超级电容有轨电车充电回路的保护

黄 静

（上海市政养护管理有限公司有轨电车事业部，201103，上海∥工程师）

淮安市现代有轨电车1期工程采用以超级电容为储能容器的新型有轨电车。有轨电车在正线运行时，利用停靠站时间，通过安装在车站的充电设施对车载超级电容进行充电。其最大充电电流为1 800 A，电压为DC 500～900 V。在项目初期，因充电柜的DC/DC模块发生故障而短路，导致充电柜输出/输入熔断器熔断，同时列车上超级电容正负极熔断器也熔断，使有轨电车失去牵引电源而无法运行。

GB/T 7928—2003《地铁车辆通用技术条件》规定：主回路、辅助电路、控制电路应有可靠的保护。主电路的大电流保护还应与牵引变电站的大电流保护相协调，在各种故障短路状态下能够可靠地分断，并应有故障显示和故障切除装置，以维持列车故障运行。而对于运行线路条件相对复杂的有轨电车，其相关标准中对此并没有具体规定。对于储能式有轨电车，当充电柜出现此类故障，确保有轨电车具有继续运行的能力就显得尤为重要。

本文从超级电容有轨电车充电回路保护装置入手，探讨发生此类故障时保障有轨电车运行的可行性方案，从而增加系统的可用性、可维护性以及安全性。

1 故障分析及改进措施

1.1 故障原因

图1为有轨电车充电回路示意图。由图1可知，充电柜安装于车站，而超级电容箱、牵引箱均安装在列车顶部。当站内无列车停靠时，充电柜并不输出充电电流；当列车进站时，充电柜通过检测列车位置信号及充电柜电压信号来判断输出或停止输出充电电流。如果充电回路任一位置发生短路（如图1所示的3个短路点），即相当于直接将超级电容两端短接，导致瞬时大电流将回路中的熔断器熔断。而超级电容侧的熔断器熔断后，则无法为列车牵引逆变器供电，导致列车无法继续运行。项目初期的故障即是由于DC/DC模块故障后短路（如图1中短路点3），造成输出熔断器及超级电容两侧熔断器全部熔断，牵引逆变器失去电源，使列车无法以自身动力运行。

1.2 改进措施

造成列车失去自身动力的最主要原因是由于充电回路中任意位置发生短路后，超级电容发生短接而瞬时大电流放电，将电容两侧的熔断器熔断，导致为牵引逆变器的供电回路开路。因此，针对充电回路的改进主要以防止电容非正常放电以及对充电回路进行瞬时大电流保护两种措施为主。

1.2.1 在充电回路中增设硅二极管

增设硅二极管后的充电回路如图2所示。由图2可知，在充电回路中增设硅二极管后，如果硅二极管左侧回路短路（如图2中短路点3），硅二极管将有效防止超级电容瞬时非正常放电，可有效保护超级电容两侧的熔断器，列车从而利用超级电容电能维持运行至下一站进行充电。

图1 有轨电车充电回路示意图

图2 增设硅二极管的充电回路

硅二极管具有改进简单、便捷，费用较低的优势。其改进措施的不足之处如下：

（1）硅二极管的安装位置受限（不能安装至超级电容给牵引箱供电的回路中），保护范围有局限性，并不能完全做到整个回路保护。如图1中的短路点1发生短路时，硅二极管便无法起到保护作用。

（2）硅二极管影响充电柜采集充电轨电压，故须同时改进电压采集设备的安装位置。

（3）硅二极管对工作环境温度要求较高，在户外暴露的工作环境下，其工作稳定性略差。

1.2.2 在充电回路中增设高速断路器

传统的轨道交通车辆的牵引主回路为单一回路，设有高速断路器，当回路过流时瞬间动作，从而保护整个回路。超级电容车辆的主回路由牵引回路与充电回路组成。目前，在牵引回路中设置高速断路器，但它不能对充电回路进行有效保护。因此，需在充电回路中增设高速断路器来保护充电回路。增设高速断路器的充电回路如图3所示。

增设高速断路器改进措施的优势如下：①不受安装位置影响，能够全面保护整个充电回路；②对其他元器件不存在任何干扰；③对环境温度要求较为宽松。增设高速断路器改进措施的不足之处如下：①改进费用较贵；②改进工程量较大，需另配单独隔离空间。

图3 增设高速断路器的充电回路

两种改进措施各有优劣：增设硅二极管的改进方案相对简单，更适合已建项目；而增设高速断路器的方案能全面保护充电回路，更适合新建项目。本文着重对增设高速断路器的改进方案进行分析。

