摘要：深圳地铁运营中，发现1号线续建段及5号线接触网电动隔离开关故障率偏高，其中制动器故障占大多数，对制动器运行状态的分析对解决电动隔开故障问题有极大帮助。笔者做了大量电气实验及受力分析实验，提出了若干制动器故障的处理方法，并在正线运营中进行了为期一年的跟踪观察，取得了明显的效果，极大降低了制动器故障率，所提方案证实可行。
关键词：隔离开关；制动器；故障处理
1 前言
在城市轨道交通直流供电系统中，隔离开关是负责向接触网输送电能的重要设备，用以保障维护人员的人身安全。随着科学技术进步，目前全国电气化铁路上网隔离开关基本已实现电动远控功能，在减少人员工作量，全面实现自动化等方面起了重大作用。隔离开关照片见下图。
图1 接触网隔离开关
电动隔离开关主要利用直流电动机为动力，利用齿轮或丝杆结构传动，将隔离开关机械传动部分推动，从而实现远动控制。在实际运营中，齿轮传动结构的电机会遇到一个普遍问题：停止时的制动惯性问题，电动机构箱通过一系列辅助触点判断隔离开关动触头是否到位，一旦到位则立即切断电路，电机停转，但机械部分由于重力等外力作用，无法立即停止，惯性冲击会导致隔离开关分合闸不到位，因此需设计一种制动装置，保证电机断电的同时，机械结构也立即停止运动。
制动器是一种广泛使用的制动装置，深圳地铁隔离开关机构箱内采用摩擦式电磁制动器，在控制电路继电器控制下，可以准确、可靠地动作，达到电机停止后的制动，保证隔离开关刀闸到位后立即停止。制动器照片见下图。
图2 隔离开关制动器
根据隔离开关原理可知，当MC继电器本体得电，触点MC闭合时，制动器线圈和电机回路同时导通，制动器线圈产生电磁力，吸引与电动机相连机械装置，使得电机得以转动，分、合隔离开关；当开关分、合到位后，信号回路触发MC继电器本体，使触点MC断开，制动器与电机回路同时断开，开关完成一次分闸或合闸的电动操作（见图3）。
图3 隔离开关原理图-制动器
制动器由“凹”形金属外壳加金属圆盖板封装电磁铁、金属圆铁板、4根金属弹簧、圆摩擦片制造而成。其中“凹”形金属外壳加金属圆盖板为无磁性金属材料，金属圆铁板套装在电磁铁外壳4个立柱上，金属圆铁板由套装在电磁铁外壳上的4根金属弹簧顶压，电磁铁由绝缘材料封装。
图4 制动器剖面图
2 现状分析
深圳地铁1号线续建段与5号线全线共计168台电动隔离开关采用了此类设计，统计从2011年7月开通至2014年7月间，共计损坏128个，总故障率为76.19%，平均每年更换约为43个，平均年故障率为25.40%，整改工作刻不容缓。
制动器在设计上要求动作可靠、灵敏，但在实际运营中，制动器在各种因素作用下，寿命短，故障率高，多次导致隔离开关被制动器“抱死”，无法实现电动远控功能，让接触网维修人员经常进行故障抢修，另一方面，制动器更换工作浪费了大量的人工，也增加了大量采购经费。
实际运营中，制动器故障的现象为通电后，电磁铁与铁芯无吸合，制动器在电机强制作用下，摩擦产生大量热能，极为烫手，用万用表测试制动器线圈电阻为无穷大或远大于3.5kΩ，且制动器为全密封装置，不能维修，只能整体更换，维修成本较高。
3分析与解决
制动器作为一种电气元件，应符合电气安全要、容量及过载保护要求；同时制动器机械方面也应满足有关的制动力、紧固力的要求，笔者从以上两方面入手，分析了可能的主要原因并提出了相关的整改措施，以消除制动器故障率高的问题。
3.1电气分析与保护
通过对制动器的原理分析，制动器是由大量细铜丝缠绕成一组电磁铁，从而可以在通电情况下吸合铁芯来改变机械摩擦，可知其电气特性符合通电电感的一般特性。
3.1.1伏安特性
伏安特性反映了制动器线圈的容性与感性阻抗，但因为其工作电源为直流电，故伏安特性曲线为较标准的电阻波形，其阻值一般为3.2-3.6 kΩ。
图4 制动器测试图
3.1.2储能特性
线圈匝间绝缘性能主要受绝缘材料及制作工艺影响。当制动器线圈产生瞬时过电压时，就可能造成匝间绝缘击穿、发热，进而烧断线圈和与之相接触的零部件，造成制动器失效。
匝间绝缘击穿可分为两种情况：一是由于制动器线圈匝间本身绝缘的制作工艺存在问题；二是制动器线圈匝间本身绝缘良好，由于瞬时过电压造成匝间绝缘击穿，使制动器损坏，通过查阅有关资料，得知制动器漆包线漆膜的击穿电压在425-700V之间。第二种情况是需要重点考虑的。
制动器内部线圈可简化为一组电感，电感的储能性能不能忽视，而根据楞次定律：感应电动势趋于产生一个电流，该电流的方向趋于阻止产生此感应电动势的磁通的变化。自感电动势的大小与线圈中电流的变化率成正比。
即 E=L*di/dt
在分、合闸过程中，当触点MC闭合时，制动器线圈所在回路导通，因为外接DC 220V电源的存在，使制动器线圈产生电流，电流在线圈内部产生的磁通经过MC导通瞬间的变化后，制动器线圈内就形成恒定的磁通量，当触点MC突然分开的瞬间，线圈电流随之消失，根据楞次定律，因为触点MC分离的时间t较短，di/dt大，即电流变化率较大，电感L为定值，所以制动器线圈自感电动势就非常高，通过测试发现现场制动器承受的过电压最高达到3500V。极有可能造成线圈匝间绝缘击穿，致使线圈匝间短接或烧断。
