王 平,王 瑩,雷佳祺
(北京公交有軌電車有限公司西郊線分公司,北京 100080)
西郊線車輛的牽引系統(tǒng)為意大利安薩爾多公司提供,高速斷路器(High Speed Circuit Breaker,以下簡稱HSCB)作為有軌電車牽引主電路重要的模塊,對車輛的高壓供給、系統(tǒng)保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。HSCB性能好壞直接影響車輛運(yùn)營的安全性、可靠性,間接關(guān)系到車輛的維修成本[1]。本文從運(yùn)營角度對HSCB工作原理、使用情況、控制方式等做出介紹,并針對控制方式作出具體分析和改進(jìn)。
高速斷路器采用Microelettrica Scientifica公司的IR3000型產(chǎn)品,內(nèi)部閉合機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動,接觸面由吸持線圈緊密吸持,廣泛應(yīng)用于有軌電車領(lǐng)域[2]。
西郊線有軌電車為5模塊,編組方式為MA-RA-P-RB-MB,高速斷路器安裝于P車頂部,每列車配置一臺。在受電弓升起的情況下,通過操作司機(jī)臺上的高速斷路器璇鈕,將合、分的信號直接輸入。
高速斷路器主要有滅弧裝置(固定滅弧觸點(diǎn)、活動滅弧觸點(diǎn)、滅弧罩)、閉合電機(jī)、控制板、固定主觸點(diǎn)、活動主觸點(diǎn)、輔助觸點(diǎn)、吸持磁體、吸持線圈、減震器、主彈簧等組成,如圖1、圖2所示。
圖1 高速斷路器結(jié)構(gòu)
圖2 高速斷路器結(jié)構(gòu)
牽引主電路主要由線路電抗器、功率開關(guān)、功率電容器、高壓開關(guān)、高壓電纜等器件組成。組成器件價格昂貴,過流耐受電流小,耐受時間短等特點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)過流時應(yīng)盡快切斷故障電流,保護(hù)其主要器件,并隔離故障區(qū)域[3]。本車高速斷路器采用直流750 V單極磁性滅弧自動脫扣型空氣斷路器,額定電流1 500 A,斷路時間小于30 ms。它有分?jǐn)嗄芰ρ杆俸涂煽啃愿叩奶攸c(diǎn),對車輛核心部件牽引逆變器起到很好的保護(hù)作用[4]
內(nèi)部工作原理:車輛系統(tǒng)正常情況下,HSCB通過硬線正常啟動后,經(jīng)反泵繼電器Kx觸點(diǎn)使Kch線圈得電,Kch常開觸點(diǎn)閉合后,電機(jī)得電運(yùn)行。同時內(nèi)部吸持線圈Br得電,經(jīng)RC控制電路調(diào)節(jié)電流保證Br磁場。在Br磁場的作用下,電機(jī)工作動使活動觸點(diǎn)與固定主觸點(diǎn)吸合,隨電機(jī)的運(yùn)行帶動聯(lián)動桿作用,使常開的輔助觸點(diǎn)54閉合。經(jīng)R2、C4電路使Kx繼電器線圈得電,Kx觸點(diǎn)閉合方向改變,導(dǎo)致Kch線圈失電,隨之Kch觸點(diǎn)斷開,電機(jī)停止運(yùn)行。輔助觸點(diǎn)54具有自鎖功能,Kx線圈持續(xù)保持有電閉合狀態(tài),HSCB主觸點(diǎn)能夠保持閉合。當(dāng)人員操作或者因故障引起斷開時,HSCB外部控制電路失電,Br線圈失電,無磁力作用,動觸點(diǎn)在彈簧拉力的作用下與主觸點(diǎn)斷開。內(nèi)部工作原理如圖3所示。
圖3 HSCB內(nèi)部電路示意
HSCB電路中承擔(dān)著重要作用,牽引系統(tǒng)如發(fā)生短路、過載等故障時,瞬時的大電流會造成設(shè)備損壞,甚至影響到接觸網(wǎng),HSCB在閉合且非人工斷開操作狀態(tài)下,遇到故障主觸點(diǎn)脫扣跳開,保護(hù)車輛設(shè)備安全。保護(hù)條件如下:
(1)IGBT相位模塊故障;
(2)無法斷開,HSCB在450 ms內(nèi)未斷開;
(3)線電壓過高;
(4)濾波電壓過壓,超過940 V持續(xù)10 s或濾波電壓大于1 050 V;
(5)線路過流,線電流大于600 A或電機(jī)兩個相電流之間的不平衡量大于50 A;
(6)指令錯誤;
(7)預(yù)充電錯誤,充電電阻已達(dá)最大能量值;
(8)牽引系統(tǒng)板卡故障等。
因此牽引設(shè)備發(fā)生以上故障會通過HSCB脫扣響應(yīng)出來。
(1)工作方式:西郊線為折返線路,正線運(yùn)行到兩端時司機(jī)需要將本端HSCB斷開,拔下激活鑰匙后前往另一端司機(jī)室重新進(jìn)行激活,接通HSCB后可對車輛牽引,因此需要對其反復(fù)操作。
(2)按操作次數(shù):按照一列車每天上線運(yùn)行13圈計算,每圈在兩端需斷開或閉合操作,共計動作4次,一天運(yùn)營完成至少需要操作4×13=52次(不包含庫內(nèi)備車和出庫前的操作),按照全年計算HSCB動作總次數(shù)為365×52=18 980次。
