電阻R為電容C供電，當電容充電過程完成后，則將充電電路開關K2閉合，此時有K2正常供電。有上述分析可以看出，高速斷路器模塊在運行的過程中存在以下缺點：首先，在充電電路K1所流經的電流值要遠小于高速斷路器與充電電路K2流經的電流值，過高的電流會造成高速斷路器與充電電路K2的結構過大，不利于成本控制。此外，高速斷路器主要是用來保護系統線路，充電電路K2用來控制系統電路的啟閉，如果將電路通斷與保護一體化設計，則能夠有效地將斷路器結構縮小化，減少成本。另外，高速斷路器與充電電路K2屬于機械式斷路器，進行分斷電路時極易出現電弧，不利于高速斷路器的使用穩定性。針對以上兩個缺點，考慮使用電力電子器件作為固態開關，對斷路器模塊進行優化設計。改進方案如圖3所示。

圖3 高速斷路器優化方案圖示

對比優化前與優化后的方案可以發現，優化后的方案在保持電器元件數量不發生變化時，使用固態開關替代了傳統的接觸開關，有效地提升了系統運行的穩定性與使用壽命；優化后的方案采用的是并聯模式，整體運行可靠性顯然優于串聯模式；雖然采用固態開關會在一定程度上增加模塊的成本，但固態開關的使用可以降低斷路器成本，并增加模塊使用壽命；與接觸器相比，固態開關的使用有效地解決了電弧問題的發生，尤其是在過流情況下分斷能力要求下降，對降低成本有著積極作用。

結論：高速斷路器是城市軌道交通車輛牽引系統中的一項重要設備，用來接通與斷開車輛電路和接觸網的高壓連接，當車輛在行駛的過程中電路發生故障時，高速斷路器能夠起到斷開電路和接觸電網的連接，達到保護車輛牽引逆變器的木器。所以，對高速斷路器的電氣控制電路控制進行分析，有助于提升車輛排除故障效率，提高車輛運行的安全穩定性。