论述地铁电力机车用1900V 400A

直流熔断器的基本要求

王季梅¹   何可平²

（西安交通大学电气工程学院¹  西安 710049

西安西联电器有限公司²  西安 710003）

　

一、前言

近十几年来我国各大城市交通堵塞现象已变得相当严重，为了解决这个问题和同时促进城市的工业发展，唯一的措施是采取发展地铁交通。回顾历史，我国最早建设地铁的城市是我国首都北京，不久有上海、香港、深圳、广州、天津等城市，最近又有南京，为今后建设地铁的城市，如杭州、成都、西安、武汉、大连、沈阳、青岛、哈尔滨、郑州、苏州等建设地铁进一步打下基础，使建设费用降低和质量提高提出以下建议。希望我国今后将成为建设地铁的国际大国。建议的要点是通过有规划地建设城市地铁过程中能同时建立一支强大的专业化队伍和集团公司等为实现地铁工业工程科学化创建条件。据了解我国已有不少大专院校，如西南交通大学早已设置有电力机车研究的专业，西安交通大学设置有电器制造专业，还有上海同济大学的电器专业等，这样，可以联合组织起来与我国电力机车研究单位和制造工厂共同来完成我国地铁工业工程的大发展，并在不久将来可打入国际市场为全世界全球服务和作出更大的贡献。

本文主要是论述保护地铁电力机车用的1900V、400A的直流熔断器的基本要求、工作原理、主要参数的分析和试验项目简介，以推动我国制造国产特优品牌的直流熔断器以脱开长期依赖进口产品作为起始点。

二、电力机车上用直流熔断器的基本要求

直流熔断器是一种保护电力机车有效、可靠和安全运行最经济的保护电器之一。因此在设计和制造优质的直流熔断器产品前必须对电力机车电气回路的参数作全面了解，使设计的直流熔断器各项性能指标能尽可能配合电气回路参数的各项要求。

配合回路的主要参数有：

（1）大时间常数L/R下的开断要求，以便能可靠地在最大电弧能量下的电流的可靠开断；

（2）在运行条件下的直流工作电压的变化过程中能耐受最高工作电压出现的能力；

（3）满足在大宽广范围的过电流下获得可靠开断的能力。

三、直流熔断器与交流熔断器熄弧原理的对比

直流熔断器与交流熔断器都属于限流熔断器的范畴，并在基本结构上也是十分相似的，但在开断电流过程中有很大差别，他们之间的主要差别有下列三类：

（1）由于直流电流不存在电流自然过零，在开断直流电流故障时，单纯依靠电弧在石英砂中强迫扩散冷却电弧的作用下来熄灭电弧比开断交流电弧困难得多。

（2）在回路中存在时间常数L/R，尤其在大的时间常数下，开断电弧更为困难一些。

（3）对低的直流过载电流下，电弧在石英砂中的扩散作用大为降低将产生另一种电流开断的困难。

四、直流熔断器最大电弧能量的确定

在开断电流过程中，电弧能量主要取决于电感中储能W_L。实验已经证明当W_L最大时，在熔断器中的电弧能量W_L可达到最大值。

研究表明，当弧前时间t_p约等于回路时间常数L/R时，电感中储能W_L可达到最大值。

从下列方程式可表明，当

时，具有最大电弧能量。实际上，经过进一步研究当之比在0.5~0.8就可近似认为电感能量W_L已进入最大值范围。所以对直流熔断器最大电弧能量试验时应满足范围才算合格。因此，国际标准IEC269~4已指定I_C必须在0.5~0.8之间的范围和美国标准UL248-1已指定I_C必须在0.6~0.8之间的范围。

计算最大电弧能量的计算表达式如（图1）下：

  

图1  最大电弧能量表达图 

由此可知L/R对直流熔断器开断特性有重大的影响。

五、直流熔断器的试验项目

（1）最大电流开断试验

   当kA时，IEC规定的时间为10~20ms

   当kA时，可取，允许偏差+20%，L/R值可达到100ms条件下进行。

（2）最大电弧能量下的开断电流试验

一般最大电弧能量开断试验应在的0.632倍下进行试验。

（3）最小开断容量电流试验（即低过载电流试验）

在电力机车上有时可能发生低过载电流的故障，它会加大直流熔断器开断的难度。这时要求熔断器的熔化时间应不大于1分钟，否则可能引起熔断器端部烧损，若设计时在熔体中部设置冶金效应措施可以克服这个难题。

日本地铁机车用的直流熔断器（参照JIS E4901）设有下列检查项目：温升检查、通电流检查、熔断检查和耐受电压检查现说明如下：

（1）温升检查——规定在环境温度40℃条件下进行，对大容量直流熔断器（额定电流在100A以上）可取额定电流的80%，持续时间为1小时，测量其温升。

（2）通电流检查——环境条件如上，通额定电流1小时，测量其温升。

（3）熔断特性检查——通额定电流120%，持续时间为5分钟，读取温度。待冷却后，再通额定电流300%，直到直流熔断器熔断时，记录熔断时间。

（4）耐电压检查——检查试验的部位在直流熔断器支架的两端和支架与接地之间。试验的电压为2.25E+2000，式中E为直流熔断器的额定电压，单位为伏。

例如：直流熔断器的额定电压为1900V，耐压检查的电压为2.25×1900+2000=4275+2000 =6275V。

六、直流熔断器的额定电压

关于用于地铁机车上的直流熔断器的额定电压必须考虑按不同工作条件和相对应的时间常数来确定一个最大电压波动范围，即最高工作电压，然后给出额定电压的。

对额定电压为1900V的直流熔断器在许多情况下L/R值约为50ms，估计最大电压波动范围在±20%即最高工作电压可达2200V左右（实际计算值为1900+20%=2280V）。

附加说明：现在最大电压值能高于额定电压的20%。这是由于电机制动时能量的回馈，有时在某些场合故障刚开始电压就迅速跌落等等复杂原因，还须进一步研讨。

七、直流熔断器的额定电流

电流不断重复从起动、加速、恒速、制动到停车的变化过程。如图2给出了一种典型的周期变化。一般额定电流通过资料分析来估算出额定电流。