應(yīng)急電源熔斷器故障原因分析論文
摘要：為了解決在地鐵蓄電池饋電的情況下，地鐵車輛正常工作的問題，在地鐵的充電機(jī)箱體中增加了應(yīng)急啟動電源，但是應(yīng)急啟動電路前端的熔斷器故障率較高，給運(yùn)營和檢修維護(hù)帶來一定影響。本文從輔助變流器的主電路、熔斷器設(shè)置原理、以及應(yīng)急電源模塊等方面入手，結(jié)合應(yīng)急電源模塊的沖擊電流的測試數(shù)據(jù)，對熔斷器的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了解決方法，為后續(xù)地鐵輔助變流器熔斷器的設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】輔助變流器；應(yīng)急啟動電路；熔斷器
沖擊電流城市軌道交通系統(tǒng)的牽引網(wǎng)是專門給電動車輛供給電源而沿線路鋪設(shè)的裝置，它由正極接觸網(wǎng)供電，負(fù)極走形回流軌兩部分組成。按照IEC和我國規(guī)程規(guī)定，目前我國地下通道的牽引網(wǎng)普遍采用兩種，一種是DC750V接觸軌受電，標(biāo)稱電壓為直流750V，允許電壓波動范圍為500~900V，如昆明地鐵1號線。另一種是DC1500V架空接觸網(wǎng)受電，標(biāo)稱電壓為直流1500V，允許電壓波動范圍為1000~1800V，如深圳地鐵11號線。某地鐵工程采用DC1500V的供電制式，架空接觸網(wǎng)受流的方式，裝置的輔助變流器在應(yīng)用過程中，加載在應(yīng)急電源模塊輸入端的熔斷器出現(xiàn)了多次燒損故障，給地鐵的應(yīng)用與檢修帶來了一定壓力。通過排查，只有在檢修時才能發(fā)現(xiàn)熔斷器的故障，并且熔斷器并不是在輔助變流器輸入電路真實(shí)短路情況下出現(xiàn)的開路，因此不會給列車的運(yùn)營帶來安全方面的問題，但對產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性方面存在較大的影響。本文主要說明了地鐵輔助變流器的工作原理、應(yīng)急啟動電路以及熔斷器設(shè)置原因、對熔斷器的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)解決方法，為后續(xù)地鐵輔助變流器熔斷器設(shè)置方面的設(shè)計(jì)選型提供相應(yīng)思路。
1輔助變流器工作原理
輔助變流器采用典型的DC-AC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將接觸網(wǎng)提供的DC1500V電源先經(jīng)過充電電路實(shí)現(xiàn)支撐電容的預(yù)充電，待支撐電容電壓充到一定值后再閉合短接接觸器，再經(jīng)過IGBT三相逆變、三相變壓器隔離濾波后，輸出三相四線制交流正弦波電壓給列車三相負(fù)載供電，同時三相正弦交流電壓又給柜內(nèi)的充電機(jī)裝置供電，為列車的DC110V蓄電池充電以及DC110V干線負(fù)載供電，其主電路原理如圖1所示。其中R1為充電電阻、KM1短接接觸器、KM2充電接觸器、L為平波電感、C為支撐電容、V1~V6為三相逆變模塊的IGBT、TR為/Y隔離變壓器、ACC為三相交流濾波電容、U/V/W/N為三相四線制輸出電壓、110+/110-為充電機(jī)輸出DC110V電壓。
2熔斷器設(shè)置原理
2.1熔斷器特性
