SS4B 电力机车主断路器控制改进

杨维才

（国能新朔铁路有限责任公司机务分公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

0 引言

随着我国社会经济的不断发展，各地之间交流日益频繁，铁路作为各城市之间的连接的桥梁经过几十年时间发展，铁路运输所使用电力机车类型也逐渐增多。SS4B 电力机车为能够与新形势发展需求相匹配，便需加大对其主断路器关注力度，从而促使SS4B 电力机车自身能效得到充分发挥，同时延长主断控制使用寿命。

1 SS4B 电力机车主断路器控制改进的重要性

SS4B 型电力机车属于第三代控制型电力机车。该机车由我国自主设计研制，在现有机车设计理论的基础上进行继承和自主创新，不断推动电力机车的进一步发展。SS4B 型电力机车的设计方案符合传统电力机车设计方案的标准[1]，设计方案严格管理，确保标准化、专业化、通用化，科学规范的设计方案与现有科技进步基本融合，其各个层面的性能均满足铁路运输的要求，尤其是在极端的工作环境中。SS4B 型电力机车的主断路器是其中的关键部件，确保所有电力机车的安全运行。如果出现问题，将对铁路货运造成重大损失，其维修和保养的消耗大量的人力、物力和资金，并且维修要求较高。且维修工作需要花费大量时间，大大降低了铁路货运的经济效益和生产力。

2 SS4B 型电力机车一代LCU 使用情况

SS4B 型电力机车虽然由两节4 轴电力机车组成，但由于设计方案具有外重联控制效果，可在一个驾驶室内同时运行两台4 轴电力机车。这使SS4B 基本上变成了一个16 轴的电力机车。每辆车有两个岛式转向架[2]。SS4B 型电力机车的驱动力传递采用底部斜撑杆推拉回路牵引带设备。该类设备动态模型可靠性好，附着力使用率高。因为SS4B 机车的主电路采用两种不同的供电系统方式，具有良好的功率因数，可使SS4B 型机车在运行过程中完成相控元件级电压变换。

2.1 使用现状

主断路器作为电力机车工作全过程中的关键设备，电流流过时，由于变压器动作电位的作用极易发生变化，使其运行状态受到一定的压抑和严重伤害。此外，断路器主体工作中的“两瓷罐”也会因所用原料性能差而被压碎，冷延性强，易受外界危害；相应的外部相互作用力极强，外部恶劣的环境也会促使瓷罐的冲击韧性降低，与金属连接时极易被过大的地应力作用压碎[3]。

2.2 故障原因分析

从常见故障的分析来看，SS4B 型电力机车使主断路器脱扣的电路有很多。主断路器分断的数据信号最终并联到两台机车重新接通。如果不能准确指示主要断点，就很难对常见故障进行应急处理。首先，由于SS4B 型电力机车原设计中主断路器的信号和指示信号不是数据信号，就会造成主断路器要跳闸信号一切正常。例如，机车的主接地装置存在故障，主断路器跳闸数据信号接在辅助触点上“零电压”故障。

3 SS4B 电力机车主断路器控制改进要点

3.1 二代LCU 逻辑控制单元改进

3.1.1 机械及电气接口与原LCU 一致

为了让SS4B 电力机车顺利工作，需要对电器触点之间的距离进行操控。这是因为SS4B 型电力机车的主断路器在运行时，其运行的驱动力来自电机，而电机本身的结构比较复杂，整个运行过程中产生的热量大，所以故障概率较高[4]。这时就需要依靠电力机车维修水平提高主断路器的性能。SS4B 型电力机车主断路器与电器触点距离的有效操纵和调整将进一步提高。因为电力机车在长期工作的过程中由于滚动轴承之间的间隙过大而堆积灰尘、增加滑动摩擦，非常不利于机车的稳定运行。

3.1.2 重新设计输出通道电路

对于SS4B 型电力机车，其主断路器相对于其他类型的机械设备性能有所提高，因环境因素的损坏减少。因此，有必要区分突发的现场情况。但必须注意，从主断路器到逐步预防工作需要一定的时间。在此期间，SS4B 型电力机车的主断路器将始终运行工作，高运转、低排热、高功率的情况不容忽视，在相对较短的时间内造成大量热量。这需要控制主断路器的排气系统速率，改善电磁感应网络的运行，使主断路器必须处于稳定的闭合状态，以保证所有正常供电、消耗和实际操作特征。

3.1.3 采用ARM 主控芯片替代原51 单片机

传统的51 单片机是8 位CPU，而ARM 芯片是32 位系统CPU。简单的说，51 单片机就是早期使用的“赛扬”型电脑，ARM芯片就是现在的“双核处理器”。虽然两者差别不大，可以作为硬件开发服务平台来完成技术标准，但是ARM 芯片由于自身的特点（响应速度、工作能力和存储容量等）。在技术开发层面也比51 单片机得心应手，方便后期升级、扩容、更新、改造。

