浅析真空断路器的控制电路结构及控制逻辑

李晶 王位 刘斌 雷欣 陈奎 符茂林

摘要：本文针对真空断路器的单线供电、双线供电的电路结构进行详细介绍，通过对真空断路器的内部逻辑及主断环的控制逻辑进行对比分析，得出双线供电电路结构可以提高真空断路器的可靠性，为真空断路器的进一步改善研究提供思路，为轨道交通行业中真空断路器的选型提出建议方案。

Abstract： This paper gives a detailed introduction to the single-line power supply and two-wire power supply structure of vacuum circuit breaker. By comparing and analyzing the internal control logic of the vacuum circuit breaker and the control logic of the main break loop， it is concluded that the two-wire power supply circuit structure can improve the reliability of the vacuum circuit breaker. It provides ideas for further improvement of vacuum circuit breakers， and provides solutions for the selection of vacuum circuit breakers in the rail transit industry.

關键词：真空断路器;单线供电;双线供电;电路;控制逻辑;可靠性

Key words： vacuum circuit breaker;single-line power supply;two-wire power supply;circuit;control logic;reliability

1  概述

作为轨道交通车辆的关键部件，真空断路器被用于开断、接通主电路，同时又起过载、短路和接地保护的作用，其稳定可靠的工作对轨道车辆的安全稳定运行具有重要意义。真空断路器的电路结构可分为单线供电和双线供电两种，多数电力机车及动车组均采用单线供电方式的真空断路器，只有少数动车组的真空断路器采用双线供电方式。本文主要是对真空断路器两种电路结构进行对比介绍，分析两者的控制逻辑，得出单、双线供电电路的优劣势，为真空断路器的选型提供思路。

2  主断路器的动作原理

合闸：当给出主断闭合信号，电磁阀和保持线圈得电，气路打开，压缩空气由储风缸通过电磁阀流入压力气缸，推动活塞向上运动，此时动触头随着活塞的移动而运动，恢复弹簧压缩，主触头闭合，触头压力弹簧压缩，活塞到达行程末端，由于保持线圈电磁吸力的作用，实现主断路器合闸状态的保持，电磁阀失电断开气路，完成真空断路器的合闸动作。

分闸：当保持线圈失电，活塞在弹簧力作用下移动，主触头打开，将实现真空断路器的分闸。

3  单线供电主断路器的内部控制原理

3.1 控制原理分析

对于单线供电真空断路器，控制系统中有一个ON/OFF开关，如图1所示，主断只需提供一个闭合/断开指令，即提供一个DC110V控制回路即可实现分合闸操作，其控制原理图如图2所示，其中：①是印制电路板;②是计数器;③是电磁阀;④是主触头辅助联锁;⑤是压力开关;⑥是外部电阻盒;⑦是保持线圈。

由图2可知，对于单线供电断路器，“1”接控制电源（负极）-Ubat，“2”接控制电源（正极）+Ubat，当接收到主断闭合指令时，一路电流通过二极管、电阻盒给保持线圈供电;另一路电流给时间继电器和电磁阀供电，若真空断路器储风缸气压足够，压力开关闭合，就会给晶体管触发电流，晶体管c（集电极）和e（发射极）两端就会导通，110V电压还经过与MOS管栅极G并联的反向稳压管和电容，当电容充电，稳压管反压大于7V时，MOS管导通，电磁阀将会得电打开气路，驱动主触头动作，时间继电器开始计时，一段时间后时间继电器的常闭触点断开，此时MOS管关断，电磁阀失电断开气路，真空断路器在保持线圈的作用下保持闭合状态，直到ON/OFF开关断开，保持线圈失电，断路器断开。

3.2 单线控制结构存在的弊端

①当主断路器延时继电器故障失效后，MOS管长时间得电，电磁阀将长时间工作，而该电路没有其他保护措施断开电磁阀回路，这样将导致主断路器出现故障（如MOS管烧损、电磁阀线圈烧损、主断漏风等故障）影响电力机车的安全稳定运行。

典型案例：2010年夏季，装于HXD1C型大功率货运机车上的BVAC.N99D型真空断路器高温运行时出现无法合闸故障，经过分析得出故障原因为延时继电器在高温运行时失效，使得电磁阀长时间通电，温升超限发生烧毁，从而使得电磁阀得电无法打开气路，导致真空断路器无法合闸[1]。

②该电路结构中的主断电磁阀和主断保持线圈同时启动，易导致主断110V电源电压的不稳定，产生电压波动，易发生主断不合闸故障，影响了电力机车的正常稳定运行。

③对于单线供电电路结构，时间继电器在ON/OFF开关闭合后就会得电开始计时，这样就存在着由于延时继电器故障造成合闸时间过短，真空断路器主触头还没有闭合的时候，时间继电器就断开MOS管的触发回路，电磁阀失电打开气路，导致真空断路器无法闭合的风险，影响电力机车的安全稳定运行。

