宁波地铁1号线列车高速断路器闭合故障原因分析及解决措施

黄 毅 黄 岳

(1. 西门子交通技术(北京)有限公司株洲分公司， 412001， 株洲；2. 广东粤电茂名新能源有限公司， 525099， 茂名∥第一作者， 工程师)

高速断路器用于城市轨道交通列车与接触网之间主电路的断开和接通，同时具有过载和短路保护作用。宁波地铁1号线发生了多起因高速断路器闭合故障导致的牵引箱故障。本文对该线列车的高速断路器故障原因进行分析，并提出相应的解决方案。

1 高速断路器控制原理及应用说明

1.1 高速断路器控制原理

宁波地铁1号线列车采用西门子牵引传动系统。该系统是基于SIBAS32平台来实现的，高速断路器的控制功能大部分是通过软件实现的。在列车激活、司机室占用及受电弓升起的条件下，列车的ICU(牵引逆变器)进行自检，检查高速断路器、LC(线路接触器)和PCC(预充电接触器)的状态。高速断路器的控制原理如图1所示。

注：TCU——牵引控制单元； BAT——蓄电池。

如图1所示，在与接触网断开的情况下，LC和PCC的常闭触头保持闭合。如果运行正常，经济电阻的旁路接触器K130闭合，将限流经济电阻旁路，高速断路器在大电流激励延时闭合。当TCU收到高速断路器闭合的反馈信号，K130将断开。此时经济电阻将持续串联到高速断路器回路，高速断路器线圈通过小电流保持主触头吸合状态，从而减少高速断路器线圈的功率损耗。

当TCU接收到ICU高速断路器闭合的反馈信号后，TCU将控制ICU闭合接触器(K120)。这时TCU控制ICU闭合PCC，将牵引系统连接到接触网。

ICU持续监视预充电进程。在中间环路预充电结束后ICU将控制闭合LC，并打开PCC，整个牵引系统上电初始化完成。

1.2 高速断路器应用说明

根据高速断路器的用户手册，高速断路器线圈闭合电流满足范围为4.1～12.9 A，脉冲持续时间为0.5～1.0 s。

如图2所示，高速断路器线圈的工作原理为：

1) 时刻A：闭合脉冲起始时刻，此时继电器F、G闭合，线圈H获得闭合脉冲。

2) 时段B：闭合脉冲0.5～1.0 s，高速断路器在该闭合电流下稳定吸合。

3) 时刻C：保持电流起点。当收到高速断路器稳定吸合，接触器G打开。

4) 时段D：线圈H获得电阻限制后的保持电流，该保持电流为闭合电流的5%。

5) 时刻E：当高速断路器需要分断情况下，接触器F打开，切断保持电流。

a) 线圈电流变化

1.3 K130接触器的选型依据

根据功能设计和负载需求，K130的选型依据如下：① 主触点为3对常开触点；② 主触点额定电压为110 V DC；③ 主触点可承受的电流最大值为12.9 A。

K130主触头应用于高速断路器线圈电路直流感性负载，3对主触点串联的最大直流工作电流为15.0 A，通过高速断路器线圈的电流值范围为4.1～12.9 A。此电流值范围在接触器允许的电流范围内，满足技术要求。

在高速断路器主触头的正常闭合过程中，K130采用3对主触头串联的形式切断和连接高速断路器线圈负载。在断开负载时，将高速断路器线圈磁场能量变化引起的高能电弧分断为3段进行灭弧，增大电弧抑制能力，提高其直流分断能力，降低触头的磨损程度，延长触点寿命。

在正常的牵引箱内，对K130主触点的电压、电流进行实测，测量点见图1。在高断闭合稳定后，吸合时测量点的电压约为125 V。K130主触头闭合后负载稳定电流约为8.0 A。

2 高速断路器故障原因及其解决措施

2.1 高速断路器故障原因分析

在宁波地铁1号线列车的实际运行期间，发生了多起高速断路器在获得闭合命令后无法闭合主触头的情况，进而引起牵引故障。经深入调查后发现，发生故障的同时出现了K130主触头发黑现象，分析具体原因如下：

1) 经调查，在故障车辆的控制软件中，TCU接收到高速断路器闭合反馈后延迟100 ms断开K130。基于高速断路器的技术要求，线圈得电持续时间达到0.5～1.0 s后，主触头方可稳定吸合。若小于此时间要求，则存在合闸不到位、主触头吸合压力偏小进而导致高速断路器主触头不能正常吸合的风险。经现场实测，该高速断路器线圈大电流加载时间约为385 ms，不能满足线圈得电主触头稳定吸合所需的时间要求，故在高速断路器闭合指令发出后，高速断路器吸合不稳定，从而引发了牵引故障。

2) 从接触器应用方面分析，主触头在不影响功能情况下的发黑属于正常现象。若发生熔焊导致主触头在吸合状态下不能正常分断，可以归结为此接触器非常规应用或负载电流超限。在实际应用中，高速断路器线圈作为K130主触头负载，在主触头接通或断开回路时发生的电流浪涌及电流冲击，由此产生的空气电离电弧烧蚀主触头，使接触面氧化发黑。主触头接触面在多次的断开操作中形成恶性循环，导致接触电阻变大，进而导致接触面温度过高。当接触电阻增大至一定数值后将造成分压过大，导致高速断路器主触头不能正常吸合或需要多次发出吸合请求，最终导致牵引故障。

综合以上原因， 高速断路器不能正常闭合的原因是K130闭合脉冲过短，小于高速断路器稳定吸合所需时间，以及 K130主触头容量选型不当。TCU控制系统软件设计中，因闭合脉冲时间过短，导致K130主触点在分断过程中由于不稳定电流和多次闭合后的恶性循环使电弧增强，主触头发生烧蚀发黑现象，影响了接触器的使用寿命。

2.2 高速断路器故障的解决措施

2.2.1 更换K130接触器型号

选用工作电流更大的接触器，对接触器采用降容应用。建议选用主触头工作电流为20 A的接触器。主触头容量增大，一方面可增加主触头在闭合状态的接触面积，在分断瞬间可降低单位面积上受到的能量冲击，降低拉弧能量；另一方面，可防止主触头发生熔焊故障，有效避免主触头发黑现象，确保接触器使用寿命。

2.2.2 升级TCU软件

考虑到更换接触器成本和工期的因素，还可尝试升级软件来解决高速断路器闭合故障。高速断路器的闭合和保持控制逻辑属TCU软件设计功能。通过升级TCU软件，增加高速断路器线圈得电持续时间，以达到高速断路器主触头吸合稳定状态。经测算，软件升级后线圈得电时间平均值约为778 ms。与软件更新前相比，线圈得电时间增加了393 ms，满足了高速断路器主触头线圈得电时间0.5～1.0 s的要求，避免了主触头在接收闭合命令后不能正常吸合的风险。

3 结语

通过优化TCU控制系统软件，将经济电阻旁路接触器K130的断开延时参数由原来的100 ms调整为500 ms。目前该措施已应用到宁波地铁1号线的列车上。经过实践证明，修改延时时间后，有效解决了该线列车高速断路器闭合故障和K130主触头发黑现象，同时避免了更换K130接触器带来的成本和工期压力，这对今后处理此类列车故障具有一定的参考和指导意义。