程 軍，尹超準(zhǔn)

0 引言

隨著科技日新月異的發(fā)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(duì)軌道交通的需求與日俱增，無接觸網(wǎng)輕軌、超級(jí)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(yùn)行方式、較低的工程投資深受中小型城市的青睞。

對(duì)于牽引供電系統(tǒng)，工程投資較小的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在采用預(yù)裝式變電站、緊湊型設(shè)備設(shè)施、簡單可靠的接線和保護(hù)系統(tǒng)等。本文著重于無接觸網(wǎng)輕軌、超級(jí)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(hù)快速熔斷器的選型研究。

1 系統(tǒng)概述

我國城市軌道交通無接觸網(wǎng)輕軌、超級(jí)電容有軌電車等項(xiàng)目充電站一般從市政電網(wǎng)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(shè)置防合環(huán)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(jí)電容列車充電的電源制式，其中饋線輸出設(shè)置接觸器、直流快速熔斷器和隔離開關(guān)。站用電部分通過配電變壓器接入低壓配電盤進(jìn)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(fù)荷電流及短路電流

為選擇合適的直流快速熔斷器以實(shí)現(xiàn)直流饋線的保護(hù)，首先需要準(zhǔn)確計(jì)算饋線的最大負(fù)荷電流、短時(shí)沖擊電流以及短路電流。下文以某城市軌道交通工程實(shí)例進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 負(fù)荷電流

超級(jí)電容列車高峰小時(shí)發(fā)車間隔為4 min，超級(jí)電容列車充電電流額定值為1 500 A，持續(xù)時(shí)間為20 s，考慮到上下行列車交替充電取流，4 min內(nèi)有40 s的充電時(shí)間。該運(yùn)行方式為周期性工作制，其負(fù)載曲線如圖2所示。

圖2 周期性負(fù)載曲線

饋線負(fù)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(fù)載占空比，εr= 40/240。

2.2 短路電流

通過短路電流模擬軟件計(jì)算直流饋線線路末端的短路電流值：暫態(tài)短路電流Icc>= 26.2 kA，穩(wěn)態(tài)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(hù)直流系統(tǒng)設(shè)備的熔斷器的使用類別主要有“aR”，“gR”和“gS”3種?！癮R”表示具有部分范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥鳎糜诒Ｗo(hù)半導(dǎo)體器件；“gR”表示具有針對(duì)一般應(yīng)用和半導(dǎo)體保護(hù)的全范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥鳎槍?duì)低I2t值進(jìn)行了優(yōu)化；“gS”表示具有針對(duì)一般應(yīng)用和半導(dǎo)體保護(hù)的全范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥?，針?duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化。

由于gR熔斷器具有全范圍分?jǐn)嗄芰洼^快的動(dòng)作特性，且I2t值較低，因此優(yōu)先使用gR熔斷器用于直流饋線保護(hù)。

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(gè)步驟：

（1）選擇熔斷器的最大工作電壓大于或等于系統(tǒng)最大電壓。

（2）計(jì)算回路的工作電流Ib。

（3）選擇導(dǎo)體的連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)的選型

對(duì)于額定電流為In的熔斷器，流過熔斷器的實(shí)際負(fù)載電流應(yīng)小于或等于工作電流Ib。因此，多個(gè)修正系數(shù)需要考慮，具體如下：

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

該選型方式考慮了眾多因素，選型結(jié)果較精準(zhǔn)，但由于計(jì)算過程中需要輸入多個(gè)條件，在實(shí)際工程應(yīng)用中采用該方式較為復(fù)雜，因此實(shí)際工程應(yīng)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(shí)際中熔斷器選型

在實(shí)際工程應(yīng)用中，IEC 60269-5[2]提出了符合工程應(yīng)用要求的通用計(jì)算方法。熔斷器應(yīng)能將通過被保護(hù)直流饋線的電流在其因溫升而損壞回路導(dǎo)體和絕緣之前分?jǐn)?。直流饋線需要被熔斷器保護(hù)的對(duì)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(diǎn)保護(hù)對(duì)象為直流接觸器。

IEC 60364-4-43[3]關(guān)于熔斷器保護(hù)規(guī)定應(yīng)滿足下列兩個(gè)計(jì)算式：

式中：If為約定動(dòng)作電流。

上述各式中的物理量關(guān)系可由圖4直觀展示。

圖4 熔斷器電流的選擇

對(duì)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(shí)間和電流數(shù)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(yàn)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?jǐn)嗄芰?/h3>

熔斷器的額定分?jǐn)嗄芰Ρ仨毜扔诨虼笥谙到y(tǒng)預(yù)期的最大短路電流。由于短路電流遠(yuǎn)小于50 kA，因此熔斷器具備50 kA的額定分?jǐn)嗄芰κ亲銐虻摹?/p>

3.5 時(shí)間-電流特性

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

圖5 熔斷器對(duì)于不同時(shí)間常數(shù)的動(dòng)作時(shí)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(shù)：直流電阻（20 ℃）R= 0.124 Ω/km；電感L= 0.494 9 mH/km。則回路時(shí)間常數(shù)τ=L/R= 4 ms。

因此，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間曲線應(yīng)選時(shí)間常數(shù)介于1 ms和10 ms之間的動(dòng)作曲線（通常直流熔斷器制造商會(huì)提供針對(duì)不同時(shí)間常數(shù)的不同時(shí)間-電流特性曲線）。

4 結(jié)語

直流快速熔斷器具有成本低、有效限流、快速動(dòng)作等特點(diǎn)，對(duì)于新型無接觸網(wǎng)輕軌、超級(jí)電容有軌電車充電站的保護(hù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。本文通過對(duì)無接觸網(wǎng)輕軌、超級(jí)電容有軌電車充電站饋線回路采用熔斷器保護(hù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，列出了工作電流、短路電流，得到符合直流系統(tǒng)保護(hù)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(yàn)公式流程，對(duì)直流熔斷器在新型無接觸網(wǎng)輕軌、超級(jí)電容有軌電車充電站的應(yīng)用與推廣具有一定的參考價(jià)值。