应急电源熔断器故障原因分析论文
摘要：为了解决在地铁蓄电池馈电的情况下，地铁车辆正常工作的问题，在地铁的充电机箱体中增加了应急启动电源，但是应急启动电路前端的熔断器故障率较高，给运营和检修维护带来一定影响。本文从辅助变流器的主电路、熔断器设置原理、以及应急电源模块等方面入手，结合应急电源模块的冲击电流的测试数据，对熔断器的故障原因进行了分析，并提出了解决方法，为后续地铁辅助变流器熔断器的设计选型提供依据。
【关键词】辅助变流器；应急启动电路；熔断器
冲击电流城市轨道交通系统的牵引网是专门给电动车辆供给电源而沿线路铺设的装置，它由正极接触网供电，负极走形回流轨两部分组成。按照IEC和我国规程规定，目前我国地下通道的牵引网普遍采用两种，一种是DC750V接触轨受电，标称电压为直流750V，允许电压波动范围为500~900V，如昆明地铁1号线。另一种是DC1500V架空接触网受电，标称电压为直流1500V，允许电压波动范围为1000~1800V，如深圳地铁11号线。某地铁工程采用DC1500V的供电制式，架空接触网受流的方式，装置的辅助变流器在应用过程中，加载在应急电源模块输入端的熔断器出现了多次烧损故障，给地铁的应用与检修带来了一定压力。通过排查，只有在检修时才能发现熔断器的故障，并且熔断器并不是在辅助变流器输入电路真实短路情况下出现的开路，因此不会给列车的运营带来安全方面的问题，但对产品的可靠性、稳定性方面存在较大的影响。本文主要说明了地铁辅助变流器的工作原理、应急启动电路以及熔断器设置原因、对熔断器的故障原因进行了分析，并提出了相应解决方法，为后续地铁辅助变流器熔断器设置方面的设计选型提供相应思路。
1辅助变流器工作原理
辅助变流器采用典型的DC-AC主电路拓扑结构，将接触网提供的DC1500V电源先经过充电电路实现支撑电容的预充电，待支撑电容电压充到一定值后再闭合短接接触器，再经过IGBT三相逆变、三相变压器隔离滤波后，输出三相四线制交流正弦波电压给列车三相负载供电，同时三相正弦交流电压又给柜内的充电机装置供电，为列车的DC110V蓄电池充电以及DC110V干线负载供电，其主电路原理如图1所示。其中R1为充电电阻、KM1短接接触器、KM2充电接触器、L为平波电感、C为支撑电容、V1~V6为三相逆变模块的IGBT、TR为/Y隔离变压器、ACC为三相交流滤波电容、U/V/W/N为三相四线制输出电压、110+/110-为充电机输出DC110V电压。
2熔断器设置原理
2.1熔断器特性
熔断器内部结构布置一般由纯银熔体和石英砂填料组成，其中纯银熔体为99.99%的纯银，石英砂的纯度应采用97%以上的成分，并带接近圆形颗粒的海沙。为一种保护电路及实现设备安全运行的保护器件，其工作原理是当被保护电路的电流超过规定值并维持一定时间后，熔断器熔断实现电路的中断，从而起到保护作用。熔断器对需要保护的电路有着非常重要的作用，当熔断器需要熔断时而未熔断，电路中的电流不能别切断，被保护电路可能会因为过大的电流流过而损坏电路相应器件；另外当熔断器流过的电流非短路电流时，熔断器发生了熔断，使得被保护电路的不能正常工作，影响了设备的使用。
2.2熔断器的设置
一般情况下，地铁辅助变流器的DC110V控制电源由列车蓄电池进行供电，一旦列车进行库检、月检等相关维护保养时，可能造成DC110V蓄电池馈电，只能通过外接DC110V充电机给整列车的蓄电池充电，蓄电池电压达到一定值并满足整车控制电源的需要时，断开外接的DC110V充电机，直接启动辅助变流器实现对蓄电池的充电。对于出现了蓄电池馈电，地铁运营公司不但增加了相关设备成本，并且维护存在非常的不便。为了解决上述问题，辅助变流器设计中增加了应急启动电路，在存在蓄电池供电的情况下，应急电源模块工作在空载模式，即不给柜内的控制机箱供电。在蓄电池不能正常的情况下，即在列车蓄电池严重馈电（列车的110V蓄电池不能给整列车提供满足要求的控制电源）的情况下，通过启动辅助变流器柜内的应急电源，给辅助变流器的控制机箱供应DC110V电源。当列车存在DC1500V的高压，同时辅助变流器的控制电压正常的情况下，会立即启动辅助变流器，辅助变流器正常工作后，安装在柜内的DC110V充电机即能正常工作，对蓄电池进行充电同时给DC110V干线提供稳定的DC110V电源，实现列车的正常运行。应急电源模块的标称输入电压为DC1500V，内部采用DC/DC变换实现DC110V的输出，当应急电源模块内部出现短路或器件损坏时，可能将直流干线DC1500V短路，造成直流干线不能正常供应DC1500V电源，产生整个线路上列车不能正常运行的严重后果。为了规避该问题，需要在应急电源模块的前端设置了熔断器，当应急电源模块内部出现短路的严重故障时，通过熔断器的断开达到保护主电路的功能，增加熔断器的`主电路如图2所示。其中FU为直流熔断器，其他的代号说明与图1一致。