3.1.4 控制板通用化设计

电源通信板由两个完全独立的系统组成，两个系统的硬件和软件开发是一样的，唯一的区别是连接了两套不同的I/O 板，每个系统包括4 部分：电源转换模块、中央处理模块、串口通信模块和CAN 通信模块。电力机车采用直流110 V 供电系统的开关电源为本系统中各I/O 板及电源转换模块供电系统，电源转换模块输出5 V 电压为系统内部供电。电源通信板除了为工作中的LCU 提供电源外，还根据CAN 总线获取各I/O 板的实时数据信息内容，解出后由RS-485 总线送至机车彩显，控制电路的故障检测提供信息。

3.1.5 重新选型电子器件、电路集成化设计

在SS4B 电力机车在线诊断系统软件中，服务器电路板采用4 层电路板设计，设计的合理布局、图形边界、安全间隔、电磁兼容测试等主要参数符合国家行业标准。相关要求。本系统电路设计方案如下：①数据板电路主要由最小CPU 系统、18 个110 V开关量采集安全通道、RS-485 模块应用和CAN 模块应用组成；②仿真板涉及的子模块比较多，主要包括STM32F407 最小系统、5 个交流电流采样电路、5 个直流电流采样电路、3 个电流检测电路、波形检测电路和110 V PWM 检测电路，配合根据各个子模块的相互协调，对机车模拟输入数据信号进行采集。

3.2 真空主断路器110 V 控制单元改进

真空主断路器控制单元板主要功能是控制真空主断路器的动作逻辑顺序，并对断路器的动作次数进行记录，为真空主断路器的保养提供依据。真空主断路器控制单元板在运行中时常发生故障，将导致机车无法正常运行。真空主断路器在运行中出现故障时，必须切除该主断路器，及时更换。

改造项目将原有真空主断路器控制单元板更换为双备份型控制单元板，从而有效保障真空主断路器继续工作，确保机车的正常运行。改造后的真空主断路器双备份型控制单元板，具有两套控制电路，平时工作在主控制单元，当主控制单元发生故障时，可按下切换开关，使真空主断路器控制单元板切换到备用控制单元，从而有效保障真空主断路器继续工作，确保机车的正常运行。旧式的110 V 控制单元9700 元/个，新式的110 V 控制单元8500 元/个。经过改造之后，按2015 年的统计，全年共发生真空主断路器肘节机构故障12 台次，直接节约成本14 400 元。SS4B 型电力机车真空主断路器110 V 控制单元改进前后的对比如图1、图2 所示，改造之后真空主断路器控制单元板在SS4B 机车已经试运行超过3 个月，运行效果良好。

图1 改造前的主断路器110 V控制单元

图2 改造后的主断路器110 V控制单元

3.3 真空主断路器肘节机构改造

肘节机构在真空主断路器控制电路中的作用至关重要，在改造之前，肘节结构包括连接螺栓、弹簧销以及侧板等结构，SS4B 型电力机车真空主断路器在实际运行过程中经常会发生肘节断裂的故障，导致断裂故障发生的原因是肘节机构内部的侧板出现裂缝或者连接螺栓出现裂缝，给SS4B 型电力机车真空主断路器的安全、稳定运行埋下了严重的安全隐患。因此，需要对肘节机构进行改造，采用整体式腰孔肘节代替原来的分体式肘节机构，能够有效避免上述原因导致断裂故障。

肘节机构有原来的分体式结构改进为整体式腰形孔肘节机构，即将原肘节机构的连接板和侧板融合为一个整体连接板，去除了原设计中连接板和侧板的连接紧固螺栓和弹簧销，成为整体式的肘节机构，改造后的肘节机构运行稳定。分体式肘节机构2600 元/个，整体式的肘节机构1900 元/个，经过改造之后，按照2015 年统计，全年共发生真空主断路器肘节机构故障11 台次，直接节约成本7700元。SS4B 型电力机车真空主断路器肘节机构改造前后的对比见图3，改造之后真空主断路器肘节机构改造在SS4B 上已经试运行超过3 个月，运行效果良好。

图3 主断路器肘节机构

3.4 主断路器控制电路的改进

对于任何电力机车而言，主断路器都是其总保护开关，是控制电路的关键环节，在保证电力机车安全方面发挥着至关重要的作用[5]。但是SS4B 型电力机车的主断路器控制电路和其他设备相比更容易受到外界环境的影响，当遇到突发状况时将导致出现主断路器无法正常运行的情况。因此，需要做好控制电路的改进工作。在进行控制电路改进时需要选择可出的机械器件、电气元件，严格控制电路的电压，为主断路器控制回路的稳定运行提供可靠、稳定的环境。通过做好控制电路改进，还能够有效控制主断路器的排风速度，为主断路器提供安全的运行环境，充分激发SS4B 型电力机车主断路器的性能，在不闭合的状态下安全、稳定地运行。

4 结束语

对SS4B 型电力机车主断路器常见故障原因及检修进行探讨，确立SS4B 型电力机车检修维护的重要因素和关键对策，对SS4B 机车二代LCU 逻辑控制单元、110 V 控制单元改进、肘节机构及控制电路开展改进工作，保证SS4B 型电力机车主断路器安全、稳定地运行。断路器的使用寿命和电力机车质量的提高，对进一步提高铁路货运能力意义重大。