2 高速断路器安装方式选型

传统的电力机车或动车均在受电器与牵引变压器原边绕组之间安装高速断路器。高速断路器是车辆的电源总开关，兼控制和保护功能。淮安项目的超级电容车辆上，高速断路器安装在超级电容至牵引变压器之间的回路上，而受电器至超级电容之间装有熔断器，当充电回路发生短路时，会导致超级电容正负极短接，造成超级电容正负极熔断器熔断的不可逆后果，使列车失去牵引电源。因此，若能在列车充电回路中增加高速断路器，且在充电回路发生大电流时自动分断，并在故障排除后可自动或人工重新合闸，就可确保列车具备继续运行的能力。

影响超级电容寿命的主要因素是温度和过电压［1］。因此，在高速断路器选型时应考虑选择额定电压与线路供电电压接近的型号。高速断路器的安装位置是影响列车运行效率的主要因素之一。

高速断路器可增加列车的可持续运行能力。就保护范围而言，其首选应安装在受电器与超级电容之间的线路上，一旦设备发生故障，仅影响本列车充电，而不影响其他列车充电；次选位置为充电柜输出端，高速断路器发生故障时可选通过越站充电而避开故障点，从而减小故障对运营的影响。

2.1 高速断路器安装在车顶

高速断路器的传统安装方式为直接安装在受电器下级，以保护整列列车的电气回路。淮安市有轨电车的控制线路使用24 V制式，并选用某品牌UR 15系列的高速断路器。其额定电压为900 V，控制电压为DC 24 V，额定热电流为1 500 A，大电流机械反应时间为5 ms。这种安装方式的优点在于车辆可直接提供控制电源，且与车辆电气系统能融合于一起，但亦存在以下不足之处：

（1）高速断路器的额定热电流为1 500 A，与充电柜设计输出电流1 800 A不符，易导致高速断路器误动作，影响车辆正线运营。同时，高速断路器长期在大电流环境下运行，对其可靠性、使用寿命等有诸多不利影响。如将充电柜输出充电电流降至1 500 A，既延长了充电时间，又降低了充电效率。

（2）作为车辆的主要保护部件，如果高速断路器发生严重故障，则列车要停止运营。

（3）车顶安装空间有限。UR 15系列的高速断路器尺寸约为600 mm×275 mm×400 mm，若加上绝缘空间，其尺寸约为1 300 mm×675 mm×550 mm。100%低地板的有轨电车大部分设备安装在车顶，本身布局已非常紧凑，若要在车顶预留此空间，则需对车顶多个系统进行重新设计和布局，工程量及难度均较大。

2.2 高速断路器安装在充电柜输出端

高速断路器安装在充电柜输出端的安装方式除了保护整列列车的电气回路，还保护了从充电柜输出端到充电轨的电路。根据地面供电系统设计［2］，可选用某品牌U 26型高速断路器。其额定电压为1 000 V，控制电压为DC 110 V，额定热电流为2 600 A，大电流机械反应时间为3 ms。该安装方式的优点如下：

（1）提高车辆的可靠性和可用性。在相同保护条件下，减少车辆上设备的故障点，提高了车辆的可靠性。另外，如充电柜出现故障或高速断路器出现故障，列车可越站充电，不会出现因高速断路器故障而导致列车停止运营的情况。

（2）提高可维护性。当充电柜发生故障或高速断路器故障时，可即刻进行在线维修，提高故障响应时间，不必等车辆下线后再进行检查和维修。

（3）安装位置灵活。现场空间延展性大，具备可操作性。

（4）提高在线维修的安全性。当充电柜发生故障需要进行在线无电维修时，只需切断高速断路器，即可防止超级电容的电回送到充电柜中，保护在线维修人员，亦使充电柜的在线维修具备可操作性。

该安装方式的不足之处在于：

（1）每个充电柜均要增加控制电源以提供高速断路器控制回路电源。

（2）正线充电柜数量大于列车数量，前期投入设备数量较大。

结合目前项目的实际情况，将高速断路器安装在充电柜输出端，可有效提高车辆的可靠性、可用性和设备的可维护性与安全性，同时亦具备可操作性。

3 高速断路器安装的可行性探讨

充电柜在未安装可分断保护的情况下，充电柜故障可直接导致列车熔断器熔断，并需救援回库。正线充电柜安装具备分断功能的高速断路器后，能否改善整个系统的可靠性，当充电柜发生故障、高速断路器动作时是否波及超级电容的熔断器而导致列车失去运行能力，以及能否提高设备的可维护性和安全性等都成为亟待解决的问题。

