城軌車輛受流器熔斷器的選型研究

單保強(qiáng)，張紅江，薛思才，高鵬飛，張會(huì)青，公丕柱

（1 南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東青島266111；2 青島地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營分公司，山東青島26600）

城軌車輛受流器熔斷器的選型研究

單保強(qiáng)1，張紅江2，薛思才1，高鵬飛1，張會(huì)青1，公丕柱1

（1 南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東青島266111；2 青島地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營分公司，山東青島26600）

分析了城軌車輛受流器熔斷器選型時(shí)應(yīng)考慮的各種因素，介紹了快速熔斷器的應(yīng)用特性，最后結(jié)合天津地鐵3號(hào)線給出了熔斷器計(jì)算方法。

城軌車輛；熔斷器；天津地鐵3號(hào)線；特性曲線

三軌供電的列車通過受流器從三軌取電供車輛使用，受流器的基本組成部分是集電靴和直流熔斷器。熔斷器的作用是在連接受流器和牽引電機(jī)的電纜絕緣問題或是電機(jī)故障保護(hù)人身和設(shè)備安全，如果沒有熔斷器保護(hù)，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)［1］，傷及人身財(cái)產(chǎn)安全。

熔斷器的選擇必須根據(jù)供電的電壓制式、車輛運(yùn)行的正常電流負(fù)荷大小及工作時(shí)間與頻率、車輛超負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間及頻率、列車的編組及受流器的布置情況、三軌斷電區(qū)的最大長度等具體情況進(jìn)行分析計(jì)算［2］。在現(xiàn)有的國內(nèi)三軌供電的城軌交通中，采用電壓制式有DC 1 500 V和DC 750 V兩種，例如廣州地鐵采用的是DC 1 500 V，而北京地鐵、天津地鐵采用的是DC 750 V。在熔斷器選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)不同情況選取不同耐壓等級(jí)的直流型快速熔斷器，在選取快速熔斷器時(shí)要考慮快速熔斷器的特性是否符合要求，同時(shí)還要考慮環(huán)境溫度等情況。

1 快速熔斷器的應(yīng)用特性

快速熔斷器的額定電流是以有效值表示的，一般正常通過電流為標(biāo)稱額定電流的30%～70%。快速熔斷器接頭處的連接狀況直接影響著快速熔斷器的溫升和可靠運(yùn)行，為此必須保持接觸面的平整和清潔。

快速熔斷器的電流通過能力主要受溫升限制。實(shí)驗(yàn)證明，快速熔斷器的溫升低于80℃時(shí)可以長期運(yùn)行，溫升100℃時(shí)制造工藝穩(wěn)定的產(chǎn)品仍能長期運(yùn)行，溫升120℃是電流通過能力的臨界點(diǎn)，若溫升達(dá)到140℃時(shí)，快速熔斷器不能長期運(yùn)行。

另外，快速熔斷器長期在電流波動(dòng)荷載作用下經(jīng)受冷熱周期性變化而引起熔體金屬老化，因此還要考慮此因素對(duì)熔斷器壽命的影響。

2 實(shí)例計(jì)算

天津地鐵3號(hào)線列車的基本配置單元為6輛車編組，采用3動(dòng)3拖，具體編組方式：*Tc·M1*M2·T0*M1·Tc*（其中Tc車：帶司機(jī)室的拖車，T0車：不帶司機(jī)室的拖車，M1、M2車：動(dòng)車；“·”：半永久性牽引桿；“*”：半自動(dòng)車鉤）。受流器配置方案為：第1節(jié)車輛（Tc）配置2臺(tái)受流器，中間3節(jié)動(dòng)車（M）各配置4臺(tái)受流器，第4節(jié)車輛（T0）無受流器，最后第6節(jié)車輛（Tc）配置2臺(tái)受流器。每列車配置16臺(tái)受流器。頭尾兩個(gè)受流器的間距是110.20 m，三軌斷電區(qū)的長度是91.8 m。

