摘要：本文对目前电气化铁道电动隔离开关在运行中发生的，因各种干扰造成的误动，误显示、拒动的原因进行了分析，提出了解决方案。并对试制中存在的问题提出了具体的解决方法和使用效果。

关键词：电动  开关  误动  原因  方案

Reason analysis and solution for misoperation of overhead contact system disconnectors for electrified railways

ChenLiang1  CuiHao2  WangLanHe3

Abstract:This paper analyzed reasons and measures of misoperation, misreporting and non-operation occurred on overhead contact system disconnectors for electrified railways, and proposed idiographic measures to resolve the issues exposed in the trial manufacture.

Keywords:Electric;switch;misoperation;reason;solution  

1．概况

到2015年底我国共有运营铁路12万公里，其中电气化铁路7.2万公里，电气化率达到60%，担负运输任务的80%。为了保证电气化铁路供电安全，在电气化铁路的牵引变电所、开闭所、分区所、AT所进出线上网处，车站股道分段、货场装卸线、机车、车辆检修及整备线、接触网线路绝缘锚段关节、开关站进出线等处使用了大量的27.5kV电动隔离开关。如图1所示

                       图1

为了满足电动隔离开关的远程操作，这些电动隔离开关都纳入了SCADA系统(远动控制系统)。牵引供电系统中使用的远动控制系统主要监控牵引供电系统沿线各牵引变电所、AT所、分区所，开闭所、开关站的设备运行状态，完成对运行设备的遥控、遥测、遥信、遥调、遥视、保护及调度管理工作，辅助完成事故分析及处理。远动控制系统的基本结构如图2所示

图2远动控制系统的基本结构

    远动控制系统由调度端，被控站及信道三大部分组成。

（1）调度端：调度端设在各铁路局调度所内，由调度所电调完成远动对象的监控、数据统计及管理功能等； 

（2）被控站： 完成现场供电设备的就地控制、数据采集、继电保护等功能的自动化系统或装置，包括：综合自动化系统、电力远动终端（RTU）、接触网开关控制屏；

（3）信道：连接铁路供电远动系统调度端和被控站间的数据传输通道称为信道，可分为有线信道及无线信道。 

牵引供电远动控制系统将各牵引变电所、AT所、分区所，开闭所、接触网开关控制屏联系了起来，其控制方式见图3

上网电动隔离开关由接触网开关控制屏来控制，接触网开关监控屏安装在牵引变电所、AT所、分区所，开闭所内。

图3
接触网开关监控屏由屏体、通信管理单元、光纤接口扩展单元、盘控面板、盘控管理单元组成。

牵引变电所 、AT所、分区所接触网开关监控屏控制方式如图4图 5所示

图4接触网开关监控屏正面

图5接触网开关监控屏备面

接触网电动隔离开关是接触网开关监控屏控制的远动终端，远动终端设备（RTU），有两种安装方式，一种是RTU单独设在终端箱内与隔离开关的电动机构箱连接如图6所示。

图6  RTU箱

另一种是RTU在隔离开关的电动机构箱内安装如图7所示，

                 图7带RTU电动机构箱

电动机构需要控制的遥信对象、遥控对象通过RTU进行联接，这些信息经过光电转换后，经过光纤电缆接进接触网开关监控屏再经过通信管理单元传到调度端。调度端根据运行需要完成对接触网电动隔离开关的分闸、合闸操作。

2．目前接触网电动隔离开关在远动控制中存在的问题

随着电气化铁道的快速发展，供电远动技术逐步成熟，可靠性明显提高，但接触网隔离开关远动控制系统依然不稳定，特别是在供电运行中因电磁干扰发生电动隔离开关的误合闸、误分闸、错误显示故障，在接触网故障处理过程中出现电动隔离开关拒动问题。这些问题以成为供电设备运行中的安全隐患。如2015年6月7日京九线济南铁路局济南供电段管理的定陶分区所，电分相电动隔离开关远动终端因受到外界电磁干扰,电动机构错误的将在常开状态下的隔离开关闭合,把电源送入了过分相的无电区,火车司机因不知道过分相无电区已有电,在未降弓的情况下驾驶列车驶入无电区，造成受电弓拉孤, 引起分相两端电源短路,烧断了过分相无电区接触网承力索,造成牵引变电所馈线保护动作断路器跳闸无法送电，影响行车20多列。再如2015年12月15日塑黄铁路线滴流磴牵引变电所馈线上网上行常闭电动隔离开关，因远动终端受到电磁干扰电动机构错误的将在常闭状态下的隔离开关分开，造成滴流磴牵引变电所并联使用的下行馈线断路器过流保护跳闸。滴流磴牵引变电所到侯文方向上下行接触网全部停电，严重影响了铁路运输。经过分析，造成在供电运行中多次发生电动隔离开关的误合闸、误分闸、错误显示、在接触网故障处理过程出现电动隔离开关拒动现象主要原因有以下几个方面。