典型案例：1）HXD3 0138机车因BVAC.N99型主断路器闭合后，延时继电器未在575～650ms内给逻辑控制单元电信号，致使逻辑控制单元无法在预定的时间内断开启动电磁阀的电源，牵引控制单元TCU接收不到主断路器的反馈信号而导致被封锁[2]。2）HXD1B 0142机车主断路器控制电源板延时继电器发生故障，造成合闸延时过短，真空断路器合闸不到位导致主断状态辅助联锁接触不良，TCU接收不到反馈信号而实施封锁[3]。

4  双线供电主断路器的内部控制原理

4.1 控制原理分析

图3为双线供电断路器结构图，由图可知，相比对单线供电电路增加了一个自复位开关，其合闸供电时间为2s。其控制原理图如图4所示，其中①是印制电路板;②是计数器;③是电磁阀;④是主触头辅助联锁;⑤是压力开关;⑥是外部电阻盒;⑦是保持线圈。

由圖4可知，对于双线控制电路，MOS管回路与主断保持回路分开给电，一路电流通过二极管、电阻盒给保持线圈供电;通过辅助联锁为时间继电器供电，保证了只有在主断闭合之后，时间继电器才会失电断开电磁阀回路;辅助联锁与压力开关并联连接到NPN型晶体管，为晶体管提供触发信号。另一路电流通过MOS管给电磁阀供电。

当接收到主断闭合指令时，ON/OFF开关（300）闭合及自复位开关（200）闭合时，保持线圈处于得电状态，若真空断路器储风缸气压足够，压力开关闭合，就会给晶体管触发电流，晶体管c（集电极）和e（发射极）两端就会导通，进而MOS管导通，电磁阀线圈将会得电，驱动主触头动作，真空断路器闭合，此时时间继电器开始计时，600ms后时间继电器断开MOS管的触发电路，电磁阀失电打开真空断路器的气路，真空断路器在保持线圈电磁吸力的作用下保持闭合状态，直到ON/OFF开关断开，保持线圈失电，真空断路器断开。自复位开关（200）的作用是使MOS管将最多只能得电2s，这就大大降低由于延时继电器故障导致MOS管、电磁阀线圈烧损的故障率。

4.2 双线供电电路结构具有的优势

①双线供电的真空断路器采用对电磁阀和保持线圈分别供电的电路结构，可有效避免由于主断电磁阀和主断保持线圈同时启动而造成110V电源电压的不稳定、主断不合闸故障，提高真空断路器的可靠工作。

②双线供电方式在断路器外部也加入了延时开关，由网络模块控制，相对于时间继电器是一种冗余控制，可有效的避免主断内部延时继电器失效后，电磁阀将一直处于得电状态，造成MOS管、电磁阀烧毁的故障。提高真空断路器的可靠性，保证机车的稳定运行。

③在双线供电电路结构中，电流通过辅助联锁为时间继电器供电，保证了只有在主断闭合之后，时间继电器才会失电断开电磁阀回路，避免了真空断路器主触头没有闭合时，时间继电器就断开MOS管的触发回路，电磁阀失电的风险。

5  结束语

本文针对真空断路器单、双线供电电路进行了对比介绍，详细分析真空断路器的内部逻辑及主断环的控制逻辑，得出：相比于单线供电式真空断路器，双线供电式真空断路器可有效避免由于主断电磁阀和主断保持线圈同时启动而造成110V电源电压的不稳定、主断不合闸故障，提高真空断路器的可靠工作;可有效的避免主断内部延时继电器失效后，电磁阀将一直处于得电状态，造成MOS管、电磁阀烧毁的故障。弥补了真空断路器单线供电电路结构的缺点与不足，提高真空断路器的可靠性，为真空断路器的进一步改善研究提供思路，为轨道交通行业真空断路器的选型提供借鉴。

参考文献：

[1]王泰杰，李涛，廖乡萍.真空断路器高温运行故障原因分析及解决方案[J].电力机车与城轨车辆，2012，35（01）：59-61.

[2]刘磊.HX_D3型机车BVAC.N99型主断路器故障分析及对策[J]. 电力机车与城轨车辆，2016，39（05）：85-86，89.

[3]徐瑞刚.HX_D1B型机车真空主断路器的控制原理及故障分析[J].电力机车与城轨车辆，2013，36（02）：63-64.

[4]刘永祥.高压真空断路器预防性试验及故障处置[J].内燃机与配件，2018（06）：139-140.

作者简介：李晶，助理工程师，2018年毕业于沈阳工业大学电气工程专业（硕士），现于中车株洲电力机车有限公司从事电力机车设计和开发工作。