3.1 故障时的运行能力

有轨电车超级电容的输入和输出端均安装熔断器，用以在大电流情况下迅速熔断从而保护超级电容。一旦熔断器熔断，列车将失去自身动力，不得不依靠外部动力救援回库而影响运营次序。若在充电柜安装分断功能的高速断路器后，必须确保其动作响应时间低于熔断器响应时间，即其动作时不应对熔断器产生影响，才能使列车具备继续运行的能力。

淮安市有轨电车单车装备了3组超级电容，每组超级电容在正负极各并联安装了2个熔断器，设计充电电流可达3 000 A，流过每个熔断器的电流为500 A（见图4）。实际所需设计最大充电电流为1 800 A，充电电压为900 V。当充电柜发生故障产生短路电流时，该高速断路器有能力保护超级电容的熔断器，确保列车功能完好，实现不中断的跨站通行。因此选定某品牌U26型高速断路器，其额定电压为1 000 V，控制电压为DC 110 V，额定热电流为2 600 A，大电流机械响应时间为3 ms。

图4 超级电容与熔断器示意图

图5和图6分别为车载630 A熔断器和某品牌500 A熔断器的熔断特性曲线。假设由于充电柜故障导致3 600 A电流（超过充电柜设计电流2倍）通过高速断路器时，流入每组超级电容熔断器的电流约为600 A（假设3组超级电容与安装在正极的2对熔断器内阻一致），此时图5中熔断器尚未达到熔断值，而高速断路器已达到分断设定值。假定高速断路器分断前电流峰值达到6 000 A（超过高速断路器额定值的2倍），流过每个熔断器的电流为1 000 A，根据图5中的熔断器特性曲线推断出熔断时间在1 000 s左右，即使采用图6中500 A规格的熔断器，熔断时间也在100 s左右，远大于高速断路器动作响应时间3 ms。因此，当充电柜输出端有大电流发生时，高速断路器将先于熔断器分断，可以有效避免充电柜输入、输出端与超级电容熔断器一起熔断后列车无法起动的尴尬情况，极大地增加了设备的容错率。

图5 车载630 A熔断器特性曲线

图6 某品牌500 A熔断器特性曲线

3.2 维护时的安全性与便捷性

通常在维修或抢修充电柜时，除了将整个充电柜电源断开，还必须禁止列车通过站台（或者列车必须手动降下受电弓后通过）。这严重影响了运营秩序。因为在列车通过站台时，超级电容会通过受电弓与充电轨，使得充电柜内部元器件两端形成电位差，对充电柜的设备、维修人员均带来严重的安全隐患。

而在充电柜输出端安装高速断路器可大大提高充电柜的安全性与便捷性。在充电柜需要进行抢修或维修时，维修人员仅需将高速断路器人为分断，在充电柜一侧做好防护接地后即可开展相应工作，不影响列车正常通过站台，避免因此类故障导致列车运营停滞。

3.3 现场安装的可行性

有轨电车车站充电柜可设置于轨行区上、下行的中间绿化带内，属于独立柜体。高速断路器安装在该柜体内部。柜体周围空间开阔，可另做基础，柜体内电缆通过地下缆井相连接。为避免因增加高速断路器而调整原充电柜的布局，可将充电柜与高速断路器进行物理隔离，以便于维保工作的开展。

U26型高速断路器需DC 110 V电源驱动。现有充电柜内具有DC 110 V电源，并与UPS（不间断电源）相连，容量满足熔断器需求，可直接利用充电柜内电源，无需额外增加电源。

4 结语

储能式有轨电车的快速发展现已成为国内有轨电车行业的一种趋势。其储能装置的充电回路采取合理的保护方式将有利于有轨电车的运营组织以及减小社会影响。通过对淮安市新型有轨电车充电柜故障案例的分析得知，现有线路条件下在充电柜输出端安装高速断路器可增强有轨电车充电系统保护能力。

［1］ 顾帅，韦莉，张逸成，等.超级电容器老化特征与寿命测试研究展望［J］.中国电机工程学报，2013（21）：145.

［2］ 张伟先，文午.储能式现代有轨电车地面充电系统［J］.电力机车与城轨车辆，2015（4）：30.