2.1接触网隔离开关误动作原因

2.1.1操作机构电机电源连接线松动等接触不良故障;

当调度台发出命令后不能执行操作，但操作机构二次回路保持了这个操作命令，在随后运行中，松动的连接线可能恢复，操作命令随即作用导致开关动作。

2.1.2 RTU与操作机构信号控制电缆连线受到干扰，导致开关误动作。

2.1.2.1在海南东环线，发生接触网隔离开关误动后，接触网工区会同相关人员在现场进行测量，停掉外部220V电源后，依然在此连接线处测量到40—90V交流电压。

2.1.2.2  在京沪高铁德州、徐州牵引变电所外接触网隔离开关操作机构箱内空气开关，在接触网故障时经常发生跳闸，从而印证确实有感应电压存在，只不过是干扰了不同的回路。

2.1.2.3  操作机构箱内加热回路经常报非正常工作，同样证实干扰的存在。值得注意的是，还存在另一隐患，如果220V电源火零线接反，RTU出口继电器可能断的是零线，隐患更大，在恶劣天气下，如果连线绝缘降低或瞬间接地，将直接导致发出操作命令。

2.1.3 RTU的装置码地址错误造成开关误动，此现象多发生于新更换RTU后，更换人员不精心、不认真，将装置码地址搞错所致。

2.2隔离开关电动机构拒动

2.2.1  隔离开关电动机构箱内空气开关跳闸造成的拒动：

图8

如图8所示：A1是RTU工作电源断路器、A2是操作机构供电断路器、B1是操作机构电机电源断路器、B2是操作机构二次控制回路电源断路器，四个断路器中任一断路器跳闸，都会导致接触网隔离开关拒动。运行中跳闸最多的是B1开关。此现象多发生于触触网发生故障区段，控制箱受到干扰所致。

2.2.2  电子元器件损坏造成隔离开关电动机构拒动，由于RTU和操作机构箱工作在恶劣的室外，长期受到严寒、酷暑、灰尘、潮气、强电磁干扰、浪涌冲击的环境下，内部电子元器件损坏、失效导致拒动的机率大大提高。

2.2.3  传输通道中断造成隔离开关电动机构拒动，由于光纤故障或者通信设备故障，造成传输通道中断，RTU接收不到控制指令而导致的拒动。造成这类故障原因有以下几个方面。1、负责发送\接收单元的光电转换装置失效。2、因为光缆线路过长以及施工工艺不良导致光纤接头松动, 导致光纤接头存在灰尘。3、运行环境恶劣, 引起通信时断时续。

2.3  接触网隔离开关位置信号误显示

2.3.1变电所综自远动管理机在主备电源切换时误显示。

2.3.2  RTU或操作机构线路板受干扰导致误显示，RTU或者操作机构箱控制回路受到干扰导致遥信误显示。

2.3.3  控制电路元器件损坏或者RTU装置故障误显示会造成调度人员不知所措，如某高铁运行中接触网分相处隔离开关显示合闸，

调度人员马上进行隔离开关分闸操作，但显示操作超时不能分闸，6分钟后，隔离开关又自动分闸，至今不知是隔离开关真的动作还是误显示。

2.4集成控制板故障：在高铁上网电动隔离开关电动机构中，有的生产厂家在控制回路中采用了集成式电路板，由于电路板生产质量不过关，电动机构经常发生电路板烧损故障，造成了电动机构的拒动，影响了牵引供电的可靠性。

