25T型客车DC110 V用电终端增设安全保护装置的方法探讨

徐承武 中国铁路上海局集团有限公司新长铁路有限责任公司

2004年起，25T型客车开始上线运行，经过长时间的运行考验，该车型作为160 km/h的运行速度等级车辆，质量可靠性十分突出。但在运行使用当中，也发现一些问题，如DC110 V用电设备（照明、指示灯、电气系统控制回路、车门、伴热系统等）电路发生故障后，直流空气断路器因各种原因或偶然因素不能立即起到分断、隔离等保护作用，使得用电器烧损或电线路绝缘层破坏等，给行车安全造成隐患。随着客车（动车组）电气化及自动控制程度的日益提高，采用多重保护的冗余安全措施，确保客车电气使用安全十分必要。

1 DC110 V用电设备的故障保护现状及存在问题分析

当前，电能的分散和使用方式主要是：机车直供电经电力主干线进入车内四合一控制柜后，分两路进入车下设备，一路进车下逆变器，逆变成AC380 V电能返回控制柜，经各控制和保护器件后供车辆空调使用，另一路进入下整流器，整流成DC110 V电能后返回控制柜，经各控制和保护器件（当前车辆装用的为直流空气断路器）后供车辆蓄电池和各直流用电设备使用，其中DC110 V的部分电能在控制柜内也通过直直变压器降压后给通信和检测等设备供电。

设备电气回路的开关器件主要是接触器和空气断路器，接触器主要是作为大负载设备的分断器件使用，本身不具备短路及过载保护功能。空气断路器因其具有能在电路中接通、分断和承载额定工作电流和短路、过载等故障电流，并能在线路和负载发生过载、短路、欠压等情况下，迅速分断（继电）电路，进行可靠的保护等优良特性，在车辆电气中广泛采用。

DC110 V用电设备使用的空气断路器为直流断路器。因直流电的特性，线路中的直流电流的大小和方向不随着时间而变化，使得分断的时候产生的电弧要大，直流空气断路器的灭弧能力直接影响其保护能力，如短路或过载需跳闸动作时，空气开关不能有效灭弧将不能保证有效断电。

根据现场车辆运用产生的故障情况分析，不能有效断电的事件时有发生，造成了大电流通过两相短路发热，线缆绝缘层热损、异味等，同时因车辆在运行过程中排查和维修困难，极可能扩大险情，如线路绝缘层融化、起烟、起火等各种难以确定的后果。据扬州至北京直快列车的故障维修情况分析，发生过运行途中车厢内有胶糊味，当时采取整车断电、监控运行的方式保持运行到终点站。经查，故障原因为残疾人厕所有无人显示器短路，该回路空气开关未有保护切断，造成车厢顶部内该设备电源线绝缘层热损烧融。

2 建立和增设多重冗余保护方案，建立高可靠性人机系统

（1）电源柜内直流空气断路器上级串联增设相匹配的熔断器，增加双重短路保护功能

交流空气断路器与直流空气断路器的区别在于去灭弧性能上。由于交流电在每一个周期都有过零点，在过零点可靠熄弧，而直流电没有过零点，熄弧性能较差，所以要设置专门的灭弧装置。这个原因也是交直流断路器不能通用的原因所在。直流空气断路器的安秒特性曲线如图1所示。

图1 断路器时间－电流特性曲线

图1 中可以看出，弯曲部分线段用于过载保护，动作电流从1倍至10倍额定值，动作时间从数十秒到0.5 s。这种特性称之为反时限保护，意思是电流越大，动作时间越短。黄色线段用于短路保护，称之为瞬动保护阶段，范围在10~20倍额定值内。具体测定值如图2所示。

图2 各特性曲线断路器时间－电流特性曲线

图2 中可以看出（直流断路器主要选用C特性曲线），短路保护阶段，瞬动动作仍是有一定时间值的，尽管很短。上述参数为理想冷态工况测定值，直流空气断路器在车辆上装用日久后在性能上会形成损耗，给保护性能或多或少带来一定的不确定性。熔断器的特性曲线和熔断器分断短路电流示意图如图3所示。

图3 熔断器的特性曲线和熔断器分断短路电流示意图

图3 右侧图中电流使用的是正弦交流电，电流取定的是有效值，而在直流回路中，则取定的恒定的峰值，在此，近似为恒定不变的Id的值。图3左侧图中可见，熔断时间在电流最小值时需要无限长时间，随着曲线向右下方伸展，在电流取最大值时熔断时间迅速减小到毫秒数量级，因为熔断器能在很小的灭弧空间中分断极高的短路电流，随着温度急剧升高，熔体的熔断是必然的，所以熔断器具有很好并可靠的短路保护和分断能力。但熔断器在低度过载情况下时不能熔断，故不能用于过载保护。

综上所述，断路器不但能实现过载保护，也能实现短路保护，且动作后合上即可，使用上便捷，但因短路保护时是电磁脱扣器动作，有一定时间差，与灭弧性能的可靠性直接相关，且机械动作具有不确定性。熔断器更适用于短路保护，熔体熔断是物理变化，可靠彻底，但须更换熔体，不易恢复。本着客车安全导向理念，匹配使用熔断器能够有效弥补断路器的不足，防止电气设备故障的扩大。

当然，在直流空气断路器上级串联增设熔断器必须注意匹配问题，设计规程要求：断路器上一级可装设熔断器作为保护电器，熔断器的额定电流大于断路器额定电流的1.6倍。应严格参数选定，防止越级跳闸和越级熔断，本方案视为冗余保护，易于实现消积被动式的故障安全结构，从而导向安全。

此方法适用于较大电流用电器件如伴热电路、小功率伺服电机驱动电路、整流回路等。

（2）采用直流斩波调压器，降低其供电电压至安全电压

利用电子晶闸管实现可控的开关斩波电源是现今电源调压的发展方向，应用前景十分广阔，因其功耗小、转换效率高、重量轻、材料节约等优势，进行规模化生产后，成本低廉。在车辆直流电气设备中，选取诸如车门气阀控制器、感应门传感器、厕所洁厕按钮等与旅客密切接触的部件，采取调压后的42 V及以下安全电压是必要的。

电气设备使用安全电压的电源制式经适当的阻抗匹配实现可控的安全电流（10 mA）是避免人身触电伤害的最有效途径。它的优点在于一是能够实现以小电压、小电流控制大电压和大电流，二是使得电气设备控制电路易于集成化和模块化；三是容易实现“积极主动式”的故障安全结构，组成单元发生故障时，一面报警，一面还能短时间运转。现场维修经验表明，此种模式维修简单，只需判明故障板即可快速换件修。

（3）指示、照明等器件尽可能地采用发光二极管（LED）器件

发光二极管称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,实际工作电压为2 V~3 V，功耗也十分小，当前照明器件的驱动模块均集成在灯具内，安全性十分可靠。

（4）建立非安全电压用电设备的电流检测环节，实时监控报警

使用直流电流互感器对安全电压以上的直流用电器的电流值进行动态测定，设定报警阈值，联网至列车监控主机，实时掌握参数变化，跟踪用电设备运行情况，给维修作出关键性的提示，易于消灭故障于萌芽状态。

（5）电气设备封装材料采用高阻燃和不燃材料，为故障和险情发生筑牢最后防线。

3 结束语

25T型车作为2004年起用的车型，经长时间运用后，暴露出在直流电气设备安全性设计上存在一定的不足，本文根据现场维护发现的问题作出阐述，为加强质量控制和安全管理给出一定启示。