房祥飛 付海龍 叢培鵬 林 浩

（1.中車大連機車車輛有限公司，大連 116022；2.北京公交有軌電車有限公司，北京 100080）

1 概述

現(xiàn)代有軌電車的興起，對車輛設(shè)計生產(chǎn)和調(diào)試維護工作提出更高的要求。本文從意大利Microelettrica Scientifica公司（簡稱MS）IR3000類型高速斷路器入手，對其結(jié)構(gòu)和控制原理進行了研究，并對使用過程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象和可能原因進行分析，結(jié)合實際故障案例對具體檢測方法加以介紹。

MS高速斷路器是一種直流單極磁性滅弧自動脫扣型空氣斷路器，閉合機構(gòu)采用獨立的自動跳閘電機驅(qū)動，接觸面由吸持線圈緊密吸持，在現(xiàn)代有軌電車領(lǐng)域廣泛使用。

2 高速斷路器結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)

圖1 高速斷路器主要組成部件

現(xiàn)代有軌電車的高速斷路器采用四角固定方式安裝在車頂，其構(gòu)成如圖1所示，主要由主電路、滅弧罩、固定式主觸點、固定滅弧觸點、活動滅弧觸點、吸持線圈、閉合電機、輔助觸點、減震器、跳閘裝置（脫扣裝置）、控制板等組成。其中主電路包括上部主連接、下部主連接、活動式主觸點、連接器等。

主電路外部有玻璃纖維絕緣材料制成的框架，斷路器配備直動式跳閘裝置，為單向或雙向型，根據(jù)使用要求，利用設(shè)置旋鈕可對跳閘值進行設(shè)置校準；對于雙向型跳閘裝置，在指定的設(shè)置范圍內(nèi)，每一個方向上的跳閘電平調(diào)節(jié)具有獨立性（一個進行直接跳閘，另一個進行反向跳閘）。

固定滅弧觸點、活動滅弧觸點和滅弧罩組成滅弧裝置，防止斷路器閉合開啟瞬間產(chǎn)生電弧對電氣元件造成損壞。控制板為斷路器的手動操作開關(guān)，通過操縱桿旋轉(zhuǎn)電機軸可直接對吸持線圈加電，直至主觸點閉合，手動閉合操作僅在維護期間進行；手動開啟操作通過打開控制面板上的開關(guān)即可。閉合電機控制斷路器上下主連接的閉合，由電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的機械動作來實現(xiàn)。減震器在高速斷路器斷開和閉合過程中可以有效地減小觸點間的沖擊力。

2.2 工作原理

高速斷路器的工作狀態(tài)有五種,分別為閉合、保持、開啟、滅弧和跳閘。

當閉合電機得電運行時，主電路中的活動主觸點在電機驅(qū)動下與固定主觸點閉合，實現(xiàn)閉合狀態(tài)；在主觸點的閉合動作過程中，由于聯(lián)動桿的作用，輔助觸點也隨之完成閉合動作，此時閉合電機失電停止運行，在輔助觸點的自鎖功能下，保持主觸點繼續(xù)閉合；當斷開電源輸入，使吸持線圈斷電，活動主觸點回到原位，同時輔助觸點復(fù)位，斷路器實現(xiàn)開啟。在活動主觸點與固定主觸點閉合的瞬間，會產(chǎn)生高溫高導(dǎo)電的電弧，電弧在滅弧觸點作用下，進入到滅弧罩內(nèi)，滅弧室采用陶瓷材料構(gòu)成，可以很好地完成滅弧工作。

如果在閉合狀態(tài)下主電路的電流超過設(shè)置的跳閘值，跳閘裝置會產(chǎn)生反向磁場力，使活動主觸點脫扣完成跳閘操作，使斷路器立即斷開。需要注意的是，在跳閘狀態(tài)下，吸持線圈仍處于通電狀態(tài)，必須在斷路器開啟的狀態(tài)下才可進行活動主觸點的復(fù)位操作。

