CRH1型动车组电路安全保护设计原理与分析

赵建葵

摘 要：为保障动车组安全运行，电路安全保护是必须考虑的安全保护措施；介绍了从断路器选型、接地方式、电缆敷设、连接和安全连锁等方面不同类型的安全保护措施，解决了动车组各种电气负载的短路和过载问题，并提供监控与报警功能。

关键词：动车组；电路；过载；短路；安全保护

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.157

中国的高铁运营里程截至到2015年底，已经达到1.9万公里，居世界第一，每天有大量的动车组运行在祖国各地，如何保障列车安全运行就成为设计者必须优先考虑的设计原则。本文详细论述了CRH1型动车组针对不同负载采取的多种安全保护措施。

1 用断路器做短路及过载保护

对于大多数的负载，CRH1动车组使用断路器做短路及过载保护，根据电压、负载电流、最大短路电流及负载特性，并结合断路器级联原则选择不同型号的断路器。为了能够选择合适的断路器在系统发生故障时起到保护作用，首先我们制定了严格的断路器选型原则：

（1）断路器的额定电压≥线路的工作电压；

（2）断路器的额定电流≥线路的负载电流；

（3）断路器的最大分断电流≥线路中可能出现的最大短路电流。

根据CRH1型动车组车辆负载的不同，我们分别选择了C特性（阻性负载和较低冲击电流的感性负载）、K特性（电动机系统和变压器系统）和Z特性（敏感型负载进行保护或对阻性负载）的断路器，同时大部分的负载采用多个断路器级联保护，并且确保下级断路器动作要快于上级断路器动作。

2 针对不同系统特性采用组合保护方式

2.1 直流供电

车辆直流供电由5组蓄电池和5个充电机提供，将DC110V电源提供到车辆总线。

（1）蓄电池：由熔断器提供短路保护；

（2）充电机：由软件检测电流，及时关断换流元件提供短路保护；

DC110V电源从车辆总线分配到车辆负载，每路负载均通过断路器进行保护，为防止故障扩大，在蓄电池总线上各单元组之间加熔断器进行保护。

2.2 交流供电

AC400V电源由辅助变流器ACM提供，5个ACM将AC400V提供到车辆总线，车辆负载电源由车辆总线提供，每路负载均通过断路器进行保护。

3 安全的接地方式

CRH1动车组不但有严格的短路及过载保护方式，而且有安全的接地方式，保证系统故障时，不发生人身事故及火灾事故。

3.1 DC110V系统接地

CRH1型车DC110V接地采用IT接地系统，全列车DC110V负线在T2车通过1.2K电阻接地，防止供电系统发生接地故障时电流过大引起火灾。

3.2 AC400V系统接地

CRH1型车AC400V接地采用TT转IT型接地系统，全列车N线在T2车接地。当接地电流较小时，接地电流通过断路器直接接地，此时为TT型；当接地电流大到断路器脱扣后，接地电流通过10K欧电阻接地，接地系统改为IT型，以便于限制接地电流，防止电流过大引起火灾事故，如图2所示。

