地鐵用直流斷路器相關研究

牛晨旭 張金瑞

摘 要：現階段，地鐵已經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，地鐵供電系統中采用的直流斷路器在某些極端情況下很容易發生故障，這給地鐵的日常維護和安全運營造成了十分不利的影響。本文從用直流斷路器的運行工況介紹入手，著重分析了其在地鐵應用中存在故障的原因，并提出了針對性改進建議，以期為我國的交通事業建設，提供足夠的理論支持。

關鍵詞：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

隨著我國城鎮化建設步伐的加快，社會人口大量聚集在了條件較好的城市地區，公交車、出租車等傳統城市交通方式已不能滿足社會居民的出行要求。在這種背景下，地鐵憑借其高效、快捷、舒適的特點，成為了各大城市重點建設的公共交通項目。但是，作為承擔地鐵運營故障時斷電跳閘工作的直流斷路器，在經過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的運營成本，并且也不利于地鐵安全運行的維護。因此，開展對地鐵用直流斷路器的研究工作，對維護地鐵供電系統的正常運行具有十分重要的意義。

1 直流斷路器運行工況概述

（1）電弧的產生與危害。電弧是一種常見的“電氣”現象。當開關暴露在空氣中，且通過電流超出額定值時，電路開關的一端會產生一種高溫、發光、導電的氣體，這就是電弧。特別說明，電弧的溫度可能高達幾千攝氏度，對其臨近設備有著嚴重的損害，更甚至會引起火災，最終導致人員受傷和經濟損失。

工作中的直流斷電器，其負極會產生向陽極運動的自由電子。這些電子在運動途中會和質子碰撞，并在電子初始動能足夠大時，會使質子分離成電子和正離子。最終，電流會擊穿空間磁場中積累較多的電子和正離子，隨機產生電弧。所以，地鐵供電系統在應用了直流斷電器時，需要在電路分段處采取一定的措施，避免斷電器產生電弧，保證系統線路的良好運行。

（2）交流電弧的特性。相關研究表明，在交流電電路中，交流電弧的每次過零都會經歷氣壓恢復和介質恢復兩個過程。其中，氣壓恢復是指電弧過零時，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；介質恢復是指電弧中的氣體由導電狀態向絕緣狀態轉變的過程。交流電路的電弧熄滅也需要經過兩個過程：點擊穿和熱擊穿。相關研究表明，當交流電弧過零以后，介質恢復程度大于實際回復程度，交流電弧才會正常熄滅，否則會引發電路自燃現象。

（3）直流電弧特性。直流電路與交流電路不同，運行中沒有電流過零現象的產生，但介質恢復也是直流電弧熄滅的必經過程。為了能夠讓直流電弧安全熄滅，我們通常會結合斷電器所在環境選用三種措施，分別是增大直流電弧長度、增大近極壓降、增大電弧電場強度。

2 地鐵用直流斷路器詳解

（1）地鐵供電系統詳解。作為地鐵系統的重要組成部分，供電系統的受電對象主要分為兩類：一是主機受電部分，包括主板電路、發動機等部件的受電；二是輔助受電部分，包括地鐵上的通風機、空調等設備的受電。需要區分開來的是，地鐵的供電系統共有三個組成部分，分別是高壓電源系統、牽引供電系統、動力照明供電系統。

特別說明，供電系統的高壓電源系統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，地鐵運行系統可以根據實際情況對供電方式進行選擇；牽引供電系統包括主降變電所、饋電線、接觸網、回流線等，各個部分在地鐵的牽引運行中起著不同的作用；動力照明系統由降壓變電所和配電線路組成，在為車站區間照明的同時還要為地鐵的輔助動力機械（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動力運行的車輛。在地鐵運行系統中，電動機用電是最終主要的用電負載。根據文章第一部分講解的電弧產生原理可知，在地鐵運行中，和電動機關聯的直流斷路器會在負極電子能量過大時產生電弧，并且電弧中已經聚集了大量的自由電子和正離子，隨著時間的推移，電弧的能量愈來愈高，最終轉變為熱量散發出來。在這種情況下，如果電弧的能量釋放強度小于電弧中氣體的釋放強度，電弧中積蓄的能量會越來越多，也就是電弧無法熄滅，進而導致電弧間隙不斷燃燒，斷路器無法正常斷開，并損害臨近設備。

3 地鐵用直流斷電器的保護措施

（1）做好直流斷路器的性能分析。雖然每個直流斷路器產生電弧的原理相同，但是不同型號的直流斷路器的性能是不一樣的。所以，在地鐵系統建設初期，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安全運行的前提條件。其中，直流斷路器的具體選擇參考標準有效率性、靈敏性、安全性等。相關工作人員應結合地鐵電網的運行需求，選擇性價比最高的直流斷路器。

（2）優化直流斷路器保護方案。首先，在地鐵電網線路的布置施工時，應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格較高的真空型直流斷路器。其次，工作人員應對直流斷路器廠家的原有控制接線加以改進和優化，使直流斷路器整體性能得以擴充和完善。最后，工作人員應加強對地鐵電網系統線路的維護管理工作，確保供電線路的運行質量，控制地鐵供電系統的故障幾率。

4 結語

現階段，地鐵憑借其安全、舒適、便捷的特點已經成為我國城市公共交通事業的重點建設項目。但是，相較于日益膨脹的城市人口所帶來的交通壓力，我國地鐵日常運營的維護能力還是稍顯欠缺的。然而，直流斷電器的創新研究僅僅是地鐵運營系統中值得改進的重點事項之一。所以，我國城市地鐵事業的建設任重道遠，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：控制科學與工程。