3 高速斷路器在有軌電車上控制電路的設(shè)計

圖2為高速斷路器在現(xiàn)代有軌電車上運用的基本控制電路，外部雙點劃線框為斷路器箱體，需要進行保護接地，里面雙點劃線框為內(nèi)部控制電路。

在受電弓升弓狀態(tài)下，通過萬轉(zhuǎn)開關(guān)控制高速斷路器的開啟與閉合。當開關(guān)處于“閉合”檔位，控制電流通過EDT二極管，高斷斷開繼電器HSCBOR的常閉觸點、安全制動繼電器SBAR1觸點（制動系統(tǒng)正常工作時閉合）給斷路器內(nèi)部吸持線圈Br供電，吸持線圈Br在得到電流后控制電路R.C.饋入，Kch繼電器啟動，閉合電機M運行，使斷路器閉合。在閉合完成時，右側(cè)輔助觸點隨之閉合，24V電源輸入，反泵繼電器Kx通電，使Kch繼電器斷電，電機停止轉(zhuǎn)動，Kx繼續(xù)保持閉合，斷路器保持閉合。輔助觸點的信號用于車輛電路中的狀態(tài)指示燈和牽引、網(wǎng)絡(luò)控制單元接口所需。

當開關(guān)斷開時，電路中HSCBOR繼電器通電，常閉觸點斷開，吸持線圈斷電，斷路器開啟。HSCBOR繼電器的功能就是使斷路器電源輸入斷開，所以也叫高斷斷開繼電器。斷路器的開啟、閉合信號同樣反饋給牽引控制單元和網(wǎng)絡(luò)控制單元，通過軟件程序控制，在司機室顯示出高斷的運行狀態(tài)。

4 故障分析

高速斷路器保護著列車牽引系統(tǒng)的正常運行，其故障通常表現(xiàn)為無法閉合，所以一旦發(fā)生故障會造成列車無法運行。為此，結(jié)合以往現(xiàn)代有軌電車項目高速斷路器的使用經(jīng)驗，對有軌電車高速斷路器故障進行了系統(tǒng)的分析，便于今后出現(xiàn)高速斷路器故障時可以根據(jù)實際情況分析出故障的原因，迅速找到解決問題的辦法。分析過程需檢查故障現(xiàn)象，對相關(guān)電路、零件逐一排查，利用示波器、萬用表等工具進行測試，對發(fā)生故障的原因逐一排除，從而找到問題所在?？偨Y(jié)故障原因，主要分為外圍控制電路故障和高速斷路器內(nèi)部故障。

圖2 高速斷路器在現(xiàn)代有軌電車上的基本控制電路

4.1 外圍控制電路故障

外圍控制電路故障會導(dǎo)致高速斷路器無法實現(xiàn)閉合功能，車輛軟件控制邏輯中需要的高速斷路器狀態(tài)信號異常，使車輛網(wǎng)絡(luò)功能癱瘓。其原因可分為線路、元器件、電磁干擾三個方面。對此，先從電源電路入手，利用萬用表檢查線路是否有錯接或者虛接現(xiàn)象，相關(guān)繼電器及開關(guān)是否正常工作，若無問題，分析是否因為電源電壓不穩(wěn)定造成，可利用示波器進一步進行驗證。

對信號控制電路同樣進行線路和元器件的檢查，針對信號可能受到的電磁干擾問題，通過信號監(jiān)控裝置進行監(jiān)控，判斷信號是否正常，通過分析故障信號數(shù)據(jù)，找出故障形成的原因。在實際使用中，外圍控制電路故障由于控制信號不正常而導(dǎo)致故障發(fā)生的概率較小，一般為線路和元器件的原因?qū)е隆?/p>

4.2 高速斷路器內(nèi)部故障

高速斷路器內(nèi)部故障同樣表現(xiàn)為無法閉合，牽引主電路無法接通。根據(jù)高速斷路器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部故障可分為電氣故障和機械故障，檢查內(nèi)部故障需要對設(shè)備進行拆卸。

電氣故障一般有觸點故障、吸持線圈燒損、絕緣材料損壞等。這里的觸點故障既有主觸點和輔助觸點，也包括滅弧觸點。主觸點由于經(jīng)常開啟閉合，產(chǎn)生的電弧會對觸點壽命造成影響，而且如果滅弧觸點出現(xiàn)故障，導(dǎo)致電弧無法順利消除，也會對主觸點造成很大影響。

機械故障一般指機械部件結(jié)構(gòu)異常，比如聯(lián)動齒輪咬合結(jié)構(gòu)松動、滾軸變形等。機械故障一般會導(dǎo)致機械功能無法實現(xiàn)，出現(xiàn)卡位、停滯的現(xiàn)象，具體故障零件需要對機械結(jié)構(gòu)逐一拆卸進行排查。高速斷路器內(nèi)部的機械零件眾多（圖3），排查工作耗時長，且通常機械故障發(fā)生概率較小，建議排查放在最后進行。