综上所述，造成上网电动隔离开关的误合、误分、错误显示、电动隔离开关拒动现象，除施工维修人员工作不认真造成的设备故障外，大量的是设备受到外界各种电磁干扰，运行环境恶劣所造成，据郑州铁路局洛阳供电段统计，郑西高铁洛阳供电段管内自2010年开通至2013年，184台纳入远动系统的电动隔离开关共发生误合、误分、拒动、错误显示的故降58件。严重影响了高速铁路运行安全。

3 解决方案

针对上网远动电动隔离开关存在的问题，铁路总公司在2015年下发了37号文件，提出了对目前使用的电动机构进行改造，为了减少现场环境对电动机构内的器件干扰，提出将原电动机构内的控制部分、RTU从现场电动机构箱内移设到户内接触网电动隔离开关控制屏上，电动隔离开关的电动机构内只保留电动机、减速机、电源转换开关、辅助开关基本结构，称为直控式电动机构。新型直控式电动机构的原理如图10所示。从图10可以看出电动机构内只有电动机、减速机、电源转换微动开关、分合闸位置开关，其它控制器件、远动终端都移设到了接触网电动隔离开关控制屏上。隔离开关的分、合由电源转换微动开关改变电源的正、负极性来完成，隔离开关分、合到位后电源转换微动开关会自动断开操作电源。隔离开关分、合到位后，机构内的分、合闸位置开关对应闭合或分开，给出隔离开关合、分位置信号。

图10

3.1接触网隔离开关直控式电动机构方案

根据铁总运供设备函〔2015〕37 号《关于开展接触网隔离开关控制优化方案试验的通知》文件（一）总体技术方案及（二）接触网隔离开关操作机构实施方案中提出的电机电源用限位开关转换方案和用微型断路器转换方案。在实际施实中各生产厂家采用了不同的电源转换技术方案，如电机电源用限位开关转换方案；微型断路器电源转换方案；铺助开关电源转换方案；双电源转换开关电源转换方案。这四种电源转换方案各有优缺点。用限位开关转换电源方案因限位开关容量较小无法满足使用要求；用电源微型断路器转换方案结构复杂，维修比较困难；利用铺助开关转换电源开关转换电机电源方案结构较为简单、但铺助开关接点容量较小无法满足功率要求：双电源转换开关电源转换方案结构较为复杂，造价较高。而采用微动开关转换电机电源方案，结构较为简单，成本价格较低。

3.2直控式电动机构技术指标

根据国标、铁标对隔离开关及电动操作机构的要求，确定直控式电动操作机构主要技术参数如下：

（1）、安装方式：电动机构户外安装，适应接触网隔离开关安装环境。

（2）、额定电压：DC220V，直流电源稳定且实现正反转简单。

（3）、额定功率：400W，保证4S分合闸时间及输出力矩。

（4）、输出力矩：≥800N*M，保证可靠分合接触网隔离开关

（5）、使用寿命：≥10000次，保证隔离开关及操作机构使用寿命。

（6）、分、合闸时间：≤4S，保证快速分、合隔离开关，减少分、合闸过程中的拉弧现象，避免损坏隔离开关触头、触指。

（7）、辅助触点：1开1闭：配合监控系统，可实现分合闸位置信号扩展，可满足接触网隔离开关对辅助触点的要求

（8）、传动方式：1. 侧出轴 配合垂直打开、 2.上出轴 配合水平旋转打开开关

   （9）、转动角度：90°

（10）、具有些手动操作功能

（11）、遥控及遥信准确率100%。

3.3直控式电动操作机构器件选择

直控式电动操作机构器件主要包括：1、减速机； 2、电机； 3、微动开关等元器件组成

（1）、减速机参数选择：分合闸时间≤4S，减速机输出轴转速≥3.75，根据输出力矩及电机功率确定减速机为40-75两级减速机，40减速机选择为NMRV减速机，减速比10，效率为0.92。75减速机选择为NMRV减速机，减速比40，效率为0.854。两级减速比为10*40=400，两级效率为0.92*0.854=0.786，满足分、合闸时间要求及减速机自锁功能。

