25T型客車DC110 V用電終端增設(shè)安全保護(hù)裝置的方法探討

徐承武 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司新長(zhǎng)鐵路有限責(zé)任公司

2004年起，25T型客車開始上線運(yùn)行，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)，該車型作為160 km/h的運(yùn)行速度等級(jí)車輛，質(zhì)量可靠性十分突出。但在運(yùn)行使用當(dāng)中，也發(fā)現(xiàn)一些問題，如DC110 V用電設(shè)備（照明、指示燈、電氣系統(tǒng)控制回路、車門、伴熱系統(tǒng)等）電路發(fā)生故障后，直流空氣斷路器因各種原因或偶然因素不能立即起到分?jǐn)?、隔離等保護(hù)作用，使得用電器燒損或電線路絕緣層破壞等，給行車安全造成隱患。隨著客車（動(dòng)車組）電氣化及自動(dòng)控制程度的日益提高，采用多重保護(hù)的冗余安全措施，確?？蛙囯姎馐褂冒踩直匾?。

1 DC110 V用電設(shè)備的故障保護(hù)現(xiàn)狀及存在問題分析

當(dāng)前，電能的分散和使用方式主要是：機(jī)車直供電經(jīng)電力主干線進(jìn)入車內(nèi)四合一控制柜后，分兩路進(jìn)入車下設(shè)備，一路進(jìn)車下逆變器，逆變成AC380 V電能返回控制柜，經(jīng)各控制和保護(hù)器件后供車輛空調(diào)使用，另一路進(jìn)入下整流器，整流成DC110 V電能后返回控制柜，經(jīng)各控制和保護(hù)器件（當(dāng)前車輛裝用的為直流空氣斷路器）后供車輛蓄電池和各直流用電設(shè)備使用，其中DC110 V的部分電能在控制柜內(nèi)也通過(guò)直直變壓器降壓后給通信和檢測(cè)等設(shè)備供電。

設(shè)備電氣回路的開關(guān)器件主要是接觸器和空氣斷路器，接觸器主要是作為大負(fù)載設(shè)備的分?jǐn)嗥骷褂茫旧聿痪邆涠搪芳斑^(guò)載保護(hù)功能?？諝鈹嗦菲饕蚱渚哂心茉陔娐分薪油?、分?jǐn)嗪统休d額定工作電流和短路、過(guò)載等故障電流，并能在線路和負(fù)載發(fā)生過(guò)載、短路、欠壓等情況下，迅速分?jǐn)啵ɡ^電）電路，進(jìn)行可靠的保護(hù)等優(yōu)良特性，在車輛電氣中廣泛采用。

DC110 V用電設(shè)備使用的空氣斷路器為直流斷路器。因直流電的特性，線路中的直流電流的大小和方向不隨著時(shí)間而變化，使得分?jǐn)嗟臅r(shí)候產(chǎn)生的電弧要大，直流空氣斷路器的滅弧能力直接影響其保護(hù)能力，如短路或過(guò)載需跳閘動(dòng)作時(shí)，空氣開關(guān)不能有效滅弧將不能保證有效斷電。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車輛運(yùn)用產(chǎn)生的故障情況分析，不能有效斷電的事件時(shí)有發(fā)生，造成了大電流通過(guò)兩相短路發(fā)熱，線纜絕緣層熱損、異味等，同時(shí)因車輛在運(yùn)行過(guò)程中排查和維修困難，極可能擴(kuò)大險(xiǎn)情，如線路絕緣層融化、起煙、起火等各種難以確定的后果。據(jù)揚(yáng)州至北京直快列車的故障維修情況分析，發(fā)生過(guò)運(yùn)行途中車廂內(nèi)有膠糊味，當(dāng)時(shí)采取整車斷電、監(jiān)控運(yùn)行的方式保持運(yùn)行到終點(diǎn)站。經(jīng)查，故障原因?yàn)闅埣踩藥袩o(wú)人顯示器短路，該回路空氣開關(guān)未有保護(hù)切斷，造成車廂頂部?jī)?nèi)該設(shè)備電源線絕緣層熱損燒融。

2 建立和增設(shè)多重冗余保護(hù)方案，建立高可靠性人機(jī)系統(tǒng)

（1）電源柜內(nèi)直流空氣斷路器上級(jí)串聯(lián)增設(shè)相匹配的熔斷器，增加雙重短路保護(hù)功能

交流空氣斷路器與直流空氣斷路器的區(qū)別在于去滅弧性能上。由于交流電在每一個(gè)周期都有過(guò)零點(diǎn)，在過(guò)零點(diǎn)可靠熄弧，而直流電沒有過(guò)零點(diǎn)，熄弧性能較差，所以要設(shè)置專門的滅弧裝置。這個(gè)原因也是交直流斷路器不能通用的原因所在。直流空氣斷路器的安秒特性曲線如圖1所示。

圖1 斷路器時(shí)間－電流特性曲線

圖1 中可以看出，彎曲部分線段用于過(guò)載保護(hù)，動(dòng)作電流從1倍至10倍額定值，動(dòng)作時(shí)間從數(shù)十秒到0.5 s。這種特性稱之為反時(shí)限保護(hù)，意思是電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短。黃色線段用于短路保護(hù)，稱之為瞬動(dòng)保護(hù)階段，范圍在10~20倍額定值內(nèi)。具體測(cè)定值如圖2所示。

