轨道交通应用中如何选用直流熔断器(保险丝)?
在电力轨道交通系统上,许多地方需要熔断器(保险丝)保护,以切断直接故障电流。典型的例子包括主回路、再生直流变频器、交流变频器、辅助回路空调、照明等回路)、撬棒系统(用于制动直流电机)。
在直流回路的保护应用中,必须根据时间常数L/R(L为回路电感值,尺为回路电阻值)来确定电压。轨道交通应用的直流熔断器(保险丝)所应对的时间常数和过电流范围很大。设计良好的直流熔断器(保险丝)提供了燃弧所需的足够长度,并能经受住燃弧所产生的巨大压力。直流熔断器(保险丝)在耐受燃弧带来影响的同时,还保持了相对紧凑的熔断器(保险丝)外形尺寸。
选用熔断器(保险丝)的目的
在很多地下轨道交通系统中,列车的推进电路都采用三轨受流器的直流供电模式。受流器的基本组成部分就是集电靴和直流熔断器(保险丝)。而在其他一些轨道交通系统中,列车的推进电路往往采用受电弓的直流供电模式。在接近受电弓处会有熔断器(保险丝)箱,内部装有直流熔断器(保险丝)。
通常,该种熔断器(保险丝)的任务是保护人身和设备,以避免由于连接受流器(或受电弓)和推进电路的电源电缆绝缘问题造成的损害及由于电机故障造成的损害。如果没有熔断器(保险丝)保护,将会导致严重的火灾。
轨道交通的安全要求决定了必须采用管型熔断器(保险丝),并要求完全密闭地进行保护动作。
2 熔断器(保险丝)的选择方法
确保准确选择直流熔断器(保险丝)的条件有:被保护电路的参数;熔断器(保险丝)的直流特性数据;及熔断器(保险丝)的所有工况条件。
列车与变电站之间的距离决定了故障回路的时问常数和相应的故障电流幅度。因此,安装在二轨受流器或受电弓内的直流熔断器(保险丝)需切除不同种类的故障,如:小幅过载电流、最大能量分断并伴随很大的时问常数)及很高的故障电流(至80kA)。
当直流回路选用熔断器(保险丝)保护时,必须获悉回路相应的电气参数:针对所有可能故障的时间常数L/R和电压U,故障电流的最大、最小值,I2t电流峰值等。
选用熔断器(保险丝)还需考虑所有和其额定电流选择有关的条件,如:最大环境温度(因受熔断器(保险丝)箱的影响,通常接近600C或650C),周期性负载或更稳定的负载;长时间过载,短时过载必须不损害熔断器(保险丝)(通常需用通过断路器分断)。这些条件是正确选择熔断器(保险丝)的基本要素。
2.1 额定电压的选择
安装在受流器处的直流熔断器(保险丝),其额定电压必须结合不同时问常数和工作电压值来选定。大多数三轨系统都采用以下两种方案之一:① 直流600V±20% ,时间常数L/R≈60ms,但有时会达到100ms。最大电压可达750V(见注(1))。② 直流750V±20%,时间常数为60ms,但有时会达到100ms。最大电压可达1050V(见注(1))。
安装在受电弓处的直流熔断器(保险丝),其额定电压必须结合不同时间常数和工作电压值来选定。大多数受电弓系统都采用以下两种方案之一:① 直流1500V±20%,时间常数L/R≈50ms,最大电压可达2100V(见注(1))。② 直流3000V±20%,时间常数L/R≈50 ms,最大电压可达3900V见注(1))。
注(1):当前最大电压甚至超过了额定电压的+20%。这是由于电机制动的再生能,因此,无须根据此电压来确定额定电压。当故障发生时,电压控制会迅速动作,故障电压也会避之下降。这点需要和三轨系统设计方确认。
注(2):由于故障电机和下一个变电站之问的距离随时在变化,其相应的时间常数也随之变化。在穿越一个变电站时,虽然电压很高,但故障电流也很大,熔断器(保险丝)仍能在时间常数很大度的情况下分断故障。
2.2 额定电流的选择
(1)负载的周期变化
电流随着列车的重复性启动、加速、匀速、制动和停车而周期变化。向动车输送的总电流有效值,的典型周期如图2所示,该电流由2个受流器分担(2个熔断器(保险丝))。在计算熔断器(保险丝)额定电流时,要考虑熔断器(保险丝)箱内的最大环境温度,熔断器(保险丝)寿命内的周期变化情况,两个并联集电靴之问的均流情况,在t2～t1 时间段内的过载电流I1。
在该例中(见图1和图2),Irms= I1+I2。
熔断器(保险丝)的额定电流为:
式中,m为同一侧两个受流器的电流均流系数;
A1为环境温度系数;
A3为恒定电流系数;
C1为连接系数。对于此种应用,熔断器(保险丝)有时需要在一个受流器不工作的条件下工作数小时乃至一整天。此时,熔断器(保险丝)额定电流IN满足Irms<=In<=1.25Irms
(2)与断路器的配合工作
与断路器的配合分两种情况:一是和变电站直流断路器的配合,二是和车内断路器的配合。
熔断器(保险丝)额定值可依据以下条件计算:①计算由断路器限制的电流波形有效值IRMS(见图3);②通过熔断器(保险丝)降额使用的系数Cf3计算电流Imin,Imin=IRMS/0.75;③复核熔断器(保险丝)时间电流特性曲线,确认熔断器(保险丝)在时间tCB(断路器在遇到故障电流时的动作时间)的弧前电流IFUSE(见图4),IFUSE>=Imin;④当前3个条件都得以满足,直流断路器动作时,熔断器(保险丝)不动作。
注:(1)由于配合需要,有时所选择的熔断器(保险丝)额定电流要高于通过正常负载计算所得的额定电流值;(2)熔断器(保险丝)的保护目的是分断断路故障或断路器和熔断器(保险丝)之问的电缆绝缘故障。
3 技术应用
直流熔断器(保险丝)的作用是保护设备,必须和集电靴或受电弓紧靠在一起。对于安装在集电靴内的熔断器(保险丝),采用了高密度陶瓷体,并允许在熔断器(保险丝)很小的体积内承受巨大的故障能量。熔断器(保险丝)可完全在其体内完成灭弧,没有任何外部可视现象。
图5显示了针对750V直流系统的受流器、熔断器(保险丝)箱和熔断器(保险丝)组合单元。该熔断器(保险丝)箱可以保护熔断器(保险丝)不受来自外界物质的损害,并防止灰尘累计破坏熔断器(保险丝)端子处的绝缘。熔断器(保险丝)箱延伸到了受流器背后,形成受流器和转向架之问的绝缘层。它与绝缘层为一体化设计,并采用阻燃剂绝缘材料。
