直流饋線快速熔斷器在城市軌道交通的應用選型

程 軍，尹超準

0 引言

隨著科技日新月異的發展，城市軌道交通牽引供電的方式也日趨多樣化。得益于城市軌道交通的快速和便捷性，近些年新興中型城市對軌道交通的需求與日俱增，無接觸網輕軌、超級電容有軌電車等交通方式，雖然載客量不如地鐵，但其靈活的運行方式、較低的工程投資深受中小型城市的青睞。

對于牽引供電系統，工程投資較小的優勢主要體現在采用預裝式變電站、緊湊型設備設施、簡單可靠的接線和保護系統等。本文著重于無接觸網輕軌、超級電容有軌電車整流充電站（下文簡稱充電站）的直流饋線保護快速熔斷器的選型研究。

1 系統概述

我國城市軌道交通無接觸網輕軌、超級電容有軌電車等項目充電站一般從市政電網引入1路或2路10 kV外電源，若引入2路外電源則其相互之間 需設置防合環閉鎖。充電電源部分通過降壓、整流以及變流后輸出適用于超級電容列車充電的電源制式，其中饋線輸出設置接觸器、直流快速熔斷器和隔離開關。站用電部分通過配電變壓器接入低壓配電盤進行配電。典型充電站簡易主接線如圖1所示。

圖1 典型充電站簡易主接線

2 負荷電流及短路電流

為選擇合適的直流快速熔斷器以實現直流饋線的保護，首先需要準確計算饋線的最大負荷電流、短時沖擊電流以及短路電流。下文以某城市軌道交通工程實例進行分析計算。

2.1 負荷電流

超級電容列車高峰小時發車間隔為4 min，超級電容列車充電電流額定值為1 500 A，持續時間為20 s，考慮到上下行列車交替充電取流，4 min內有40 s的充電時間。該運行方式為周期性工作制，其負載曲線如圖2所示。

圖2 周期性負載曲線

饋線負荷電流的長期有效值為

式中：Ipulse為列車充電額定電流，Ipulse= 1 500 A (20 s)；εr為負載占空比，εr= 40/240。

2.2 短路電流

通過短路電流模擬軟件計算直流饋線線路末端的短路電流值：暫態短路電流Icc>= 26.2 kA，穩態短路電流Icc= 16.3 kA。其短路電流波形如圖3所示。

圖3 直流饋線末端短路電流波形

3 直流快速熔斷器選型

3.1 直流熔斷器的類別

用于保護直流系統設備的熔斷器的使用類別主要有“aR”，“gR”和“gS”3種。“aR”表示具有部分范圍分斷能力的熔斷器，用于保護半導體器件；“gR”表示具有針對一般應用和半導體保護的全范圍分斷能力的熔斷器，針對低I2t值進行了優化；“gS”表示具有針對一般應用和半導體保護的全范圍分斷能力的熔斷器，針對低功耗進行了優化。

由于gR熔斷器具有全范圍分斷能力和較快的動作特性，且I2t值較低，因此優先使用gR熔斷器用于直流饋線保護。

3.2 選型原則

直流饋線熔斷器的選型原則主要遵循以下幾個步驟：

（1）選擇熔斷器的最大工作電壓大于或等于系統最大電壓。

（2）計算回路的工作電流Ib。

（3）選擇導體的連續載流能力Iz。

（4）選擇熔斷器的額定電流In，滿足Ib≤In≤Iz。

3.3 額定電流的選擇

3.3.1 標準的選型

對于額定電流為In的熔斷器，流過熔斷器的實際負載電流應小于或等于工作電流Ib。因此，多個修正系數需要考慮，具體如下：

式中：Kt為環境溫度修正系數；Ke為熱連接系數；Kv為風冷修正系數；Kf為頻率修正系數；Ka為海拔修正系數[1]。

該選型方式考慮了眾多因素，選型結果較精準，但由于計算過程中需要輸入多個條件，在實際工程應用中采用該方式較為復雜，因此實際工程應用中通常采用另一種較為簡單的通用選型方法。

3.3.2 工程實際中熔斷器選型

在實際工程應用中，IEC 60269-5[2]提出了符合工程應用要求的通用計算方法。熔斷器應能將通過被保護直流饋線的電流在其因溫升而損壞回路導體和絕緣之前分斷。直流饋線需要被熔斷器保護的對象為饋線電纜、接觸器以及充電桿。由于饋線電纜和充電桿的載流量均大于直流接觸器，因此熔斷器的重點保護對象為直流接觸器。

IEC 60364-4-43[3]關于熔斷器保護規定應滿足下列兩個計算式：

式中：If為約定動作電流。

上述各式中的物理量關系可由圖4直觀展示。

圖4 熔斷器電流的選擇

對于gR型熔斷器，If可由IEC 60269-4[4]獲得，如表1所示。

表1 gR型熔斷器約定時間和電流數值

工作電流Ib即為電流有效值Irms= 612.4 A；接觸器的額定電流為1 250 A。通過式（2）可得，612.4 A≤In≤1 250 A，因此，In可選1 000 A。

通過查表1可得，If= 1.6In= 1 600 A。

通過式（3）可以驗證所選的In的有效性，即(If= 1 600 A)≤(1.45Iz= 1 812.5 A)，滿足要求。因此，In= 1 000 A可滿足熔斷器的選型要求。

3.4 分斷能力

熔斷器的額定分斷能力必須等于或大于系統預期的最大短路電流。由于短路電流遠小于50 kA，因此熔斷器具備50 kA的額定分斷能力是足夠的。

3.5 時間-電流特性

熔斷器制造商提供的平均時間-電流特性給出了熔斷器工作電流的均方根值，該值與穩態條件下的直流值相同。在瞬態條件下，電流瞬時值和有效值可能顯著不同。因此，時間-電流特性取決于被保護回路的時間常數，如圖5所示。

圖5 熔斷器對于不同時間常數的動作時間曲線[2]

以軌道交通常用電纜（150 mm2截面銅芯電纜）為例，其單位電阻和單位電感參數：直流電阻（20 ℃）R= 0.124 Ω/km；電感L= 0.494 9 mH/km。則回路時間常數τ=L/R= 4 ms。

因此，熔斷器的動作時間曲線應選時間常數介于1 ms和10 ms之間的動作曲線（通常直流熔斷器制造商會提供針對不同時間常數的不同時間-電流特性曲線）。

4 結語

直流快速熔斷器具有成本低、有效限流、快速動作等特點，對于新型無接觸網輕軌、超級電容有軌電車充電站的保護具有很大的優勢。本文通過對無接觸網輕軌、超級電容有軌電車充電站饋線回路采用熔斷器保護進行了系統分析，列出了工作電流、短路電流，得到符合直流系統保護的直流熔斷器的類型及特性，并提出了直流熔斷器選型的步驟和原則，提供選型及校驗公式流程，對直流熔斷器在新型無接觸網輕軌、超級電容有軌電車充電站的應用與推廣具有一定的參考價值。