熔斷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置一般由純銀熔體和石英砂填料組成，其中純銀熔體為99.99%的純銀，石英砂的純度應(yīng)采用97%以上的成分，并帶接近圓形顆粒的海沙。為一種保護(hù)電路及實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全運(yùn)行的保護(hù)器件，其工作原理是當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過規(guī)定值并維持一定時間后，熔斷器熔斷實(shí)現(xiàn)電路的中斷，從而起到保護(hù)作用。熔斷器對需要保護(hù)的電路有著非常重要的作用，當(dāng)熔斷器需要熔斷時而未熔斷，電路中的電流不能別切斷，被保護(hù)電路可能會因?yàn)檫^大的電流流過而損壞電路相應(yīng)器件；另外當(dāng)熔斷器流過的電流非短路電流時，熔斷器發(fā)生了熔斷，使得被保護(hù)電路的不能正常工作，影響了設(shè)備的使用。
2.2熔斷器的設(shè)置
一般情況下，地鐵輔助變流器的DC110V控制電源由列車蓄電池進(jìn)行供電，一旦列車進(jìn)行庫檢、月檢等相關(guān)維護(hù)保養(yǎng)時，可能造成DC110V蓄電池饋電，只能通過外接DC110V充電機(jī)給整列車的蓄電池充電，蓄電池電壓達(dá)到一定值并滿足整車控制電源的需要時，斷開外接的DC110V充電機(jī)，直接啟動輔助變流器實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充電。對于出現(xiàn)了蓄電池饋電，地鐵運(yùn)營公司不但增加了相關(guān)設(shè)備成本，并且維護(hù)存在非常的不便。為了解決上述問題，輔助變流器設(shè)計(jì)中增加了應(yīng)急啟動電路，在存在蓄電池供電的情況下，應(yīng)急電源模塊工作在空載模式，即不給柜內(nèi)的控制機(jī)箱供電。在蓄電池不能正常的情況下，即在列車蓄電池嚴(yán)重饋電（列車的110V蓄電池不能給整列車提供滿足要求的控制電源）的情況下，通過啟動輔助變流器柜內(nèi)的應(yīng)急電源，給輔助變流器的控制機(jī)箱供應(yīng)DC110V電源。當(dāng)列車存在DC1500V的高壓，同時輔助變流器的控制電壓正常的情況下，會立即啟動輔助變流器，輔助變流器正常工作后，安裝在柜內(nèi)的DC110V充電機(jī)即能正常工作，對蓄電池進(jìn)行充電同時給DC110V干線提供穩(wěn)定的DC110V電源，實(shí)現(xiàn)列車的正常運(yùn)行。應(yīng)急電源模塊的標(biāo)稱輸入電壓為DC1500V，內(nèi)部采用DC/DC變換實(shí)現(xiàn)DC110V的輸出，當(dāng)應(yīng)急電源模塊內(nèi)部出現(xiàn)短路或器件損壞時，可能將直流干線DC1500V短路，造成直流干線不能正常供應(yīng)DC1500V電源，產(chǎn)生整個線路上列車不能正常運(yùn)行的嚴(yán)重后果。為了規(guī)避該問題，需要在應(yīng)急電源模塊的前端設(shè)置了熔斷器，當(dāng)應(yīng)急電源模塊內(nèi)部出現(xiàn)短路的嚴(yán)重故障時，通過熔斷器的斷開達(dá)到保護(hù)主電路的功能，增加熔斷器的`主電路如圖2所示。其中FU為直流熔斷器，其他的代號說明與圖1一致。
3熔斷器燒損原因分析
2017年4月11日，深圳地鐵11號11071車在做庫內(nèi)實(shí)驗(yàn)時無法緊急啟動，經(jīng)株機(jī)查線正常后，下車測量我司充電機(jī)箱體應(yīng)急啟動熔斷器發(fā)現(xiàn)不導(dǎo)通，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)充電機(jī)緊急啟動電源模塊故障，隨即更換。列車在進(jìn)行應(yīng)急電壓工作模式的試驗(yàn)時，輔助變流器不能正常應(yīng)急啟動，將電源模塊和熔斷器更換后，輔助變流器的應(yīng)急功能才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。