地鐵用直流斷路器相關(guān)研究

牛晨旭 張金瑞

摘 要：現(xiàn)階段，地鐵已經(jīng)成為了城市中最為便利、快捷的交通方式之一，深受廣大城市居民的喜愛。但是，地鐵供電系統(tǒng)中采用的直流斷路器在某些極端情況下很容易發(fā)生故障，這給地鐵的日常維護(hù)和安全運(yùn)營造成了十分不利的影響。本文從用直流斷路器的運(yùn)行工況介紹入手，著重分析了其在地鐵應(yīng)用中存在故障的原因，并提出了針對(duì)性改進(jìn)建議，以期為我國的交通事業(yè)建設(shè)，提供足夠的理論支持。

關(guān)鍵詞：地鐵；直流斷電器；故障；安全性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.123

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，社會(huì)人口大量聚集在了條件較好的城市地區(qū)，公交車、出租車等傳統(tǒng)城市交通方式已不能滿足社會(huì)居民的出行要求。在這種背景下，地鐵憑借其高效、快捷、舒適的特點(diǎn)，成為了各大城市重點(diǎn)建設(shè)的公共交通項(xiàng)目。但是，作為承擔(dān)地鐵運(yùn)營故障時(shí)斷電跳閘工作的直流斷路器，在經(jīng)過1到2次的故障跳閘后就必須換新，這大大增加了地鐵系統(tǒng)的運(yùn)營成本，并且也不利于地鐵安全運(yùn)行的維護(hù)。因此，開展對(duì)地鐵用直流斷路器的研究工作，對(duì)維護(hù)地鐵供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 直流斷路器運(yùn)行工況概述

（1）電弧的產(chǎn)生與危害。電弧是一種常見的“電氣”現(xiàn)象。當(dāng)開關(guān)暴露在空氣中，且通過電流超出額定值時(shí)，電路開關(guān)的一端會(huì)產(chǎn)生一種高溫、發(fā)光、導(dǎo)電的氣體，這就是電弧。特別說明，電弧的溫度可能高達(dá)幾千攝氏度，對(duì)其臨近設(shè)備有著嚴(yán)重的損害，更甚至?xí)鸹馂?zāi)，最終導(dǎo)致人員受傷和經(jīng)濟(jì)損失。

工作中的直流斷電器，其負(fù)極會(huì)產(chǎn)生向陽極運(yùn)動(dòng)的自由電子。這些電子在運(yùn)動(dòng)途中會(huì)和質(zhì)子碰撞，并在電子初始動(dòng)能足夠大時(shí)，會(huì)使質(zhì)子分離成電子和正離子。最終，電流會(huì)擊穿空間磁場中積累較多的電子和正離子，隨機(jī)產(chǎn)生電弧。所以，地鐵供電系統(tǒng)在應(yīng)用了直流斷電器時(shí)，需要在電路分段處采取一定的措施，避免斷電器產(chǎn)生電弧，保證系統(tǒng)線路的良好運(yùn)行。

（2）交流電弧的特性。相關(guān)研究表明，在交流電電路中，交流電弧的每次過零都會(huì)經(jīng)歷氣壓恢復(fù)和介質(zhì)恢復(fù)兩個(gè)過程。其中，氣壓恢復(fù)是指電弧過零時(shí)，電路被斷開，電源電壓透過中間空隙加載到電源兩端的過程；介質(zhì)恢復(fù)是指電弧中的氣體由導(dǎo)電狀態(tài)向絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。交流電路的電弧熄滅也需要經(jīng)過兩個(gè)過程：點(diǎn)擊穿和熱擊穿。相關(guān)研究表明，當(dāng)交流電弧過零以后，介質(zhì)恢復(fù)程度大于實(shí)際回復(fù)程度，交流電弧才會(huì)正常熄滅，否則會(huì)引發(fā)電路自燃現(xiàn)象。

（3）直流電弧特性。直流電路與交流電路不同，運(yùn)行中沒有電流過零現(xiàn)象的產(chǎn)生，但介質(zhì)恢復(fù)也是直流電弧熄滅的必經(jīng)過程。為了能夠讓直流電弧安全熄滅，我們通常會(huì)結(jié)合斷電器所在環(huán)境選用三種措施，分別是增大直流電弧長度、增大近極壓降、增大電弧電場強(qiáng)度。

