淺述25T型客車DC110V用電終端增設安全保護裝置，增加其故障保護性能的方法

徐承武

（新長鐵路有限責任公司，江蘇 南京 210042）

2004年起，25T型客車開始上線運行，經過長時間的運行考驗，該車型作為160KM/H的運行速度等級車輛，質量可靠性十分突出。但在運行使用當中，也發現一些問題，如DC110V用電設備（照明、指示燈、電氣系統控制回路、車門、伴熱系統等）電路發生故障后，直流空氣斷路器因各種原因或偶然因素不能立即起到分斷、隔離等保護作用，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（動車組）電氣化及自動控制程度的日益提高，采用多重保護的冗余安全措施，確保客車電氣使用安全十分必要。

1 DC110V用電設備的故障保護現狀及存在問題分析

當前，電能的分散和使用方式主要是：機車直供電經電力主干線進入車內四合一控制柜后，分兩路進入車下設備，一路進車下逆變器，逆變成AC380V電能返回控制柜，經各控制和保護器件后供車輛空調使用，另一路進入下整流器，整流成DC110V電能后返回控制柜，經各控制和保護器件（當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備使用，其中DC110V的部分電能在控制柜內也通過直直變壓器降壓后給通信和檢測等設備供電。

設備電氣回路的開關器件主要是接觸器和空氣斷路器，接觸器主要是作為大負載設備的分斷器件使用，本身不具備短路及過載保護功能。空氣斷路器因其具有能在電路中接通、分斷和承載額定工作電流和短路、過載等故障電流，并能在線路和負載發生過載、短路、欠壓等情況下，迅速分斷（繼電）電路，進行可靠的保護等優良特性，在車輛電氣中廣泛采用。

DC110V用電設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間而變化，使得分斷的時候產生的電弧要大，直流空氣斷路器的滅弧能力直接影響其保護能力，如短路或過載需跳閘動作時，空氣開關不能有效滅弧將不能保證有效斷電。

根據現場車輛運用產生的故障情況分析，不能有效斷電的事件時有發生，造成了大電流通過兩相短路發熱，線纜絕緣層熱損、異味等，同時因車輛在運行過程中排查和維修困難，極可能進擴大險情，如線路絕緣層融化、起煙、起火等各種難以確定的后果。據揚州至北京直快列車的故障維修情況分析，發生過運行途中車廂內有膠糊味，當時采取整車斷電、監控運行的方式保持運行到終點站。經查，故障原因為殘疾人廁所有無人顯示器短路，該回路空氣開關未有保護切斷，造成車廂頂部內該設備電源線絕緣層熱損燒融所致。

2 建立和增設多重冗余保護方案，建立高可靠性人機系統

2.1 電源柜內直流空氣斷路器上級串聯增設相匹配的熔斷器，增加雙重短路保護功能

交流空氣斷路器與直流空氣斷路器的區別在于去滅弧性能上。由于交流電在每一個周期都有過零點，在過零點可靠熄弧，而直流電沒有過零點，熄弧性能較差，所以要設置專門的滅弧裝置。這個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。

圖中可以看出，彎曲部分線段用于過載保護，動作電流從1～10倍額定值，動作時間從數十秒到0.5秒。這種特性稱之為反時限保護，意思是電流越大，動作時間越短。黃色線段用于短路保護，稱之為瞬動保護階段，范圍在10～20倍額定值內。具體測定值如圖2所示。

圖中可以看出（直流斷路器主要選用C特性曲線），短路保護階段，瞬動動作仍是有一定時間值的，盡管很短。上述參數為理想冷態工況測定值，直流空氣斷路器在車輛上裝用日久后在性能上會形成損耗，給保護性能或多或少帶來一定的不確定性。熔斷器的特性如圖3所示。

圖1 斷路器時間-電流特性曲線

圖2 各特性曲線斷路器時間-電流特性曲線

圖3右側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左側圖中可見，熔斷時間在電流最小值時需要無限長時間，隨著曲線向右下方伸展，在電流取最大值時熔斷時間迅速減小到毫秒數量級，因為熔斷器能在很小的滅弧空間中分斷極高的短路電流，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和分斷能力。但熔斷器在低度過載情況下時不能熔斷，故不能用于過載保護。

綜上所述，斷路器不但能實現過載保護，也能實現短路保護，且動作后合上即可，使用上便捷，但因短路保護時是電磁脫扣器動作，有一定時間差，與滅弧性能的可靠性直接相關，且機械動作具有不確定性。熔斷器更適用于短路保護，熔體熔斷是物理變化，可靠徹底，但須更換熔體，不易恢復。本著客車安全導向理念，匹配使用熔斷器能夠有效彌補斷路器的不足，防止電氣設備故障的擴大。

當然，在直流空氣斷路器上級串聯增設熔斷器必須注意匹配問題，設計規程要求：斷路器上一級可裝設熔斷器作為保護電器，熔斷器的額定電流大于斷路器額定電流的1.6倍。應嚴格參數選定，防止越級跳閘和越級熔斷，本方案視為冗余保護，易于實現消積被動式的故障安全結構，從而導向安全。

此方法適用于較大電流用電器件如伴熱電路、小功率伺服電機驅動電路、整流回路等。

圖3 熔斷器特性曲線

2.2 采用直流斬波調壓器，降低其供電電壓至安全電壓

利用電子晶閘管實現可控的開關斬波電源是現今電源調壓的發展方向，應用前景十分廣闊，因其功耗小、轉換效率高、重量輕、材料節約等優勢，進行規?；a后，成本低廉。在車輛直流電氣設備中，選取諸如車門氣閥控制器、感應門傳感器、廁所潔廁按鈕等與旅客密切接觸的部件，采取調壓后的42V及以下安全電壓是必要的。

電氣設備使用安全電壓的電源制式經適當的阻抗匹配實現可控的安全電流（10mA）是避免人身觸電傷害的最有效途徑。它的優點在于一是能夠實現以小電壓、小電流控制大電壓和大電流，二是使得電氣設備控制電路易于集成化和模塊化；三是容易實現“積極主動式”的故障安全結構，組成單元發生故障時，一面報警，一面還能短時間運轉。現場維修經驗表明，此種模式維修簡單，只需判明故障板即可快速換件修。

2.3 指示、照明等器件盡可能地采用發光二極管（LED）器件

發光二極管稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，實際工作電壓為2-3伏，功耗也十分小，當前照明器件的驅動模塊均集成在燈具內，安全性十分可靠。

2.4 建立非安全電壓用電設備的電流檢測環節，實時監控報警

使用直流電流互感器對安全電壓以上的直流用電器的電流值進行動態測定，設定報警閾值，聯網至列車監控主機，實時掌握參數變化，跟蹤用電設備運行情況，給維修作出關鍵性的提示，易于消滅故障于萌芽狀態。

2.5 電氣設備封裝材料采用高阻燃和不燃材料，為故障和險情發生筑牢最后防線

3 結語

25T型車作為2004年起用的車型，經長時間運用后，暴露出在直流電氣設備安全性設計上存在一定的不足，本文根據現場維護發現的問題作出闡述，為加強質量控制和安全管理給出一定啟示。