應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，在地鐵的充電機箱體中增加了應急啟動電源，但是應急啟動電路前端的熔斷器故障率較高，給運營和檢修維護帶來一定影響。本文從輔助變流器的主電路、熔斷器設置原理、以及應急電源模塊等方面入手，結合應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計選型提供依據(jù)。
【關鍵詞】輔助變流器；應急啟動電路；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的裝置，它由正極接觸網(wǎng)供電，負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用過程中，加載在應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短路情況下出現(xiàn)的開路，因此不會給列車的運營帶來安全方面的問題，但對產品的可靠性、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、應急啟動電路以及熔斷器設置原因、對熔斷器的故障原因進行了分析，并提出了相應解決方法，為后續(xù)地鐵輔助變流器熔斷器設置方面的設計選型提供相應思路。
1輔助變流器工作原理
輔助變流器采用典型的DC-AC主電路拓撲結構，將接觸網(wǎng)提供的DC1500V電源先經過充電電路實現(xiàn)支撐電容的預充電，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載供電，同時三相正弦交流電壓又給柜內的充電機裝置供電，為列車的DC110V蓄電池充電以及DC110V干線負載供電，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-為充電機輸出DC110V電壓。
2熔斷器設置原理
2.1熔斷器特性
熔斷器內部結構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，石英砂的純度應采用97%以上的成分，并帶接近圓形顆粒的海沙。為一種保護電路及實現(xiàn)設備安全運行的保護器件，其工作原理是當被保護電路的電流超過規(guī)定值并維持一定時間后，熔斷器熔斷實現(xiàn)電路的中斷，從而起到保護作用。熔斷器對需要保護的電路有著非常重要的作用，當熔斷器需要熔斷時而未熔斷，電路中的電流不能別切斷，被保護電路可能會因為過大的電流流過而損壞電路相應器件；另外當熔斷器流過的電流非短路電流時，熔斷器發(fā)生了熔斷，使得被保護電路的不能正常工作，影響了設備的使用。
2.2熔斷器的設置
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行供電，一旦列車進行庫檢、月檢等相關維護保養(yǎng)時，可能造成DC110V蓄電池饋電，只能通過外接DC110V充電機給整列車的蓄電池充電，蓄電池電壓達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，直接啟動輔助變流器實現(xiàn)對蓄電池的充電。對于出現(xiàn)了蓄電池饋電，地鐵運營公司不但增加了相關設備成本，并且維護存在非常的不便。為了解決上述問題，輔助變流器設計中增加了應急啟動電路，在存在蓄電池供電的情況下，應急電源模塊工作在空載模式，即不給柜內的控制機箱供電。在蓄電池不能正常的情況下，即在列車蓄電池嚴重饋電（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的應急電源，給輔助變流器的控制機箱供應DC110V電源。當列車存在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，安裝在柜內的DC110V充電機即能正常工作，對蓄電池進行充電同時給DC110V干線提供穩(wěn)定的DC110V電源，實現(xiàn)列車的正常運行。應急電源模塊的標稱輸入電壓為DC1500V，內部采用DC/DC變換實現(xiàn)DC110V的輸出，當應急電源模塊內部出現(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DC1500V電源，產生整個線路上列車不能正常運行的嚴重后果。為了規(guī)避該問題，需要在應急電源模塊的前端設置了熔斷器，當應急電源模塊內部出現(xiàn)短路的嚴重故障時，通過熔斷器的斷開達到保護主電路的功能，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車在做庫內實驗時無法緊急啟動，經株機查線正常后，下車測量我司充電機箱體應急啟動熔斷器發(fā)現(xiàn)不導通，進一步分析發(fā)現(xiàn)充電機緊急啟動電源模塊故障，隨即更換。列車在進行應急電壓工作模式的試驗時，輔助變流器不能正常應急啟動，將電源模塊和熔斷器更換后，輔助變流器的應急功能才能發(fā)揮應有的作用。3.1應急電源模塊分析通過對輔助變流器柜內控制電壓的功率需求進行分析，應急啟動電源功率<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。在試驗室對應急電源模塊進行試驗時，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，分析廠家給的應急電源模塊的相應電路，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DC1500突然加在應急電壓模塊上時，相當于將DC1500V電源直接加載在電容兩端，未設置限流電阻的情況下，其沖擊電流較大，當電容的電壓建立后，幾乎無沖擊電流的產生。因此列車在每天首次正線運行上高壓時，即存在一次電流沖擊，反復多次可能造成熔斷器斷開故障。3.2應用線路分析單端供電方式下，當車輛過無電區(qū)時，車輛依照慣性行走，不從受電網(wǎng)進行取電；當車輛通過了無電區(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)變化負載的影響，在使用過程中，應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，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，可以從列車運行線路電壓、應急電源模塊的接口電路兩方面進行優(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致熔斷器的燒損，同時要求大容量的熔斷器在應急電源模塊發(fā)生真正短路的情況下，能夠穩(wěn)定、可靠的分斷，達到保護電源的功能。方案2：針對應急電源模塊的輸入回路只有電容無限流電阻的情況，在應急電源模塊內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行對比，方案1實施簡單，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需要將應急電源模塊進行批量召回并改造，為了適應現(xiàn)場應用，最終制定了2個同時實施的措施，其一為現(xiàn)場應用的列車采用更換熔斷器的方式；其二為后續(xù)生產的應急電源模塊增加限流電阻，降低沖擊電流的方式。
5結語
通過更換為更大容量的熔斷器后，輔助變流器的應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、可靠應用奠定了基礎。
參考文獻
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