辽宁省送变电工程公司 辽宁省 110021
摘要：随着城市化进程的加快和城市交通的迅猛发展，我国的城市轨道交通得到了长足的发展，地铁正在成为中国城市解决交通拥堵的“良药”。作为在地铁的建设期、运营筹备、试运营、正式运营等各个阶段都必不可少的轨道工程运输工具——蓄电池电力工程车得到越来越广泛的运用。然而，蓄电池电力工程车在进行型式试验调试和运用的过程中，出现了或多或少的问题，给工程车的正常验收交车和运用带来了影响。本文就蓄电池电力工程车高速断路器非正常断开的问题进行原因分析并提出改进意见。
关键词：蓄电池电力工程车；高速断路器；故障；原因分析；改进措施
蓄电池电力工程车主要用于轨道交通工程车辆的牵引、车辆段调车及其他特种作业（如新建地铁线路时敷设线缆作业等），一般需要具备较好的低恒速控制（2-10 km/h）性能，且控制精度要求在 0.5 km/h以内。不同于大铁路机车，蓄电池电力工程车作为轨道工程车的一种，经常要担负多种不同的牵引任务，适应多种不同的编组形式，不同的供电模式使得工程车牵引特性亦不相同。文章仅对蓄电池电力工程车的高速断路器的故障和改进措施进行探讨。
一、铅酸蓄电池
电力蓄电池工程车因具有低噪声和环保节能等优点，特别适合在地铁维护等工程作业中承担牵引任务，在新加坡和香港等城市轨道交通发达的城市得到了广泛使用。近年来，我国内地的城市轨道交通得到了快速发展，电力蓄电池工程车作为地铁工程车系列的一个新产品，正稳步向产业化方向迈进。当前，蓄电池电力工程车的牵引蓄电池广泛采用阀控式密封铅酸蓄电池。铅酸蓄电池主要由阻燃壳体、极板、隔板、胶体电解液、安全阀、端子等组成。铅酸蓄电池通过提高负极析氢电位、电解液吸附等一系列的措施使蓄电池得以密封，其电化学原理可用化学反应方程式进行概括：
正、负极板间在充放电过程中不断进行氧化还原反应，实现电能的释放与补充。铅酸蓄电池按密封方式主要分为密封型与非密封型两种。非密封型铅酸蓄电池由于要定期补水，需要配备补水系统，维护繁琐。而阀控式密封铅酸蓄电池具有密封反应效率高、充电能力强、无酸雾逸出和电解液泄露、维护简单等优点，在蓄电池电力工程车上应用较为广泛。
二、蓄电池电力工程车中高速断路器运行工况分析
现阶段地铁运行是由直流电流驱动的，因此其最主要的负载是地铁电动机，与电动机相关联的断路器可以形成电弧，电弧中储存大量的自由电子和正离子，不断聚集能量，当其达到一定的量以后就会出现燃烧现象，只有将电弧间隙中的能量全部释放才能熄燃，断路器才能断开，不然电路中的电压会持续上升，损坏其他设备。所以，在向有开关等触头的设备供电时要考虑电弧的相关问题，尤其是高压配电方面更需注意。在地铁的直流供电系统中也需要重视电弧问题，必须在各个电路分断的断路器处避免电弧的出现，从而防止其中的线路被烧断，维持地铁运行安全。
另外如果安装的断路器无法进行灭弧，会在电弧间隙不断出现燃烧，断路器无法断开，损坏其他设备。因为电弧间隙中能量的大小与其电感成正相关。据调查，所有的交流电弧开关是在电流过零时被断开，每次电弧过零都会伴随着气压恢复和介质恢复两个过程，介质恢复过程主要是指电弧中的气体从介质状态转变成绝缘的状态，但是电弧不会出现自燃情况，气压恢复是指熄弧后电路将被开断，电源电压加到弧隙两端触头上的过程。断路器的电流过零以后，因为电弧间隙的电阻大小不同，电弧熄灭需要经过点击穿和热击穿两过程。经过研究发现，交流电弧熄灭需要在交流电流过零以后，电弧间隙中的介质恢复强度大于实际恢复强度，如果不能满足这一要求会造成电路自燃现象。
三、案例分析
（一）基本概况