配置方案如圖1所示。

2.1 受流器配置與工作情況

整列車配置8對(duì)受流器，在正常情況下，8個(gè)受流器參與工作。

整車VVVF RMS電流：2 400 A（AW2），2 502 A（AW3）

整車SIV電流：480 A

正常負(fù)荷情況下，整車RMS電流：2 880 A

超載負(fù)荷情況下，整車RMS電流：2 982 A

由于8個(gè)受流器平均提供全車的供電，考慮10%電流負(fù)擔(dān)的不平衡，每個(gè)受流器通過的電流

正常負(fù)荷下：2 880×1.1÷8＝396 A

正常負(fù)荷下一個(gè)受流器失效：2 880×1.1÷7≈453 A超載負(fù)荷下：2 982×1.1÷8≈411 A

超載負(fù)荷下一個(gè)受流器失效：2 982×1.1÷7≈469 A

2.2 熔斷器的標(biāo)稱電流計(jì)算

（1）正常負(fù)荷情況下

式中A1為環(huán)境溫度系數(shù)；C1為連接系數(shù)；A′2為周期可變電流系數(shù)。

（2）超負(fù)荷情況下

根據(jù)以上計(jì)算熔斷器的容量為800 A。主熔斷器可選用400 A 750 V DC×2（2個(gè)400 A熔斷器并聯(lián)使用，合計(jì)800 A，根據(jù)需要可以采用管型熔斷器，熔斷器箱采用阻燃劑絕緣材料完全密閉保護(hù)熔斷器不受來自外界物質(zhì)的損害，并防止灰塵累計(jì)破壞熔斷器端子處的絕緣。

2.3 過斷軌區(qū)熔斷器容量核算

（1）受流器通過最大斷軌區(qū)工作狀況分析

最大斷軌區(qū)長度為91.8 m，最外端兩受流器的距離為110.20 m，如果將受流器從前往后依次編號(hào)為1～8號(hào)，則列車在進(jìn)入該最大斷軌區(qū)時(shí)受流器參與工作的變化情況為：1～6號(hào)脫離工作，7、8號(hào)工作，行駛距離12.6 m→1～7號(hào)脫離工作，8號(hào)工作，行駛距離1.12 m→2～7號(hào)脫離工作，1、8號(hào)工作，行駛距離18.4 m→2～8號(hào)脫離工作，1號(hào)工作，行駛距離1.12 m→3～8號(hào)脫離工作，1、2號(hào)工作，行駛距離12.6 m→4～8號(hào)脫離工作，1、2、3號(hào)工作，行駛距離6.92 m。

從以上分析可以看出，在目前受流器的配置條件下，最少時(shí)只有1臺(tái)受流器參與工作，受流器單獨(dú)承擔(dān)全列車供電任務(wù)走行的距離是2.24 m，只有兩臺(tái)受流器參與工作，走行的距離是43.6 m，3臺(tái)受流器參與工作，走行的距離是33.36 m。

由于4臺(tái)受流器參與工作時(shí)的超負(fù)荷電流為822 A（411A×2），不超過1 000 A，依據(jù)800 A特性曲線，額定800 A的熔斷器：1 000 A可以長期工作，2 000 A可維持60 s，3 000 A可維持30 s，4 000 A可以維持5 s，在熔斷器最大工作電流5 040 A下，熔斷時(shí)間約為3 s。因此4臺(tái)以上受流器可以長期工作，因此不予考慮4臺(tái)以上受流器參與工作的電流影響情況。

（2）受流器承載能力分析

熔斷器的性能由熔斷器的時(shí)間/電流特性曲線決定（圖2）。正常工作時(shí)，熔斷器的工作點(diǎn)必須位于特性曲線的左側(cè)。一旦超限，熔斷器將熔斷破壞，以保護(hù)其他用電設(shè)備不至過熱損壞。

