城市轨道交通车辆高速断路器控制原理及技术优化

中车株洲电力机车有限公司 钟金林

现阶段，城市轨道交通电气系统具有负载多、电压高、容量大的特点，子系统负载发生短路、过载等故障时，电流过大，极易导致设备发生损坏，甚至出现接触网损坏。高速断路器是地铁车辆电气系统中的关键部分，主要用来承担电路过电流保护任务。城市轨道交通系统在运行的过程中，如果发生短路、过流等故障时能够快速地切断电路，起到保护电路的作用。但在实践中由于高速断路器是一个机械元件，在使用的过程中具有动作时间长、分断电弧影响使用寿命等特点。文章以某一城市轨道交通电气系统为研究对象，阐述并分析了现有高速断路器方案的特点，并提出技术发展及方案优化，为城市轨道交通车辆高速断路器的使用提供参考。

1 高速断路器简介

高速断路器是电力行业的一项关键设备，高速断路器在电力系统中的主要功能是按照电力网系统工作将电网中的某一区域内的电路或者说某些电力设备投入使用或者是将电路、设备推出运行，实现对电网运行方式的控制，此时，开关触头承载的为负荷电流。当电网系统中的某些区域线路或者是线路上的设备出现运行故障时，高速断路器能够快速地将发生故障部分线路或者是设备与电网系统的连接切断，进而保护电力网中其它正常运行的部分不受故障部分线路或设备的影响，达到保护电力网运行稳定的目的。此时，开关触头承载的是电力网中发生的故障电流或者是短路电流。

2 高速断路器控制原理

2.1 主要构成部件

高速断路器是由玻璃纤维绝缘材料制成的固定绝缘框架，主要包括主电路、脱扣装置、灭弧栅、闭合装置、辅助触头等。结构如图1所示。

图1 高速断路器主要部件

2.2 工作原理

高速断路器在运行的过程中主要包括五种状态：吸合、保持、断开、灭弧、脱扣。

（1）吸合原理。电路系统在供电后，断路器闭合，此时由于系统内的闭合线圈装置得电，电磁力作用在连接叉上，并施加给动触头一个向左的作用力，驱动触头在作用下，发生移动与静触头连接，此时辅助触头开始移动。值得注意的是，连接叉施加的力作用在动触头上时，动触头会与静触头结合，为了降低两者在结合的过程中出现较大的作用力（撞击力），设置一个能够有效释放撞击力的装置，即闭合阻尼器。（2）保持原理。断路器在闭合后，电流通过线圈，作用在辅助触头上，此时，辅助触头在电磁作用下发生自锁，保持得电。（3）断开原理。断开时，意味着线圈失电，则电磁片为通电，此时连接叉退回，动触头在连接叉作用力的带动下复位。同样，为避免触头复位时产生较大撞击力损害支架，因此，同样设置一个可以减轻撞击力的断开阻尼器。（4）灭弧原理。在断开的瞬间，两触头之间会产生电弧，通过左右连接进入灭弧栅，实现灭弧。（5）脱扣原理。在模块运行的过程中，如果主电路的电流过高，超过了安全电流值，那么脱扣装置形成磁场，电磁片向上，在作用力的效果下，连接叉向下移动，使得电磁力无法作用在动触头上，实现脱扣。

3 轨道交通车辆中高速断路器控制的应用

3.1 车辆控制

在司机台上设置高速断路器分和自复位按钮。使用过程中，只能由司机进行操作，为将闭合命令有效地区分开，断路器使用的是电气互锁控制。列车只有在保持持续性受电才能确保将相应端的断路器闭合，在紧急情况下，司机可以随时按下紧急停车按钮。

3.2 牵引逆变器控制

司机按下断路器闭合按钮后，脉冲信号通过列车线传输至牵引逆变器，在接收到闭合指令后，通过闭合允许与闭合指令完成对断路器的闭合操作。司机通过自复位按钮以手动的形式将断路器断开，同样利用列车线将断开信号传输至各牵引逆变器。在接收到断开指令后，将相应端设置为低电平。

3.3 高速断路器线圈供电控制

断路器闭合电路时，会首先给出一个闭合激励，并在之后断开相应端。断路器闭合过程如下：首先当继电器闭合后，会系统会向短路线圈提供一个较大的电流，以此达到激励效果，在之后，将非保持继电器断开，并将其与保持电阻相连接，而断路器则保持闭合。当断路器设置为闭合后，此时相应端为低电平，此时，闭合允许继电器断开，线圈断电。

4 方案优化

本文以某城市内的一个地铁项目为研究对象，为了方面分析将系统整体运行原理图简化，如图2所示。从图2中我们可以看出，当受电后，接触网内的电压分别通过隔离开关（Q1、Q2）、高压断路器（HSCB）、充电电路（K1、R、K2）、稳压电容C。

图2 高速断路器回路简化图

对于电容C来说，由于其产生的电压是存在渐变过程中，所以可以认为在上电的瞬时，电容的电压等于0。如果此时直接进行供电，则极易导致出现极大的瞬时冲击电流，破坏系统装置。所以，为降低瞬时冲击电流带来的不利影响，需要对在电容上设置一个充电电路。当断路器闭合后，首先将充电电路开关K1闭合，充电电阻R为电容C供电，当电容充电过程完成后，则将充电电路开关K2闭合，此时有K2正常供电。有上述分析可以看出，高速断路器模块在运行的过程中存在以下缺点：首先，在充电电路K1所流经的电流值要远小于高速断路器与充电电路K2流经的电流值，过高的电流会造成高速断路器与充电电路K2的结构过大，不利于成本控制。此外，高速断路器主要是用来保护系统线路，充电电路K2用来控制系统电路的启闭，如果将电路通断与保护一体化设计，则能够有效地将断路器结构缩小化，减少成本。另外，高速断路器与充电电路K2属于机械式断路器，进行分断电路时极易出现电弧，不利于高速断路器的使用稳定性。针对以上两个缺点，考虑使用电力电子器件作为固态开关，对断路器模块进行优化设计。改进方案如图3所示。

图3 高速断路器优化方案图示

对比优化前与优化后的方案可以发现，优化后的方案在保持电器元件数量不发生变化时，使用固态开关替代了传统的接触开关，有效地提升了系统运行的稳定性与使用寿命；优化后的方案采用的是并联模式，整体运行可靠性显然优于串联模式；虽然采用固态开关会在一定程度上增加模块的成本，但固态开关的使用可以降低断路器成本，并增加模块使用寿命；与接触器相比，固态开关的使用有效地解决了电弧问题的发生，尤其是在过流情况下分断能力要求下降，对降低成本有着积极作用。

结论：高速断路器是城市轨道交通车辆牵引系统中的一项重要设备，用来接通与断开车辆电路和接触网的高压连接，当车辆在行驶的过程中电路发生故障时，高速断路器能够起到断开电路和接触电网的连接，达到保护车辆牵引逆变器的木器。所以，对高速断路器的电气控制电路控制进行分析，有助于提升车辆排除故障效率，提高车辆运行的安全稳定性。