4 电机运转类设备保护

电机之类的运转设备由于自身特性，在设计安全保护时，需要特别注意。下面分别以几种典型电机运转类设备保护方式进行描述。

4.1 变压器冷却风机

变压器冷却风机由车辆总线供电，冷却风机供电保护方式：

（1）从车辆总线到车下分线箱，电缆由辅助变流器（ACM）进行保护；

（2）从车下分线箱到变压器控制箱，电缆由断路器S203C16进行保护；

（3）从变压器控制箱到设备，电缆由电机起动器进行保护。

4.2 油泵、主压缩机、牵引风机和空调风机

油泵、压缩机和风机等运转类设备保护均采用电机起动器做保护，电机起动器具有以下保护功能：

（1）过载保护；（2）短路保护；（3）缺相保护。

5 非运转类设备的安全保护设计方案

5.1 车内电加热器

车内电加热器在空调控制柜内设有过流保护的继电器，在电加热器内部还设有超温保护探头，可以在加热器温度过高的情况下及时断开电源，保证设备的安全。

5.2 车内电开水炉

车内电开水炉自身带有的断路器提供一级保护，在交流配电柜中设有断路器提供二级保护。

5.3 水系统伴热线

通过带剩余电流保护功能的断路器，为水系统的伴热线的绝缘故障提供保护。

5.4 插座

通过带剩余电流保护功能的断路器，为车内插座电源线及负载的绝缘故障提供保护。

5.5 厨房设备

所有厨房设备，包括咖啡机、收银机、吧台插座等负载供电均由厨房电控柜统一控制。厨房电控柜集中放置系统所用断路器及其他电气元件，控制各个设备的供电，并有系统状态指示。

6 负载安全逻辑连锁策略

CRH1动车组不但采用了先进的保护方式，而且设计了优秀的设备安全逻辑连锁以提供指示、报警和切除故障等功能。

6.1 普通负载安全逻辑连锁策略

直流、交流电气柜内分别设有保护器指示回路。当某处保护器脱扣，将向列车通信与管理系统（TCMS）发送故障信号。列车智能显示单元（IDU）将显示B类故障报警及故障所在位置。其中由漏电保护器提供保护的回路单独进行故障报警。

6.2 电机运转类负载设备逻辑连锁策略

6.2.1 高低速控制的电机运转类负载设备

电机运转类负载中可高低速控制的设备主要有逆变器、牵引电机、变压器等冷却风机。电机运转类负载均设有单独的检测回路。当电机保护器脱扣，或接触器故障时，结合设备起动命令状态，列车通信与管理系统（TCMS） 可以判断其工作状态，列车智能显示单元（IDU）可显示故障报警及故障位置。TCMS根据故障状况可做出相应的处理。如高速回路故障，则切换到低速，反之切换到高速。同时故障则封锁该设备。以变压器冷却风机示例如图4所示。

6.2.2 其他电机运转类负载

电机运转类负载中还有变压器油泵和逆变器水泵等，这些电机运转类负载均设有单独的检测回路。当电机保护器脱扣，或接触器故障时，结合设备起动命令状态，列车通信与管理系统（TCMS） 可以判断其工作状态，列车智能显示单元（IDU）可显示故障报警及故障位置。

7 供电回路中电线电缆的安全保护

7.1 电线电缆的选择

电线电缆的绝缘和护套选用低烟无卤阻燃材料，例如70mm2单芯电缆选用FLAMEX Z EN 50264-3-1 600V，低烟无卤电缆在火灾时能有效限制火的传播和烟气的释放，避免对人员造成危险。电线电缆的类别依据各电气系统的电压等级和工作环境条件进行选择，确保电线电缆不会被击穿。如400V系统选用600V耐低温耐油电缆，1000V系统选用1800V电缆。电线电缆的截面积是根据预期的工作条件（如电流、电压降、环境温度、敷设方式等）， 经过计算而确定的，已充分考虑了负载短路和短时过载。例如：车下U11.K2 交流电气柜与车上P3.K3交流电气柜之间的AC400V电缆：

额定电流计算：Inom=220/（0.94x0.71）=330A。

电缆选择：截面积为95mm?的电缆。

校验计算：95mm2载流量是360A，短路电流（200℃）是11590A持续5S， 上述的选择是能够保证线路安全工作的。

7.2 电线电缆分组敷设

电线电缆在敷设时被分为A、B、C1、C2、D、E、F等几个EMC等级，分别安装在动力线槽和信号线槽的独立金属隔板内中，动力线槽中的电缆采用分层并排铺设，每层与每排电缆之间都有一定距离，便于散热，以防止热量聚集造成的安全隐患。

7.3 电线电缆连接的散热考虑

对于不同的电器件和连接器，选用适合的端子和压接针，以保证连接的可靠性，防止因接触不良发热造成安全隐患。例如：选用筒形端子，O型端子等。

8 结论

CRH1型动车组在设计上根据不同电压制式、不同负载分别采用了多种保护措施，实施了安全可靠的电气保护，确保了列车的安全运行。