2.4 過斷軌區(qū)熔斷器次數(shù)核算

熔斷器經(jīng)受不斷的脈沖沖擊，會(huì)產(chǎn)生熱循環(huán)，從而致使熔絲產(chǎn)生擴(kuò)散、氧化、熱應(yīng)力等，甚至加速。熔斷器將隨著脈沖能量和次數(shù)的增加而漸漸老化。圖3為熔斷器廠家的熔斷器電流比值與使用壽命的關(guān)系，各廠家的熔斷器性能不一樣，因此各廠家曲線也不一樣。

圖4為天津3號(hào)線列車線電流的曲線圖，通過曲線圖可以看出列車在不同速度情況下的線電流，通過受流器的接觸情況，可以算出熔斷器的通過電流和通過時(shí)間，下面分別對(duì)各種工況進(jìn)行分析：

（1）1臺(tái)受流器為列車單獨(dú)工作的走行總距離是1.12 m（由于兩次中間斷開，只能算各1次），不同車速下的運(yùn)行時(shí)間、電流及次數(shù)見表1。

過斷電區(qū)1臺(tái)受流器分析：依據(jù)800 A特性曲線，如果不斷開BHB（母線斷路器）的情況下整列車母線貫通，列車經(jīng)過斷電區(qū)，應(yīng)控制列車為惰行狀態(tài)或控制速度在15 km/h以下或60 km/h以上牽引，如果斷開BHB的情況下，受流器承載列車一半動(dòng)力，無論車輛何種狀態(tài)均可以安全通過最大斷軌區(qū)。

（2）2臺(tái)受流器為列車單獨(dú)工作的走行總距離是43.6 m，不同車速下的運(yùn)行時(shí)間及電流見表2。

過斷電區(qū)2臺(tái)受流器分析：依據(jù)800 A特性曲線，如果不斷開BHB的情況下（整列車母線貫通），列車過斷電區(qū)時(shí)，應(yīng)控制列車為惰行狀態(tài)或控制速度在30 km/h以下或50 km/h以上牽引，如果斷開BHB的情況下，受流器承載列車一半動(dòng)力，無論車輛何種狀態(tài)均可以安全通過最大斷軌區(qū)。

（3）3臺(tái)受流器為列車單獨(dú)工作的走行總距離是33.36 m，不同車速下的運(yùn)行時(shí)間及電流見表3。

過斷電區(qū)3臺(tái)受流器分析：依據(jù)800 A特性曲線，列車過斷電區(qū)時(shí)，無論車輛何種狀態(tài)均可以安全通過最大斷軌區(qū)。

3 結(jié)束語

軌道交通的安全要求決定了先從整車要求計(jì)算熔斷器的容量，然后再從斷電區(qū)核算熔斷器的容量是否合適。

［1］ MULERTT C，黃 軒.軌道交通中直流熔斷器的選用［J］.低壓電器，2009，（11）：54-56.

［2］ 王季梅，何可平.地鐵電力機(jī)車用直流熔斷器的設(shè)計(jì)和開發(fā)［J］.低壓電器，2006，（12）：11-14.

［3］ 薛紅梅，石振森.快速熔斷器的選用及應(yīng)用特性［J］.中國氯堿，2005，（02）：29-31.

Research on Selection of Current Collector Fuse for Urban Rail Vehicle

SHAN Baoqiang1，ZHANG Hongjiang2，XUE Sicai1，GAO Pengfei1，ZHANG Huiqing1，GONG Pizhu1
（1 Technology Center，CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111 Shandong，China；2 Operation Branch，Qingdao Metro Group Co.，Ltd.，Qingdao 266000 Shandong，China）

This paper analyzes the model selection of current collector fuse for urban rail vehicle，introduces the application characteristics of fast-acting fuse，and gives the fuse calculation method with Tianjin metro line 3.

urban rail vehicle；fuse；Tianjin metro line 3；characteristic curve

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.12

1008－7842（2014）05－0051－04

9—）男，工程師（

2014－02－20）