鉴于以上分析，笔者建议在制动器线圈两端并联一个续流二极管，与制动器形成回路，使其产生的反向电动势在回路中以续电流方式消耗，从而起到保护制动器不被损坏。适当选取二极管PN结结温范围大的型号，保证二极管在温度变化时能正常工作。
参考既有线隔离开关机构箱内继电器并联续流二极管型号为IN5408，其主要技术参数见表1，
表1 IN5400-IN5408型二极管主要技术参数表
3.1.3启动电压与保持电压
在伏安特性实验过程中，笔者意外发现了制动器实际工况与铭牌标注的差异。
制动器厂家说明为：
工作电压：220DC；
额定电流：0.06A；
紧固力矩：1N•m。
通过对7个全新制动器进行试验，实测中发现制动器线圈的平均吸合电压即启动电压为150V，保持电压为40V。见表1。
表2 制动器测试数据
测试结果意味着铭牌标注的工作电压比实际工作电压高出约37.5%，高出保持电压为450%，这在国家安全用电规范里是严重违规的。
针对发现的问题，笔者建议采用在制动器回路串联电阻限流，从而降低制动器电压的方式来解决。经过核算，1.9KΩ电阻即可满足使用条件，现场采用了2只3.8kΩ，0.25W并联工作，经过试验及实用，证实可解决启动电压过高的问题。
3.2机械结构分析与保护
制动器通过内部的刹车片对电机低速端进行控制，保证电机停车的快速、准确，刹车所用的摩擦力必然会导致相关的材料磨损、温度升高，也存在着制动器受力变形的问题，从以下三个方面来分析机械特性并提出解决方案。
3.2.1制动器紧固力矩
制动器通过本体上三个5mm直径的螺丝紧固在电机上，铭牌上标注紧固力矩为1N•m，然而实际工作中发现1 N•m并不正确，制动器与电机间由于制动器安装过于紧固，使电机转轴端面压住制动器衔铁后产生对电机永久性的制动力，该制动力造成电机不能运转，电机通电后发生拒动过载，其拒动原理如图示。
图5 机械紧固力过大示意图
制动器内部制动片的工作间隙仅为0.3-0.4mm。电机与制动器之间有一张1.2mm的橡胶垫片，由于制动器部分固定螺丝过高，使制动器与电机的贴合面不平整，制动器外壳产生弹性形变，改变了制动片的工作间隙，致使制动器不能顺利工作。另外，由于橡胶垫圈的老化和弹性原因，影响着螺丝的精确紧固，对其进行改造也是需要考虑的。
由以上分析，笔者建议检修人员降低螺丝紧固力矩，按厂家给出的0.3N•m建议来紧固，必须在全线范围内全部重新安装和调整一次，在调整的过程中，将原有橡胶垫圈更换成硬质铜垫片，确保力矩正确。
3.2.2摩擦生热研究
制动器在隧道内环境潮湿，发生了大量的生锈情况，铁锈粉末阻塞了制动片工作间隙和弹簧工作间隙，导致制动片与制动器外壳粘连或未能完全脱开而使电机堵转，必须除锈并涂抹少量凡士林后方可恢复正常工作状态。
图6 制动器内部生锈图
因为生锈原因，制动器转动过程中会加重摩擦，发热和震动，间接影响了制动器线圈的寿命。
3.2.3刹车片磨损问题分析
制动器机械功能全部依靠刹车片提供的摩擦力实现，但接触网正线上采用的制动器从未因刹车片故障而导致机构失灵，故此原因是次要因素。
值得一提的是，在同期做实验中的另一款产品，测试结果中发现其刹车片在摩擦力作用下碎裂，产生了破坏性损伤。
4 结论
通过以上分析，笔者提出了三条整改建议，并在试验和实际工作中实行了推广和使用，具体如下：
（1）在制动器回路上串联限压电阻，电阻为1.9 kΩ，0.5W型普通电阻，价格约为1元；
（2）在制动器两端反向并联二极管，型号为1N5408，实验后期又调整为1N4007，价格约为1.5元；
（3）调整制动器橡胶垫圈，改为硬质铜垫，并用0.3N•m力矩重新紧固制动器。
以上三项调整总材料费为2.5元以内，而制动器报价为2950元，经过一年的实验期与观察期，2014-2015年总共故障制动器为10台，故障率成功从25.40%降至5.95%，节约运营成本11万元，达到了整改的目标。
5 结束语
本次故障分析让地铁运营人员深思，主要有两方面：
（1）产家给出的参数与实际工况不符，产品长时间处在非标环境中，造成了过电压的情况、力矩过大情况，让人怀疑是否是厂家为了提高备件采购数量而专门设置的隐性缺陷；
（2）产品设计存在缺陷，隔离开关是英国进口产品，但其实际运行中仍出现了大量的各类问题，告诫运营人员不能过于相信进口产品，对于不科学的设计，要及时要求整改，并避免在新线建设中使用。
以上全部内容，可供相关技术人员共同借鉴和思考。
参考文献：
[1]于松伟，杨兴山，韩连祥，张巍.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.
[2]GB 50157-2003，地铁设计规范[S].
[3]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003.
论文作者:杨虎
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/14
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