某轨道交通在工程车主电路中，采用2个电流传感器（传感器 11-B10 和传感器 11-B13）对电源输入侧正极和负极的电流是否平衡进行检测。传感器 11-B10 和传感器11-B13 的电流信号送入网络控制系统，网络控制系统采集该模拟信号对正极和负极的电流进行检测。在正常情况下，当网络模块检测到电流的差值小于 50 A 时，网络控制系统发出正常的运行指令，保持机车各系统正常运行；当网络模块检测到电流的差值大于等于 50 A时，网络控制系统通过网络发出牵引封锁、辅助逆变柜卸载信号，断开高速断路器指令，高速断路器断开后发出降下受电弓指令等，同时在 VDU 上显示“主电路接地故障”。
（二）故障分析
通过对故障现场监测的分析，发现出现高速断路器非正常断开故障时有一个共同特点，即控制网络模块检测到的电流传感器的通过电流差瞬时值都超过了50 A，分析认为这是高速断路器频繁出现非正常断开的根本原因。当机车处于接触网或牵引蓄电池供电模式，进入正常工作状态时，电路中的电流正向流入传感器 11-B10 和传感器 11-B13，传感器对检测到的电流值发出正信号给机车网络控制模块。当机车的牵引蓄电池处于充电过程时，在某种工况，会出现瞬时电流反向流过电流传感器 11-B13 的情况。网络控制模块对于电流传感器发出的负信号不能接收，此时回流线将出现回流电流为 0 的情况，从而使网络模块检测到电流的差值大于等于 50 A，导致机车高速断路器断开。
（三）改进措施
通过对高速断路器非正常断开故障原因的分析，提出整改方案如下：将检测牵引蓄电池输出的正极和负极线分别接到电流传感器 11-B10 和电流传感器 11-B13 的后面，从而避免了“机车牵引蓄电池充电过程某种工况，出现瞬时电流反向流过电流传感器 11-B13时，网络模块检测到电流的差值大于等于 50 A”情况的出现，也就避免了导致机车高速断路器断开；同时对 ELCAD 电气原理图进行了变更，对高压电器柜内母排接线按照更新的电气原理图重新进行了接线。修改后的机车主电路接地故障检测及保护方案如下：①接触网供电模式：电流传感器 11-B10 和电流传感器 11-B13 将对接触网供电的正极和负极电流信号进行采集并传输至网络控制模块，网络控制模块检测正极和负极的电流差值，根据差值发出相应的主电路保护指令。②牵引蓄电池供电模式：对主电路的保护通过接地传感器 11-B12 采集负线的电流值并传输至网络控制模块，网络控制模块根据采集到的电流值进行判断，并发出保护指令。③牵引蓄电池充电模式：此时在牵引蓄电池供电时，电流传感器 11-B10 和电流传感器11-B13 将对正极和负极电流信号进行采集并传输至网络控制模块，网络控制模块检测正极和负极的电流差值，根据差值发出相应的主电路保护指令。
（四）效果评价
经过改进后的蓄电池电力工程车于2015年12月重新进行型式试验，再也没有出现非正常断开高速断路器的现象，保证了机车的正常调试和运用。所提出的改进意见，可供蓄电池电力工程车设计、检修、调试和维护参考。
总之，当前蓄电池工程车在地铁维护工程中得到了广泛的应用。文章结合工程实例，就蓄电池高速断路器非正常断开故障的原因及改进措施进行了分析，期望能够起到一定的借鉴作用。
参考文献
[1]杨文,刘世杰,王位,邓虹辉,张鹏.ZER3型蓄电池电力工程车设备布置与重量分配关系研究[J/OL].电力机车与城轨车辆,2015(06)
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[3]苏雄,张鹏.一种适应于蓄电池电力工程车的速度闭环控制算法[J/OL].电力机车与城轨车辆,2017(02)
论文作者:李恒奎
论文发表刊物:《基层建设》2017年6期
论文发表时间:2017/6/22
标签：蓄电池论文; 断路器论文; 电弧论文; 电流论文; 工程车论文; 负极论文; 电力论文; 《基层建设》2017年6期论文;