(3)故障情況:經(jīng)過故障統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),車輛運(yùn)營一年左右,在司機(jī)折返換端對高速斷路器進(jìn)行合操作時,車輛會報出高速斷路器無法閉合的故障,無高壓,車輛無法牽引運(yùn)行,最終車輛被救援下線,此類問題給運(yùn)營造成了很大的隱患。經(jīng)檢測模塊外部控制電路電壓正常,隨后進(jìn)行拆卸,發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電機(jī)傳動桿在轉(zhuǎn)動時有卡滯現(xiàn)象,電機(jī)電源線有燒損的痕跡。最終得出電機(jī)軸承卡滯,導(dǎo)致電機(jī)無法運(yùn)行,高速斷路器無法閉合。
(4)整改:出現(xiàn)電機(jī)軸承卡滯的問題與其本身質(zhì)量問題及頻繁操作均有關(guān)系。整體更換內(nèi)部控制電機(jī),同時對車輛的高速斷路器控制電路做出改進(jìn),減少司機(jī)操作高速斷路器的次數(shù),預(yù)防頻繁的操作影響部件壽命。
HSCB外圍電路控制條件包含:DC24V電源正常、頭繼電器處于“激活”狀態(tài)、高速斷路器旋鈕處于“閉合”狀態(tài),高速斷路器未操作“斷開”、TCU控制未出現(xiàn)讓HSCB斷開的故障,未觸發(fā)安全制動等,滿足以上條件高速斷路器模塊方可得電。車輛HSCB電路設(shè)計過分考慮換端時的安全性,因此將激活信號作為控制條件之一。原控制電路如圖4所示。
圖4 改造前控制電路
改進(jìn)后的HSCB模塊取車輛DC24V控制電源,將安全制動按鈕直接串聯(lián)在HSCB璇鈕“斷開”線路上?;诎踩嵌瓤紤],車輛遇到緊急情況時,司機(jī)拍下安全制動按鈕,HSCB“斷開”繼電器線圈得電,控制回路中“斷開”繼電器常閉觸點(diǎn)斷開失電,可快速控制主觸點(diǎn)斷開。
控制電路改進(jìn)后車輛不受頭繼電器控制,換端時不依賴激活鑰匙控制,只要車輛系統(tǒng)正常,HSCB依然能保持工作狀態(tài),只有車輛收車后,才需人工斷開HSCB模塊。
對比圖4和圖5的控制電路,從電路元器件數(shù)量來說,改進(jìn)后的方案元器件數(shù)量及種類保持不變[5];從電路結(jié)構(gòu)來說,HSCB控制電路摒棄激活繼電器和兩個安全繼電器觸點(diǎn),能減少因繼電器觸點(diǎn)故障引發(fā)的關(guān)聯(lián)性故障,可靠性提高。
改造后的電路,不需要司機(jī)在每次換端后操作斷開HSCB,內(nèi)部電機(jī)也不用每次都被觸發(fā)工作。按照修改后的HSCB控制邏輯,上線前司機(jī)備車閉合高速斷路器,收車回段后斷開高速斷路器即可。按照全年運(yùn)營計算一列車操作為365×2=730次(不包含車輛日常維護(hù)和因系統(tǒng)保護(hù)導(dǎo)致的操作),改造后電機(jī)動作次數(shù)減少了18 980-730=18 250次,操作次數(shù)降低96.15%,有效減少HSCB故障發(fā)生的概率。
HSCB電路改造前,車輛在運(yùn)營約1年左右,在不同車輛報出HSCB無法閉合故障。經(jīng)過優(yōu)化電路及統(tǒng)一更換電機(jī)的整改后,截止目前運(yùn)營未再報出同類故障。因HSCB本身問題引起的故障率降為0,可靠性提高。
有軌電車HSCB閉合主要是靠控制電路觸發(fā)直流電機(jī)工作,使主電路的活動觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)閉合。電機(jī)軸承壽命與本身質(zhì)量、溫度、電壓、振動、環(huán)境、沖擊等因素有關(guān),軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時,會有一種強(qiáng)大的沖擊力,常常引起滾動軸承的軌道和滾動外表面疲勞剝落,過于頻繁的操作電機(jī),軸承壽命會受到嚴(yán)重影響。如果減少軸承運(yùn)轉(zhuǎn)頻次,車輛大修之前可以正常使用,模塊壽命得到保證。
因HSCB為意大利進(jìn)口設(shè)備,設(shè)備本身采購周期長,費(fèi)用較高,車輛出質(zhì)保后,還會有購買配件以及修復(fù)的費(fèi)用。電路更改后既滿足前期的安全設(shè)計要求,在此基礎(chǔ)上維護(hù)費(fèi)用也得到大大的降低。
高速斷路器是牽引的重要保護(hù)部分,涉及安全。系統(tǒng)在運(yùn)營中發(fā)生的故障,在充分掌握高速斷路器控制原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下,可對控制電路進(jìn)行改進(jìn),降低故障率,滿足車輛可靠性及可操作性要求,同時降低系統(tǒng)維護(hù)成本,延長模塊使用壽命。