SS4型电力机车主断路器检修系统优化设计与实现

SS4型电力机车主断路器检修系统优化设计与实现

刘洋

中国铁路呼和浩特局集团有限公司包头西机务段 内蒙古自治区包头市 014010

摘要：为了保证铁路运输的安全和机车质量的稳定，机车的检修任务逐渐增加。SS4电力机车在包头西机务段担负着包兰线、集张线等250多对货物列车的运输任务。主断路器是SS4电力机车可靠运行的关键部件，起着机车总开关和主保护电器的作用。现有的主断路器试验台只能检测真空和空气，不能检测永磁主断路器。而且测试的线路设备种类较多，设备更换需要频繁插拔，存在插头易磨损老化等问题。在详细分析现有主断路器工作原理的基础上，针对检测型号不全、线路接口不一致等问题，提出了优化设计方案，并对试验台的设备进行了改造，以满足车间的实际生产需要，取得了实质性的效果。

关键词：主断路器;试验台;检修系统;电力机车；

通过加装中间继电器,解决了主断路器试验台DC110V和DC12V隔离问题,增加了永磁主断路器检测功能;并在此基础上加装了切换开关和插座,统一了真空、空气、永磁3种类型7个型号的线路接口。通过主断路器检修系统的优化设计,有效解决了永磁主断路器中修、临修下车不能检测试验的问题,统一了不同型号主断路器的线路接口,完善了试验台功能,在节支降耗上发挥了重要作用。

一、概述

断路器是机车的主要部件，由于机车使用25 kV单相工频交流电，为了保证三相供电负荷的平衡，提高电力系统利用率，电力机车每行驶一段距离需要进入分相区进行换相。机车经过分相区前需要断开主断路器，依靠惯性通过分相区后再闭合主断路器。因此机车主断路器动作频繁，达到20 000次/a，动作时间为20～60 ms，电磁操动机构需要较大励磁电流，常用电容作为断路器的储能装置。频繁的大电流充电降低电容使用寿命，不仅会增加维修次数，而且电容容量变化会导致同等充电电压下分/合闸线圈励磁电流变化，机构电磁力也会明显变化，动作时间改变，为同步分/合闸技术增加难度。通过对储能电容充电电流的控制能够提高机车断路器储能电容的寿命，在保证机车分/合闸安全可靠的前提下减少检修次数。针对永磁断路器的分/合闸电容器组的充电方法，国内外学者在PWM控制、全桥串联谐振模型的电容器恒流充电等方面开展了研究，取得一定研究成果。针对现有电容器工频充电存在的不足，提出一种基于全桥串联谐振的电容器恒流充电方法，改善电路品质，提高电容器储能密度。利用开环PWM控制技术，单片机查询表格的占空比方式实现对储能电容的恒流充电。文献利用PWM控制技术实现对储能电容的恒流充电，但具体PWM脉冲则需要人工试验和经验的方式来获得，对实现全闭环精确控制恒流充电效果欠佳。采用BP神经网络PID充电控制技术，可动态调整充电电流以实现分/合闸储能电容恒流充电效果，有效地提高储能电容的工作寿命与可靠性。

二、主断路器现状分析

主断路器安装在电力机车车顶第二顶盖上,连接受电弓与主变压器。闭合时,25kV、50Hz的交流电通过受电弓给电力机车提供电源。当机车主电路发生短路、接地以及辅助电路过载、零压继电器动作等故障时,都可以通过主断路器切断电源,缩小故障范围,降低损失。目前SS4型电力机车主断路器分为大、小底盘两种模式,其中4种大底盘模式包括永磁主断路器、空气主断路器、真空主断路器(BVAC.N9 9型、TDVA-360型)等双电控主断路器;3种小底盘模式包括永磁主断路器、真空主断路器(BVAC.N9 9型、TDVA-360型)等单电控主断路器。主断路器共3种类型7个型号,不同型号的主断路器对应不同的试验线路设备。空气主断路器采用灭弧栅灭弧,由储风缸存满气体,在压缩空气推力作用下进行合、分闸动作。真空主断路器有一个真空管,采用真空灭弧,不需要储风缸,利用电磁阀和电磁铁装置控制电路。两者皆是气动弹簧操作机构,用压缩空气推动操作机构,实现合、分闸动作。永磁主断路器是在真空主断路器基础上研发而成,省去大量复杂的机械传动部件,采用永磁操作机构,真空灭弧,不需要提供空气。相比于气动弹簧操作结构,永磁操作机构采用电容储能方式,由两个并联47 000μF/160V的电解电容工作,提供给线圈驱动铁芯进行合、分闸动作。该操作机构结构简单,无磨耗部件,能够有效降低检修工作量和机车故障率。