（2）、电机选择直流永磁电机，额定电压DC220V，电流2.5A，功率400W。由减速机输出轴转速3.75r/min及两级减速机减速比400，确定电机转速为3.75*400=1500r/min，输出力矩2.55N*M。配置减速机电机可满足转动角度90°即1/4圈，需用时60/(1500/400)/4=4S，满足设计不大于4S的要求。输出力矩为2.55*10*40*0.786=802N*M满足设计≥800N*M的要求。转动主轴采用45#钢，转动主轴与75减速机用两个___键过盈配合且键经过表面硬化处理，可实现800N*M的输出力矩要求。

(3)、微动开关选择：微动开关选择直流型微动开关。

3.4机械传动方案设计思路及实现方法

3.4.1直控式电动机构机械原理及动作过程

                     图11

    操作机构总体结构见图11，机构组成：1）减速机固定板1、2）75减速机、3）减速机固定板2、4）直流电机、5）手动装置、6）40减速机、7）限位块、8）转动主轴、9）合闸压块、10）分闸压块、11）合闸微动开关A、B，合闸位置微动开关、12）内六角螺栓、13）分闸微动开关A、B，分闸位置微动开关、14）微动开关固定块。图11所示分合闸微动开关、分合闸位置微动开关通过螺栓固定在微动开关固定板块上，限位块通过转动主轴与75减速机固定在一起，实现同轴联动，直流电机经过40、75两级减速后，带动限位块转动。

当操作机构处于合闸位置时，合闸微动开关A、B处于断开位，合闸位置微动开关处于闭合位，上传合闸位置信号，分闸微动开关A、B处于闭合位，分闸位置微动开关处于断开位，不上传分闸位置信号。此时若监控系统发出分闸命令后，监控系统内分闸接触器吸合，分闸输出回路得电，由于分闸微动开关A、B处于闭合位，此时电机得电并带动40、75减速机、转动主轴、限位块开始向由合闸位置向分闸位置转动。

当限位块离开合闸压块时，合闸压块在弹簧反作用力下弹出，使合闸微动开关A、B处于闭合位，由于分闸合闸接触器之间具有互锁功能，此时分闸接触器吸合，分闸动作未完成，合闸接触器不可能吸合，电源不可能通过合闸微动开关A、B送达电机，所以不会出现电源短路情况发生。此时合闸位置微动开关处于断开位，合闸位置信号断开。

限位块接近分闸位置后压住分闸压块，并挤压弹簧，直至分闸压块压住分闸微动开关A、B、分闸位置微动开关，使分闸微动开关A、B断开，实现断开电机电源，电机、减速机、限位块、分闸压块停止动作，此时分闸位置微动开关被分闸压块压住并使之处于闭合位，分闸位置微动开关上传机构分闸位置信号，分闸动作完成。此时合闸微动开关A、B处于闭合位，合闸位置微动开关处于断开位，为机构下一次合闸动作做好准备。如下图12所示：

          图12分闸位置时机构限位块及分闸压块位置示意图

反之当操作机构处于分闸位置时，分闸微动开关A、B处于断开位，分闸位置微动开关处于闭合位，上传分闸位置信号，合闸微动开关A、B处于闭合位，合闸位置微动开关处于断开位，不上传合闸位置信号。此时若监控系统发出合闸命令后，电机得电并带动40、75减速机、转动主轴、限位块开始由分闸位置向合闸位置转动。

当限位块离开分闸压块时，分闸压块在弹簧反作用力下弹出，使分闸微动开关A、B处于闭合位，由于分闸、合闸接触器之间具有互锁功能，此时合闸接触器吸合，合闸动作未完成，分闸接触器不可能吸合，电源不可能通过分闸微动开关A、B送达电机，所以不会出现电源短路情况发生。此时分闸位置微动开关处于断开位，分闸位置信号断开。

限位块接近合闸位置后压住合闸压块，并挤压弹簧，直至合闸压块压住合闸微动开关A、B、合闸位置微动开关，使合闸微动开关A、B断开，实现断开电机电源，电机、减速机、限位块、合闸压块停止动作，此时合闸位置微动开关被合闸压块压住并使之处于闭合位，合闸位置微动开关上传机构合闸位置信号，合闸动作完成。此时分闸微动开关A、B处于闭合位，分闸位置微动开关处于断开位，为机构下一次分闸动作做好准备。如图11所示：如此反复动作，实现电动操作机构的分合闸操作。

