分析地铁直流开关柜热过负荷保护温升校验法

周景康

摘要：当前，我国还不能准确的对地铁直流开关柜热过负荷的定值进行校验，大多数时候还是根据工程的经验来进行设置，本文就根据负荷保护的一些原理以及供电接触网材料的特性入手，分析在地铁直流开关柜热过负荷保护的一种常用的校验方法——温升校验法，以其为今后在实际中热过负荷的定值设定提供一些参考。

关键词：地铁 直流开关柜 热过负荷保护 温升校验法

目前，我国很多的地铁列车内的直流开关柜都设置了热过负荷保护装置，只是对于其保护的定值还没有准确的验证方法，定值过大或者过小都会影响铁路的运营，严重的甚至还会出现安全事故，所以，如何来验证这个保护的定值是偏大还是偏小，就显得尤为重要。

一、供电接触网的特性

目前，接触网是我国地铁授流的主要方式，一般是以750V或者15V的电压来供电，接触网主要分为刚性结构的接触网和柔性结构的接触网，其中刚性结构的接触网一般使用在地下区段，而柔性结构的接触网则经常使用在地面、高架区段等。

1、刚性结构接触网

刚性接触网通过将接触线和汇流排构成电流的传输载体，其中，按照国家的标准，接触线允许连续运行的温度一般不得超过95℃，短时最高温度不得超过150℃，汇流排允许连续运行的温度不得超过85℃，短时最高温度不得超过120℃。

2、柔性结构接触网

柔性结构的接触网主要构成包括接触线和承力索，这两者按照国家的标准，其允许连续运行的温度不得超过95℃，短时最高温度不得超过150℃。

二、地铁直流开关柜的热过负荷保护

因为技术的原因，不同的厂家为地铁直流开关柜配套了不同的热过负荷保护方案，不过总结起来主要分为两种，即基于热态曲线和基于冷态曲线的热过负荷保护。根据规定，冷态曲线和热态曲线必须分别满足公式（1）（2）。

[t=τ×1nI2I2-（kIB）2] （1）

[t=τ×1nI2-I2pI2-（kIB）2] （2）

其中：t—动作时间；I—流过接触网的电流；τ—时间常数（取绕组的热时间常数）；k—常数（取允许长期运行的最大电流倍数）；IB—基本电流（取变压器的额定电流）；IP—过负荷前的负载电流；

三、温升校验法的原理

要了解温升校验法的原理，我们可以通过一个例子来说明，假设接触网在时间t内产生的电能损失，全部都转化为了热能，那么长度为l的接触网所产生的热能Q就可以表示为：

[Q=R×I2×t=ρR×l×I2×tS] （3）

其中：R—接触网的电阻；I—流过接触网的电流；ρR—接触网的等效电阻率；S—接触网的等效截面积；

再根据热力学的公式，接触网材料的比热容就可以表示为：

[Q=Cal×ml×△T=Cal×ρm×S×l×△T] （4）

其中：Cal—接触网的比热容；ml—长度为l的接触网的质量；ρm—接触网的密度；S—接触网的等效截面积；ΔT—接触网在t时间内的温升；

根据公式（3）（4）就可以得出：

[△T=R×I2×tCal×ml=ρR×I2×tCal×ρm×S2] （5）

即：[I2×t=△T×Cal×mlR] （6）

比如某个地铁采用的是刚性结构的接触网，而且是用1500V的电压来供电，接触网设计的额定载流量为3000 A，汇流排的比热容为0.88×103 J/（kg·℃），汇流排截面积为2214mm2，汇流排计算质量为6.0kg/m，汇流排常温下电阻率小于0.032 Ω/（mm2/m），接触线比热容为0.39×103 J/（kg·℃），接触线截面积为120mm2，接触线常温下电阻率小于0.01777 Ω/（mm2/m），单位质量为1.082 kg/m，那么根据标准ΔT应当满足下列要求：

ΔT≤45 K （7）

根据公式（6）（7）可以推出：

[I2×t≤45×Cal×mlR] （8）

然后将上述的数值全部代入公式（8）就可以计算出I2×t≤1.9485×1010。

下面以基于热态曲线为例，我国的地铁直流开关柜负荷保护使用的热过负荷动作方程式可以用以下公式表示：

[θt=（1-e-lτ）×（IIn）2±θt-△t×e-lτ] （9）

其中：θt—热过负荷启动比值；In—接触网的认定载流量；θt-Δt—Δt时刻前的热过负荷启动比值；

当τ=10 min的时候，标准热过负荷曲线就如下图：

图1 τ=10 min的热过负荷曲线

如果In=3000 A，那么就可以知道在t时刻的电流取值，然后与公式（8）中的t时刻电流值进行校验，然后，将In的取值进行调整，得出相应的t时刻的电流取值，依次与公式（8）中的电流值进行校验，以此类推，就可以得到最合理的热负荷保护中In的取值了。

四、结束语

温升校验法在实际操作中是比较简单方便的，通过这中方法可以很快的确定地铁直流开关柜热负荷保护的定值，使得线路安全可靠的运营，从几个人提高地铁运营的效率和安全。