3.1應(yīng)急電源模塊分析通過對輔助變流器柜內(nèi)控制電壓的功率需求進(jìn)行分析，應(yīng)急啟動電源功率<600W，正常工作時流過熔斷器的電流<1A，同時裝載國際知名品牌Bussman、額定電流10A的熔斷器，其熔斷曲線如圖3所示。由于正常流出熔斷器的電流不到1A，因此10A熔斷器滿足系統(tǒng)要求。在試驗(yàn)室對應(yīng)急電源模塊進(jìn)行試驗(yàn)時，測試發(fā)現(xiàn)熔斷器的首次上電沖擊電流為43.4A，測試波形見圖4，核對熔斷曲線，在理論上該沖擊電流也不足以造成熔斷器燒損。測試發(fā)現(xiàn)應(yīng)急電源模塊在得電初期存在較大的沖擊電流，分析廠家給的應(yīng)急電源模塊的相應(yīng)電路，發(fā)現(xiàn)其輸入端無限流電阻，只有并聯(lián)電容，具體的主電路見圖5，其中圖5中的C表示濾波電容。當(dāng)DC1500突然加在應(yīng)急電壓模塊上時，相當(dāng)于將DC1500V電源直接加載在電容兩端，未設(shè)置限流電阻的情況下，其沖擊電流較大，當(dāng)電容的電壓建立后，幾乎無沖擊電流的產(chǎn)生。因此列車在每天首次正線運(yùn)行上高壓時，即存在一次電流沖擊，反復(fù)多次可能造成熔斷器斷開故障。3.2應(yīng)用線路分析單端供電方式下，當(dāng)車輛過無電區(qū)時，車輛依照慣性行走，不從受電網(wǎng)進(jìn)行取電；當(dāng)車輛通過了無電區(qū)，重新在電網(wǎng)取電時會存在一個電流沖擊。熔斷器的壽命深受周期的循環(huán)變化負(fù)載的影響，在使用過程中，應(yīng)急啟動電源周期性啟動停止，供電線路網(wǎng)壓突變或者合接觸網(wǎng)的瞬間du/dt很大，引起流過熔斷器電流增大，致使熔斷器周期性承受大尖峰電流，不斷地冷卻和加熱熔斷器體，造成熔斷器的熱脹冷縮發(fā)生，另外熔斷器的壽命與沖擊電流的I2t有關(guān)，隨著沖擊能量和次數(shù)的增加，熔斷器將逐漸老化，造成熔斷器的斷開故障。
4解決方法
通過上述的分析，可以從列車運(yùn)行線路電壓、應(yīng)急電源模塊的接口電路兩方面進(jìn)行優(yōu)化，抑制熔斷器的沖擊電流。具體方案如下：方案1：采用更大容量的熔斷器，保證在線路波動、上電初期的沖擊電流不足以導(dǎo)致熔斷器的燒損，同時要求大容量的熔斷器在應(yīng)急電源模塊發(fā)生真正短路的情況下，能夠穩(wěn)定、可靠的分?jǐn)啵_(dá)到保護(hù)電源的功能。方案2：針對應(yīng)急電源模塊的輸入回路只有電容無限流電阻的情況，在應(yīng)急電源模塊內(nèi)的輸入回路中增加限流電阻，降低輸入沖擊電流從而減少I2t，提高熔斷器的使用壽命。通過對以上兩個方案進(jìn)行對比，方案1實(shí)施簡單，直接更換相同物理規(guī)格而額定電流更大的熔斷器，而方案2需要將應(yīng)急電源模塊進(jìn)行批量召回并改造，為了適應(yīng)現(xiàn)場應(yīng)用，最終制定了2個同時實(shí)施的措施，其一為現(xiàn)場應(yīng)用的列車采用更換熔斷器的方式；其二為后續(xù)生產(chǎn)的應(yīng)急電源模塊增加限流電阻，降低沖擊電流的方式。
5結(jié)語
通過更換為更大容量的熔斷器后，輔助變流器的應(yīng)急啟動電路均能工作正常，更換到現(xiàn)在，未發(fā)生1例熔斷器燒損故障，徹底解決了該問題，為后續(xù)地鐵輔助變流器的穩(wěn)定、可靠應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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