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(chē)輛正常工作的問(wèn)題，在地鐵的充電機箱體中增加了應急啟動(dòng)電源，但是應急啟動(dòng)電路前端的熔斷器故障率較高，給運營(yíng)和檢修維護帶來(lái)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據，對熔斷器的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了解決方法，為后續地鐵輔助變流器熔斷器的設計選型提供依據。
【關(guān)鍵詞】輔助變流器；應急啟動(dòng)電路；熔斷器
沖擊電流城市軌道交通系統的牽引網(wǎng)是專(zhuān)門(mén)給電動(dòng)車(chē)輛供給電源而沿線(xiàn)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和我國規程規定，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(chēng)電壓為直流750V，允許電壓波動(dòng)范圍為500~900V，如昆明地鐵1號線(xiàn)。另一種是DC1500V架空接觸網(wǎng)受電，標稱(chēng)電壓為直流1500V，允許電壓波動(dòng)范圍為1000~1800V，如深圳地鐵11號線(xiàn)。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(guò)程中，加載在應急電源模塊輸入端的熔斷器出現了多次燒損故障，給地鐵的應用與檢修帶來(lái)了一定壓力。通過(guò)排查，只有在檢修時(shí)才能發(fā)現熔斷器的故障，并且熔斷器并不是在輔助變流器輸入電路真實(shí)短路情況下出現的開(kāi)路，因此不會(huì )給列車(chē)的運營(yíng)帶來(lái)安全方面的問(wèn)題，但對產(chǎn)品的可靠性、穩定性方面存在較大的影響。本文主要說(shuō)明了地鐵輔助變流器的工作原理、應急啟動(dòng)電路以及熔斷器設置原因、對熔斷器的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了相應解決方法，為后續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(jīng)過(guò)充電電路實(shí)現支撐電容的預充電，待支撐電容電壓充到一定值后再閉合短接接觸器，再經(jīng)過(guò)IGBT三相逆變、三相變壓器隔離濾波后，輸出三相四線(xiàn)制交流正弦波電壓給列車(chē)三相負載供電，同時(shí)三相正弦交流電壓又給柜內的充電機裝置供電，為列車(chē)的DC110V蓄電池充電以及DC110V干線(xiàn)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(xiàn)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(shí)現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(guò)規定值并維持一定時(shí)間后，熔斷器熔斷實(shí)現電路的中斷，從而起到保護作用。熔斷器對需要保護的電路有著(zhù)非常重要的作用，當熔斷器需要熔斷時(shí)而未熔斷，電路中的電流不能別切斷，被保護電路可能會(huì )因為過(guò)大的電流流過(guò)而損壞電路相應器件；另外當熔斷器流過(guò)的電流非短路電流時(shí)，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(chē)蓄電池進(jìn)行供電，一旦列車(chē)進(jìn)行庫檢、月檢等相關(guān)維護保養時(shí)，可能造成DC110V蓄電池饋電，只能通過(guò)外接DC110V充電機給整列車(chē)的蓄電池充電，蓄電池電壓達到一定值并滿(mǎn)足整車(chē)控制電源的需要時(shí)，斷開(kāi)外接的DC110V充電機，直接啟動(dòng)輔助變流器實(shí)現對蓄電池的充電。對于出現了蓄電池饋電，地鐵運營(yíng)公司不但增加了相關(guān)設備成本，并且維護存在非常的不便。為了解決上述問(wèn)題，輔助變流器設計中增加了應急啟動(dòng)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(chē)蓄電池嚴重饋電（列車(chē)的110V蓄電池不能給整列車(chē)提供滿(mǎn)足要求的控制電源）的情況下，通過(guò)啟動(dòng)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(chē)存在DC1500V的高壓，同時(shí)輔助變流器的控制電壓正常的情況下，會(huì )立即啟動(dòng)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(jìn)行充電同時(shí)給DC110V干線(xiàn)提供穩定的DC110V電源，實(shí)現列車(chē)的正常運行。