地鐵用直流斷路器相關研究

李蘇隴

摘 要：現如今地鐵已經逐漸變成城市中一種重要的交通工具，其無污染且快捷的特點深受廣大市民的喜愛。為保證地鐵的正常運行和乘客的旅途舒適性，地鐵車輛所使用的高速斷路器一般為直流式斷路器，但是在特殊情況下亦會出現損壞地鐵設備的情況。該文簡要分析國內外直流高速斷路器研究情況，分析直流斷路器運行工況，最后簡單介紹地鐵供電系統中的直流斷路器，為讀者提供更有價值的參考信息。

關鍵詞：直流斷路器 大電流 小電弧 地鐵

中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0016-02

近些年，隨著國家大力推行城鎮化建設，城市規模逐步擴大，城鎮人口逐步增多。同時國民生活水平也在同步的提升，高效、快捷、舒適的公共交通成為各大中城市發展的方向。另一方面，傳統的公共交通工具-公交車、出租車也原不能解決遠距離的運輸問題，因此新型軌道交通工具也越來越深受到城市市民的喜歡。從上世紀開始城市軌道交通在上海、北京等大型城市首先得到快速發展。但是，我國對地鐵車輛核心部件系統的研究還較少，技術不成熟，其中地鐵的供電系統還存在著諸多不足的地方，受到人們的普遍關注。據調查，現在地鐵基本以直流電流供電為主，直流高速斷路器在地鐵中起著電路通斷、保護電路的作用，該文對此進行闡述，期望更多的人了解這些。

1 國內外直流斷路器發展情況

現在人們生活中處處離不開電器，為保證人們的使用安全，直流斷路器是各大型用電設備必須有的電流控制及保護系統，其重要性在地鐵、船舶等得以顯著體現。因此，國內外許多企業均很重視斷路器的研究，上世紀初，美國電氣公司的專家合力研究出了直流斷路器，并在一些相關設備上使用，比如用于熱核聚變實驗的直流斷路器。上世紀中后期，歐洲的一些學者研究出了適用于海上聯絡線的直流斷路器，并且在使用中表現良好。同時日本一些學者也很重視直流斷路器的研究，東芝、日立、三菱等公司都有相關的產品問世。我國一些開關制造公司在積極引進國外先進技術的同時，也不斷創新，國產的斷路器也有出現，但是知識產權不屬于中國，隨著其重要性的不斷突出，我國諸多專家學者加大了對直流斷路器的相關研究。

2 直流斷路器運行工況分析

2.1 電弧的產生和危害

一般電路開關是暴露在空氣中的，當電流超過一定的值以后，電路開關的一端會產生溫度高、發光和能導電等弧形氣體，其被稱為電弧。直流斷路器在運行中，陰極端會發射出自由電子，電子在電磁場的作用下向陽極移動，和質子發生碰撞，如果電子發射的速度足夠高，電子動能足夠大，在與質子發生碰撞時，會使質子分離成電子和正離子，當電磁場中蓄積足夠多的電子和正離子以后，電流擊穿介質形成電弧。

電路開關中形成的電弧會造成嚴重問題，因為電弧的溫度可以達到幾千攝氏度，在如此高的溫度影響下，會導致與其相近的設備受到損害，甚至會導致火災的出現，導致人員傷害以及經濟損失。所以，在向有開關等觸頭的設備供電時要考慮電弧的相關問題，尤其是高壓配電方面更需注意。在地鐵的直流供電系統中也需要重視電弧問題，必須在各個電路分斷的斷路器處避免電弧的出現，從而防止其中的線路被燒斷，維持地鐵運行安全。

2.2 交流電弧的特性和熄滅原理

據調查，所有的交流電弧開關是在電流過零時被斷開，每次電弧過零都會伴隨著氣壓恢復和介質恢復兩個過程，介質恢復過程主要是指電弧中的氣體從介質狀態轉變成絕緣的狀態，但是電弧不會出現自燃情況，氣壓恢復是指熄弧后電路將被開斷，電源電壓加到弧隙兩端觸頭上的過程。斷路器的電流過零以后，因為電弧間隙的電阻大小不同，電弧熄滅需要經過點擊穿和熱擊穿兩過程。經過研究發現，交流電弧熄滅需要在交流電流過零以后，電弧間隙中的介質恢復強度大于實際恢復強度，如果不能滿足這一要求會造成電路自燃現象。

2.3 直流電弧的特性和熄滅原理

地鐵的交流供電系統中，電流變化每一周期中會出現兩次過零情況，交流斷路器就是運用這一特點達到電弧間介質恢復，但是在直流斷路器中不存在電流過零情況，電弧間的介質恢復可以通過限制電壓等措施來完成，增大近極壓降、增大電弧長度和增大弧柱電場強度是最為有效的3種方式，這3種方式也要結合具體的環境進行運用。

3 地鐵供電系統中的直流斷路器

3.1 地鐵供電系統概況

供電系統作為地鐵上維持地鐵正常運轉的重要組成部分，其可分為兩個部分，

地鐵上的供電系統是維持地鐵正常運行的重要環節，地鐵上的供電系統可以分為兩大部分，一部分是為維持地鐵運行的主機供電，例如發動機、主板電路等，另一部分主要為地鐵上的空調、通風機等供電，為乘客創造更為舒適的搭乘空間。城市地鐵的供電系統有三個部分組成，一是供電方式與城市地鐵路線結構相關的高壓電源系統，二是保持地鐵運行方向正確而供電的牽引供電系統，三是為地鐵內部供電的動力照明供電系統。

我國各個城市的電網發現情況各不相同，地鐵路線建設也有所不同，高壓電源系統建設的結構和供電方式存在等級制度。其主要存在集中供電和分散供電兩種方式，集中供電就是向主機供電，維持地鐵正常運行，其他的電流也相應的為牽引供電系統和動力照明供電系統供電，分散式供電是根據地鐵用電情況，設置多個供電點，為各個設備進行供電。

3.2 地鐵牽引供電系統中直流斷路器易燒損原因分析和解決措施

現階段地鐵運行是由直流電流驅動的，因此其最主要的負載是地鐵電動機，與電動機相關聯的斷路器可以形成電弧，電弧中儲存大量的自由電子和正離子，不斷聚集能量，當其達到一定的量以后就會出現燃燒現象，只有將電弧間隙中的能量全部釋放才能熄燃，斷路器才能斷開，不然電路中的電壓會持續上升，損壞其他設備。另外如果安裝的斷路器無法進行滅弧，會在電弧間隙不斷出現燃燒，斷路器無法斷開，損壞其他設備。因為電弧間隙中能量的大小與其電感成正相關，因此在選擇直流斷路器時要充分考慮電弧產生因素，調節電感強度，盡可能避免能量過剩現象。

4 結語

我國正在推行城鎮化發展戰略，城市人口激增，一種舒適便捷，污染少的交通工具最能被人們所接受，地鐵客運量大，不出現堵車情況，發展速度快，但是我國地鐵發展時間較短，瑕疵量多，雖然各大城市具備檢修和維修人才，但是費用高、不經濟是人們亟待解決的難題，本文主要介紹地鐵供電系統和斷路器的相關信息，這些層面教淺，需要更多的學者參與研究，其研究的意義也是重大的。

參考文獻

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