4 微型开关存在问题的处理

用微动开关作为电机电源的切换设备能否可行。经过对使用一段时间的微动开关进行分解发现，微动开关的触头上出现了不同程度的烧损，分析原因为机构电机工作电源为直流220V，电机功率400W，额定电流2.5A运行电流1.3A，起动电流10A。微动开关型号为RX-10GW22-B3结点容量直流250V时3A，从参数可以看出，这种微动开关是无法切断运行电机回路电流拉孤的。

电弧产生的原因： 当用开关电器断开直流电流时，如果电路电压不低于10—20伏，电流不小于80~100mA，电器的触头间便会产生电弧。 电弧的形成是触头间中性质子被游离的过程。开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高(E = U/d)。当电场强度超过3×10---6---V/m时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。这种游离方式称为：强电场发射。 从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。只要电子的运动速度v足够高，电子的动能A=mv^2足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。这种现象称为碰撞游离。新形成的自由电子也向阳极作加速运动，同样地会与中性质点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导，在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。 触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。同时在高温的作用下(电弧中心部分维持的温度可达10000℃以上)，气体中性质点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。在开关电器的触头间，发生游离过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。通常灭弧装置采用的灭弧方式有：（1）利用触头的回路本身电动力灭弧；（2）磁吹灭弧；（3）狭缝灭弧；（4）灭弧栅片灭弧；（5）多断口灭弧。 
　　磁吹灭弧的原理在于电弧在磁场的作用下受力而产生运动，电弧被迅速冷却，介质强度迅速恢复，从而使电弧熄灭。磁吹灭弧装置中获得激磁的方法有两种：一种是通过磁吹线圈灭弧，一种是通过永久磁铁灭弧，而磁吹线圈又分为串接激磁和并接激磁两种。 
　　串接激磁法：主要有磁吹线圈、磁吹铁芯、导磁极板和灭弧角等组成。磁吹线圈串联在触头回路中，通过线圈的电流就是电弧电流，线圈电流产生磁通，经铁芯、导磁极板两出头件形成回路，在两触头件产生较强的磁通，电弧在磁场中受力而运动，很快离开触头而导致在灭弧角上拉长和冷却，迫使电弧熄灭。其优点是磁吸力的方向不随电流的方向改变而改变，磁吹的作用力更大；但为了得到一定的磁吹力，就必须增加灭弧线圈的匝数，加大触头开距，结果是增加了铜线的消耗和增大了电器的尺寸。 
　　并接激磁法：它的灭弧磁场强度是有独立的并激线圈产生的，并激线圈内的电流和触头上的电弧电流无关，优点在于能得到恒定的磁场强度，因而无论在断开大电流或小电流都没有串激磁吹力的过多与不足；缺点是具有方向性，即触头上的电流反方向时，磁吹力的方向也相反，往往引起熄灭的困难和灼伤电气零件。 
　　在大容量直流开关、直流接触器灭弧中主要采用磁吹灭弧方式，在微动开关上如何实现灭弧采用以上方法是无法实现的。如何进行灭弧，根据磁吹灭弧方式知道灭弧是由磁场决定的，那么在微动开关中安装上永磁电磁铁不是也能起到灭弧作用吗？永磁电磁铁产生灭弧磁场，其工作原理和并接激磁法相同，其主要缺点是具有方向性，但同时具有更多的优越性：（1）无需为装置灭弧线圈而使结构复杂，灭弧系统的结构可以简化；（2）不受网络电压波动而影响灭弧的磁场强度；（3）没有电能损耗；（4）在某些结构中可以缩小触头的开距。这种灭弧方法也称为恒磁磁吹灭弧。

为了解决微动开关容量不够的问题，在微动开关灭弧功能的设计时在微动开关断口处安装了永磁电磁铁，由永磁电磁铁产生的磁力将开关断开时产生的电弧吹断完成灭弧。新的微动开关经过电流开断试验效果明显满足了使用要求，解决了普通微动开关切断电流容量小的问题。

5使用效果

根据铁路总公司2015年37号文件所研制的电气化铁路接触网电动隔离开关直控式电动机构，经过型式试验及现场使用达到了文件的技术要求，电动隔离开关误动作、误显示，拒动作问题得到了改善，效果明显、提高了牵引供电的可靠性。

编辑：《电源工业》杂志