3熔断器烧损原因分析
2017年4月11日，深圳地铁11号11071车在做库内实验时无法紧急启动，经株机查线正常后，下车测量我司充电机箱体应急启动熔断器发现不导通，进一步分析发现充电机紧急启动电源模块故障，随即更换。列车在进行应急电压工作模式的试验时，辅助变流器不能正常应急启动，将电源模块和熔断器更换后，辅助变流器的应急功能才能发挥应有的作用。3.1应急电源模块分析通过对辅助变流器柜内控制电压的功率需求进行分析，应急启动电源功率<600W，正常工作时流过熔断器的电流<1A，同时装载国际知名品牌Bussman、额定电流10A的熔断器，其熔断曲线如图3所示。由于正常流出熔断器的电流不到1A，因此10A熔断器满足系统要求。在试验室对应急电源模块进行试验时，测试发现熔断器的首次上电冲击电流为43.4A，测试波形见图4，核对熔断曲线，在理论上该冲击电流也不足以造成熔断器烧损。测试发现应急电源模块在得电初期存在较大的冲击电流，分析厂家给的应急电源模块的相应电路，发现其输入端无限流电阻，只有并联电容，具体的主电路见图5，其中图5中的C表示滤波电容。当DC1500突然加在应急电压模块上时，相当于将DC1500V电源直接加载在电容两端，未设置限流电阻的情况下，其冲击电流较大，当电容的电压建立后，几乎无冲击电流的产生。因此列车在每天首次正线运行上高压时，即存在一次电流冲击，反复多次可能造成熔断器断开故障。3.2应用线路分析单端供电方式下，当车辆过无电区时，车辆依照惯性行走，不从受电网进行取电；当车辆通过了无电区，重新在电网取电时会存在一个电流冲击。熔断器的寿命深受周期的循环变化负载的影响，在使用过程中，应急启动电源周期性启动停止，供电线路网压突变或者合接触网的瞬间du/dt很大，引起流过熔断器电流增大，致使熔断器周期性承受大尖峰电流，不断地冷却和加热熔断器体，造成熔断器的热胀冷缩发生，另外熔断器的寿命与冲击电流的I2t有关，随着冲击能量和次数的增加，熔断器将逐渐老化，造成熔断器的断开故障。
4解决方法
通过上述的分析，可以从列车运行线路电压、应急电源模块的接口电路两方面进行优化，抑制熔断器的冲击电流。具体方案如下：方案1：采用更大容量的熔断器，保证在线路波动、上电初期的冲击电流不足以导致熔断器的烧损，同时要求大容量的熔断器在应急电源模块发生真正短路的情况下，能够稳定、可靠的分断，达到保护电源的功能。方案2：针对应急电源模块的输入回路只有电容无限流电阻的情况，在应急电源模块内的输入回路中增加限流电阻，降低输入冲击电流从而减少I2t，提高熔断器的使用寿命。通过对以上两个方案进行对比，方案1实施简单，直接更换相同物理规格而额定电流更大的熔断器，而方案2需要将应急电源模块进行批量召回并改造，为了适应现场应用，最终制定了2个同时实施的措施，其一为现场应用的列车采用更换熔断器的方式；其二为后续生产的应急电源模块增加限流电阻，降低冲击电流的方式。
5结语
通过更换为更大容量的熔断器后，辅助变流器的应急启动电路均能工作正常，更换到现在，未发生1例熔断器烧损故障，彻底解决了该问题，为后续地铁辅助变流器的稳定、可靠应用奠定了基础。
参考文献
[1]IEC60077-5铁路应用机车车辆电气设备第5部分：电工器件高压熔断器规则[S].2003.
[2]李靖.高低压电器及设计[M].北京：机械工业出版社,2016.
[3]单保强,张红江,薛思才等.城轨车辆受流器熔断器的选型研究[J].铁道机车车辆,2014(10):51-54.
[4]王丹,韩振兴,方晓.广州地铁4号线接触轨受流主电路熔断器故障原因分析[J].城市轨道交通,2013(10)：124-126.
【应急电源熔断器故障原因分析论文】相关文章：
9.论文写作分析方法