圖2 各特性曲線斷路器時(shí)間－電流特性曲線

圖2 中可以看出（直流斷路器主要選用C特性曲線），短路保護(hù)階段，瞬動(dòng)動(dòng)作仍是有一定時(shí)間值的，盡管很短。上述參數(shù)為理想冷態(tài)工況測(cè)定值，直流空氣斷路器在車輛上裝用日久后在性能上會(huì)形成損耗，給保護(hù)性能或多或少帶來(lái)一定的不確定性。熔斷器的特性曲線和熔斷器分?jǐn)喽搪冯娏魇疽鈭D如圖3所示。

圖3 熔斷器的特性曲線和熔斷器分?jǐn)喽搪冯娏魇疽鈭D

圖3 右側(cè)圖中電流使用的是正弦交流電，電流取定的是有效值，而在直流回路中，則取定的恒定的峰值，在此，近似為恒定不變的Id的值。圖3左側(cè)圖中可見，熔斷時(shí)間在電流最小值時(shí)需要無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間，隨著曲線向右下方伸展，在電流取最大值時(shí)熔斷時(shí)間迅速減小到毫秒數(shù)量級(jí)，因?yàn)槿蹟嗥髂茉诤苄〉臏缁】臻g中分?jǐn)鄻O高的短路電流，隨著溫度急劇升高，熔體的熔斷是必然的，所以熔斷器具有很好并可靠的短路保護(hù)和分?jǐn)嗄芰Α５蹟嗥髟诘投冗^(guò)載情況下時(shí)不能熔斷，故不能用于過(guò)載保護(hù)。

綜上所述，斷路器不但能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，也能實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，且動(dòng)作后合上即可，使用上便捷，但因短路保護(hù)時(shí)是電磁脫扣器動(dòng)作，有一定時(shí)間差，與滅弧性能的可靠性直接相關(guān)，且機(jī)械動(dòng)作具有不確定性。熔斷器更適用于短路保護(hù)，熔體熔斷是物理變化，可靠徹底，但須更換熔體，不易恢復(fù)。本著客車安全導(dǎo)向理念，匹配使用熔斷器能夠有效彌補(bǔ)斷路器的不足，防止電氣設(shè)備故障的擴(kuò)大。

當(dāng)然，在直流空氣斷路器上級(jí)串聯(lián)增設(shè)熔斷器必須注意匹配問題，設(shè)計(jì)規(guī)程要求：斷路器上一級(jí)可裝設(shè)熔斷器作為保護(hù)電器，熔斷器的額定電流大于斷路器額定電流的1.6倍。應(yīng)嚴(yán)格參數(shù)選定，防止越級(jí)跳閘和越級(jí)熔斷，本方案視為冗余保護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)消積被動(dòng)式的故障安全結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)向安全。

此方法適用于較大電流用電器件如伴熱電路、小功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、整流回路等。

（2）采用直流斬波調(diào)壓器，降低其供電電壓至安全電壓

利用電子晶閘管實(shí)現(xiàn)可控的開關(guān)斬波電源是現(xiàn)今電源調(diào)壓的發(fā)展方向，應(yīng)用前景十分廣闊，因其功耗小、轉(zhuǎn)換效率高、重量輕、材料節(jié)約等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)后，成本低廉。在車輛直流電氣設(shè)備中，選取諸如車門氣閥控制器、感應(yīng)門傳感器、廁所潔廁按鈕等與旅客密切接觸的部件，采取調(diào)壓后的42 V及以下安全電壓是必要的。

電氣設(shè)備使用安全電壓的電源制式經(jīng)適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ鋵?shí)現(xiàn)可控的安全電流（10 mA）是避免人身觸電傷害的最有效途徑。它的優(yōu)點(diǎn)在于一是能夠?qū)崿F(xiàn)以小電壓、小電流控制大電壓和大電流，二是使得電氣設(shè)備控制電路易于集成化和模塊化；三是容易實(shí)現(xiàn)“積極主動(dòng)式”的故障安全結(jié)構(gòu)，組成單元發(fā)生故障時(shí)，一面報(bào)警，一面還能短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)維修經(jīng)驗(yàn)表明，此種模式維修簡(jiǎn)單，只需判明故障板即可快速換件修。

（3）指示、照明等器件盡可能地采用發(fā)光二極管（LED）器件

發(fā)光二極管稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn),實(shí)際工作電壓為2 V~3 V，功耗也十分小，當(dāng)前照明器件的驅(qū)動(dòng)模塊均集成在燈具內(nèi)，安全性十分可靠。

（4）建立非安全電壓用電設(shè)備的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警

使用直流電流互感器對(duì)安全電壓以上的直流用電器的電流值進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)定，設(shè)定報(bào)警閾值，聯(lián)網(wǎng)至列車監(jiān)控主機(jī)，實(shí)時(shí)掌握參數(shù)變化，跟蹤用電設(shè)備運(yùn)行情況，給維修作出關(guān)鍵性的提示，易于消滅故障于萌芽狀態(tài)。

（5）電氣設(shè)備封裝材料采用高阻燃和不燃材料，為故障和險(xiǎn)情發(fā)生筑牢最后防線。

3 結(jié)束語(yǔ)

25T型車作為2004年起用的車型，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用后，暴露出在直流電氣設(shè)備安全性設(shè)計(jì)上存在一定的不足，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)發(fā)現(xiàn)的問題作出闡述，為加強(qiáng)質(zhì)量控制和安全管理給出一定啟示。