三、试验台改造方案实施

1.改造原理。永磁主断路器分合闸动作是靠内部储能电容放电产生驱动电流来完成的,在永磁主断路器检测时,必须给主断路器内部储能电容充电,需要满足试验台内部DC110V电源的持续输出。而试验台只有控制主断路器分合闸信号时才能输出DC 110V,其余时间则输出DC12V检测辅助联锁通断,无法满足永磁主断路器试验台检测条件。针对DC110 V和DC12 V互不兼容的问题,需在控制电路中加入中间继电器进行隔离。大底盘的15芯、16芯为一对常闭联锁接点,小底盘的7芯、8芯为一对常开联锁接点。15芯和7芯输入110V,16芯和8芯连接中间继电器的线圈正极,中间继电器的线圈负极与试验台110V负极相连。低压联锁通断将控制中间继电器吸合。通过将中间继电器的联锁信号输入试验台的低压检测系统,使中间继电器的动作信号与低压联锁的通断逻辑关系保持不变。但两种模式需同时给中间继电器送电,为防止电路迂回,在8芯和16芯到中间继电器的线圈线路中间加装了隔离二极管。检测线路设备按照大、小底盘的不同可以分为两种布线方式。大底盘用13芯插头,小底盘用10芯插头。其中,各芯线号及开闭为SS4型电力机车内部布线线号及开闭。为了统一线路接口,试验台加装了20芯航空插座,将线路设备优化为一条。在插座内部将4芯、10芯、14芯、1 8芯、20芯短接,通过4芯与继电器KA1的常开联锁连接,通过继电器联锁的端子再与切换开关的12#接线端子连接,由切换开关的1 2#端子再与试验台内的控制端子GND(12V的地线)相连,GND则作为检测低压联锁通断的公共端。IO1、IO2、IO3、IO5、IO6、IO7分别作为检测每个联锁通断的通道,当该通道与GND接通时,则试验台操作软件显示界面相应的常开、常闭联锁将变为蓝色,说明相应的低压联锁信号接通。插座内只有11芯、12芯空线。同时,试验台加装了底盘模式切换开关,其中左挡是切换大底盘模式,接通大底盘主断路器控制电路;中间是空挡,全部断开;右挡是切换小底盘模式,接通小底盘主断路器控制电路。

2.设计实现。在试验台正面加装底盘模式切换开关,侧面加装20芯航空插座,内部加装中间继电器。底盘模式切换开关如图 1 所示,20 芯航空插座如图 2 所示。中间继电器如图 3 所示。

图 1 底盘模式切换开关      图 2 20 芯航空插座             图 3 中间继电器

四、测试

试验大底盘双电控主断路器,机车选择SS4G型,主断路器选择TDZ1A-2 5 0型,切换开关打在大底盘位置。当主断路器在断开位时,联锁接通为常闭、联锁断开为常开。合闸时,主触点和隔离触点接通,低压联锁动作,IO1信号显示蓝色。分闸时,主触点接通,隔离触点断开,低压联锁不动作,IO2、IO3、IO5、IO6信号显示蓝色。试验电压为106.9 V,试验气压为874.5kPa,固有合闸时间为70.6 ms,固有分闸时间为19.1 ms,延迟时间为42.1 ms。试验小底盘单电控主断路器,机车选择SS4G型,主断路器选择BVAC.N9 9(小)型,切换开关打在小底盘位置。合闸时,主触点接通,低压联锁动作,IO3信号显示蓝色。分闸时,主触点断开,低压联锁不动作。IO1、IO5、IO7信号显示蓝色。IO2的5芯~1 2芯常开、IO6的1 8芯~19芯常闭属原错误,多余不用。试验电压为1 0 6.9 V,试验气压为88 7.8 kPa,合闸时间为35.5 ms,分闸时间为36.3 ms。

总之，本次试验台改造统一了主断路器试验台线路接口,简化了操作步骤,提高了检修工作效率。同时增加了永磁主断路器的检测功能,满足了空气、真空和永磁主断路器3种类型7个型号的检测。永磁主断路器不用返厂检修,保障了SS4型电力机车及时交付。车间无需购买新型主断路器,减少了支出成本,同时为节支降耗做出了贡献。改造后的试验台在原有的操作软件上进行主断路器的试验,操作界面和方式未曾改变,使检修员更容易上手。该设计确保了机车检修任务的顺利完成及配件的检修质量,具有良好的经济效益。

参考文献：

[1]王萍.浅谈SS4型电力机车主断路器检修系统优化设计与实现.2022.