地铁用直流断路器相关研究

牛晨旭 张金瑞

摘 要：现阶段，地铁已经成为了城市中最为便利、快捷的交通方式之一，深受广大城市居民的喜爱。但是，地铁供电系统中采用的直流断路器在某些极端情况下很容易发生故障，这给地铁的日常维护和安全运营造成了十分不利的影响。本文从用直流断路器的运行工况介绍入手，着重分析了其在地铁应用中存在故障的原因，并提出了針对性改进建议，以期为我国的交通事业建设，提供足够的理论支持。

关键词：地铁；直流断电器；故障；安全性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.123

0 引言

随着我国城镇化建设步伐的加快，社会人口大量聚集在了条件较好的城市地区，公交车、出租车等传统城市交通方式已不能满足社会居民的出行要求。在这种背景下，地铁凭借其高效、快捷、舒适的特点，成为了各大城市重点建设的公共交通项目。但是，作为承担地铁运营故障时断电跳闸工作的直流断路器，在经过1到2次的故障跳闸后就必须换新，这大大增加了地铁系统的运营成本，并且也不利于地铁安全运行的维护。因此，开展对地铁用直流断路器的研究工作，对维护地铁供电系统的正常运行具有十分重要的意义。

1 直流断路器运行工况概述

（1）电弧的产生与危害。电弧是一种常见的“电气”现象。当开关暴露在空气中，且通过电流超出额定值时，电路开关的一端会产生一种高温、发光、导电的气体，这就是电弧。特别说明，电弧的温度可能高达几千摄氏度，对其临近设备有着严重的损害，更甚至会引起火灾，最终导致人员受伤和经济损失。

工作中的直流断电器，其负极会产生向阳极运动的自由电子。这些电子在运动途中会和质子碰撞，并在电子初始动能足够大时，会使质子分离成电子和正离子。最终，电流会击穿空间磁场中积累较多的电子和正离子，随机产生电弧。所以，地铁供电系统在应用了直流断电器时，需要在电路分段处采取一定的措施，避免断电器产生电弧，保证系统线路的良好运行。

（2）交流电弧的特性。相关研究表明，在交流电电路中，交流电弧的每次过零都会经历气压恢复和介质恢复两个过程。其中，气压恢复是指电弧过零时，电路被断开，电源电压透过中间空隙加载到电源两端的过程；介质恢复是指电弧中的气体由导电状态向绝缘状态转变的过程。交流电路的电弧熄灭也需要经过两个过程：点击穿和热击穿。相关研究表明，当交流电弧过零以后，介质恢复程度大于实际回复程度，交流电弧才会正常熄灭，否则会引发电路自燃现象。

（3）直流电弧特性。直流电路与交流电路不同，运行中没有电流过零现象的产生，但介质恢复也是直流电弧熄灭的必经过程。为了能够让直流电弧安全熄灭，我们通常会结合断电器所在环境选用三种措施，分别是增大直流电弧长度、增大近极压降、增大电弧电场强度。

2 地铁用直流断路器详解

（1）地铁供电系统详解。作为地铁系统的重要组成部分，供电系统的受电对象主要分为两类：一是主机受电部分，包括主板电路、发动机等部件的受电；二是辅助受电部分，包括地铁上的通风机、空调等设备的受电。需要区分开来的是，地铁的供电系统共有三个组成部分，分别是高压电源系统、牵引供电系统、动力照明供电系统。

特别说明，供电系统的高压电源系统的供电方式共有三种，分别是集中式供电、分散式供电、混合式供电，地铁运行系统可以根据实际情况对供电方式进行选择；牵引供电系统包括主降变电所、馈电线、接触网、回流线等，各个部分在地铁的牵引运行中起着不同的作用；动力照明系统由降压变电所和配电线路组成，在为车站区间照明的同时还要为地铁的辅助动力机械（电梯、水泵等）提供电力。

（2）地铁用直流断路器易烧损原因详解。地铁是以直流电为驱动力运行的车辆。在地铁运行系统中，电动机用电是最终主要的用电负载。根据文章第一部分讲解的电弧产生原理可知，在地铁运行中，和电动机关联的直流断路器会在负极电子能量过大时产生电弧，并且电弧中已经聚集了大量的自由电子和正离子，随着时间的推移，电弧的能量愈来愈高，最终转变为热量散发出来。在这种情况下，如果电弧的能量释放强度小于电弧中气体的释放强度，电弧中积蓄的能量会越来越多，也就是电弧无法熄灭，进而导致电弧间隙不断燃烧，断路器无法正常断开，并损害临近设备。

3 地铁用直流断电器的保护措施

（1）做好直流断路器的性能分析。虽然每个直流断路器产生电弧的原理相同，但是不同型号的直流断路器的性能是不一样的。所以，在地铁系统建设初期，详尽的分析直流断路器性能，选择合适的直流断路器是保证铁路电网安全运行的前提条件。其中，直流断路器的具体选择参考标准有效率性、灵敏性、安全性等。相关工作人员应结合地铁电网的运行需求，选择性价比最高的直流断路器。

（2）优化直流断路器保护方案。首先，在地铁电网线路的布置施工时，应尽量避免直流断路器过度暴露在空气中，尤其在变电所出口处采用规格较高的真空型直流断路器。其次，工作人员应对直流断路器厂家的原有控制接线加以改进和优化，使直流断路器整体性能得以扩充和完善。最后，工作人员应加强对地铁电网系统线路的维护管理工作，确保供电线路的运行质量，控制地铁供电系统的故障几率。

4 结语

现阶段，地铁凭借其安全、舒适、便捷的特点已经成为我国城市公共交通事业的重点建设项目。但是，相较于日益膨胀的城市人口所带来的交通压力，我国地铁日常运营的维护能力还是稍显欠缺的。然而，直流断电器的创新研究仅仅是地铁运营系统中值得改进的重点事项之一。所以，我国城市地铁事业的建设任重道远，仍需再接再厉。

参考文献：

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[3]金辉，胡德兆.直流断路器动作特性在线录波装置开发和应用[J].电气化铁道，2017，28（06）：54-58.

作者简介：牛晨旭（1990-），女，河南平顶山人，助教，研究方向：控制科学与工程。