應急電源模塊的標稱(chēng)輸入電壓為DC1500V，內部采用DC/DC變換實(shí)現DC110V的輸出，當應急電源模塊內部出現短路或器件損壞時(shí)，可能將直流干線(xiàn)DC1500V短路，造成直流干線(xiàn)不能正常供應DC1500V電源，產(chǎn)生整個(gè)線(xiàn)路上列車(chē)不能正常運行的嚴重后果。為了規避該問(wèn)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短路的嚴重故障時(shí)，通過(guò)熔斷器的斷開(kāi)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(shuō)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(chē)在做庫內實(shí)驗時(shí)無(wú)法緊急啟動(dòng)，經(jīng)株機查線(xiàn)正常后，下車(chē)測量我司充電機箱體應急啟動(dòng)熔斷器發(fā)現不導通，進(jìn)一步分析發(fā)現充電機緊急啟動(dòng)電源模塊故障，隨即更換。列車(chē)在進(jìn)行應急電壓工作模式的試驗時(shí)，輔助變流器不能正常應急啟動(dòng)，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(guò)對輔助變流器柜內控制電壓的功率需求進(jìn)行分析，應急啟動(dòng)電源功率<600W，正常工作時(shí)流過(guò)熔斷器的電流<1A，同時(shí)裝載國際知名品牌Bussman、額定電流10A的熔斷器，其熔斷曲線(xiàn)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(mǎn)足系統要求。在試驗室對應急電源模塊進(jìn)行試驗時(shí)，測試發(fā)現熔斷器的首次上電沖擊電流為43.4A，測試波形見(jiàn)圖4，核對熔斷曲線(xiàn)，在理論上該沖擊電流也不足以造成熔斷器燒損。測試發(fā)現應急電源模塊在得電初期存在較大的沖擊電流，分析廠(chǎng)家給的應急電源模塊的相應電路，發(fā)現其輸入端無(wú)限流電阻，只有并聯(lián)電容，具體的主電路見(jiàn)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(shí)，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(wú)沖擊電流的產(chǎn)生。因此列車(chē)在每天首次正線(xiàn)運行上高壓時(shí)，即存在一次電流沖擊，反復多次可能造成熔斷器斷開(kāi)故障。3.2應用線(xiàn)路分析單端供電方式下，當車(chē)輛過(guò)無(wú)電區時(shí)，車(chē)輛依照慣性行走，不從受電網(wǎng)進(jìn)行取電；當車(chē)輛通過(guò)了無(wú)電區，重新在電網(wǎng)取電時(shí)會(huì )存在一個(gè)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(guò)程中，應急啟動(dòng)電源周期性啟動(dòng)停止，供電線(xiàn)路網(wǎng)壓突變或者合接觸網(wǎng)的瞬間du/dt很大，引起流過(guò)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(zhù)沖擊能量和次數的增加，熔斷器將逐漸老化，造成熔斷器的斷開(kāi)故障。
4解決方法
通過(guò)上述的分析，可以從列車(chē)運行線(xiàn)路電壓、應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(xiàn)路波動(dòng)、上電初期的沖擊電流不足以導致熔斷器的燒損，同時(shí)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(wú)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I(mǎi)2t，提高熔斷器的使用壽命。通過(guò)對以上兩個(gè)方案進(jìn)行對比，方案1實(shí)施簡(jiǎn)單，直接更換相同物理規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(jìn)行批量召回并改造，為了適應現場(chǎng)應用，最終制定了2個(gè)同時(shí)實(shí)施的措施，其一為現場(chǎng)應用的列車(chē)采用更換熔斷器的方式；其二為后續生產(chǎn)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(yǔ)
通過(guò)更換為更大容量的熔斷器后，輔助變流器的應急啟動(dòng)電路均能工作正常，更換到現在，未發(fā)生1例熔斷器燒損故障，徹底解決了該問(wèn)題，為后續地鐵輔助變流器的穩定、可靠應用奠定了基礎。
參考文獻
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