5 案例分析

在一次車輛故障中發(fā)現(xiàn)，閉合司機室內(nèi)高速斷路器控制開關(guān)后，其狀態(tài)指示燈未亮起，狀態(tài)顯示屏顯示高斷處于斷開狀態(tài)，同時，電路保護斷路器跳閘。隨后多次閉合開關(guān)，高斷一直處于未閉合，保護斷路器跳閘。于是，對高速斷路器故障原因進行了分析檢查。

首先，對線路原因進行排查，檢查控制電路的接線未發(fā)現(xiàn)任何接錯、虛接現(xiàn)象。進一步檢查后發(fā)現(xiàn)，二極管端子排中二極管有發(fā)生擊穿的痕跡，如圖4中紅色區(qū)域所示（即電路中的二極管EDT），懷疑是電流過載導(dǎo)致二極管擊穿和保護斷路器跳閘。為了找到電流過載的原因，對二極管端子排進行更換，利用示波器來觀察電壓波形變化。

測量24V電源的電壓波形（圖5），可以看出，電源電壓波形穩(wěn)定，平均電壓為26.1V，MS高速斷路器的輔助回路正常運行范圍為19～27V，屬于正常工作范圍，這說明并非因為輸入電源電壓不穩(wěn)定或者電壓不在正常工作范圍導(dǎo)致電流的過載。然后對故障車輛高速斷路器外圍電路在閉合和斷開過程中測得的電壓波形變化圖與正常車輛波形進行對比（圖6），在高速斷路器閉合開啟的瞬間，電壓波形突變，隨后保持穩(wěn)定，對比兩車的波形圖可以發(fā)現(xiàn)，故障車的外圍電路工作電壓在閉合期間明顯要小很多，隨后對其它正常車輛進行同樣的測量，結(jié)果是一致的。由此推測導(dǎo)致外圍電路電壓減小、電流過載的原因是高速斷路器發(fā)生內(nèi)部故障引起。為此，對高速斷路器進行了拆卸。

圖3 內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖5 輸入電源電壓波

圖6 電壓波形圖對比圖（上圖為故障車，下圖為正常車）

高速斷路器拆卸后，針對電流過載現(xiàn)象對電氣部分進行了檢查。高速斷路器內(nèi)部電氣部分分為主電路控制板和輔助觸點（圖7），先對主電路控制板功能進行檢查，用萬用表對每個元器件進行測試，未發(fā)現(xiàn)控制板有問題；再對輔助觸點進行同樣的測試，線路也正常，未發(fā)現(xiàn)有故障現(xiàn)象。

再對機械部分進行檢查（圖8），機械部分從外面觀察和手動測試未發(fā)現(xiàn)有機械故障。隨后打開電機蓋，對電機進行專門檢查時發(fā)現(xiàn)電機的傳動桿在轉(zhuǎn)動時有卡位、停滯的現(xiàn)象。根據(jù)高速斷路器內(nèi)部工作原理和控制電路原理，基本確定故障原因是由于電機傳動桿異常致使電機無法正常工作，吸持線圈無法吸持，引起高速斷路器無法閉合。最后，對電機電源線細致檢查發(fā)現(xiàn)有燒損的痕跡，進一步證實是電機內(nèi)部故障導(dǎo)致。由于電機的卡滯，回路電流過載、電壓減小，致使線路燒損、二極管擊穿，電路保護斷路器一直處于跳閘狀態(tài)。最后，對電機進行更換，故障現(xiàn)象消除，高速斷路器恢復(fù)正常工作。

圖7 內(nèi)部控制板和輔助觸點

圖8 內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)和電機故障位置

6 結(jié)束語

高速斷路器在車輛的正常運行中起著至關(guān)重要的作用，它是車輛牽引主電路的保護開關(guān)，當牽引電路出現(xiàn)過流或者短路現(xiàn)象時，高速斷路器會迅速自動斷開牽引設(shè)備與接觸網(wǎng)的連接，從而保護牽引設(shè)備安全。MS高速斷路器是現(xiàn)代有軌電車采用的主要類型斷路器，掌握其控制原理，進行全面的故障分析，才能針對具體故障現(xiàn)象推測可能的故障原因，從而對快速解決高速斷路器故障提供有效幫助。