2 地鐵用直流斷路器詳解

（1）地鐵供電系統(tǒng)詳解。作為地鐵系統(tǒng)的重要組成部分，供電系統(tǒng)的受電對(duì)象主要分為兩類：一是主機(jī)受電部分，包括主板電路、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的受電；二是輔助受電部分，包括地鐵上的通風(fēng)機(jī)、空調(diào)等設(shè)備的受電。需要區(qū)分開來的是，地鐵的供電系統(tǒng)共有三個(gè)組成部分，分別是高壓電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明供電系統(tǒng)。

特別說明，供電系統(tǒng)的高壓電源系統(tǒng)的供電方式共有三種，分別是集中式供電、分散式供電、混合式供電，地鐵運(yùn)行系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)供電方式進(jìn)行選擇；牽引供電系統(tǒng)包括主降變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、回流線等，各個(gè)部分在地鐵的牽引運(yùn)行中起著不同的作用；動(dòng)力照明系統(tǒng)由降壓變電所和配電線路組成，在為車站區(qū)間照明的同時(shí)還要為地鐵的輔助動(dòng)力機(jī)械（電梯、水泵等）提供電力。

（2）地鐵用直流斷路器易燒損原因詳解。地鐵是以直流電為驅(qū)動(dòng)力運(yùn)行的車輛。在地鐵運(yùn)行系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)用電是最終主要的用電負(fù)載。根據(jù)文章第一部分講解的電弧產(chǎn)生原理可知，在地鐵運(yùn)行中，和電動(dòng)機(jī)關(guān)聯(lián)的直流斷路器會(huì)在負(fù)極電子能量過大時(shí)產(chǎn)生電弧，并且電弧中已經(jīng)聚集了大量的自由電子和正離子，隨著時(shí)間的推移，電弧的能量愈來愈高，最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃可l(fā)出來。在這種情況下，如果電弧的能量釋放強(qiáng)度小于電弧中氣體的釋放強(qiáng)度，電弧中積蓄的能量會(huì)越來越多，也就是電弧無法熄滅，進(jìn)而導(dǎo)致電弧間隙不斷燃燒，斷路器無法正常斷開，并損害臨近設(shè)備。

3 地鐵用直流斷電器的保護(hù)措施

（1）做好直流斷路器的性能分析。雖然每個(gè)直流斷路器產(chǎn)生電弧的原理相同，但是不同型號(hào)的直流斷路器的性能是不一樣的。所以，在地鐵系統(tǒng)建設(shè)初期，詳盡的分析直流斷路器性能，選擇合適的直流斷路器是保證鐵路電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提條件。其中，直流斷路器的具體選擇參考標(biāo)準(zhǔn)有效率性、靈敏性、安全性等。相關(guān)工作人員應(yīng)結(jié)合地鐵電網(wǎng)的運(yùn)行需求，選擇性價(jià)比最高的直流斷路器。

（2）優(yōu)化直流斷路器保護(hù)方案。首先，在地鐵電網(wǎng)線路的布置施工時(shí)，應(yīng)盡量避免直流斷路器過度暴露在空氣中，尤其在變電所出口處采用規(guī)格較高的真空型直流斷路器。其次，工作人員應(yīng)對(duì)直流斷路器廠家的原有控制接線加以改進(jìn)和優(yōu)化，使直流斷路器整體性能得以擴(kuò)充和完善。最后，工作人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地鐵電網(wǎng)系統(tǒng)線路的維護(hù)管理工作，確保供電線路的運(yùn)行質(zhì)量，控制地鐵供電系統(tǒng)的故障幾率。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，地鐵憑借其安全、舒適、便捷的特點(diǎn)已經(jīng)成為我國城市公共交通事業(yè)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。但是，相較于日益膨脹的城市人口所帶來的交通壓力，我國地鐵日常運(yùn)營的維護(hù)能力還是稍顯欠缺的。然而，直流斷電器的創(chuàng)新研究僅僅是地鐵運(yùn)營系統(tǒng)中值得改進(jìn)的重點(diǎn)事項(xiàng)之一。所以，我國城市地鐵事業(yè)的建設(shè)任重道遠(yuǎn)，仍需再接再厲。

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作者簡介：牛晨旭（1990-），女，河南平頂山人，助教，研究方向：控制科學(xué)與工程。