直流馈线快速熔断器在城市轨道交通的应用选型

程 军，尹超准

0 引言

随着科技日新月异的发展，城市轨道交通牵引供电的方式也日趋多样化。得益于城市轨道交通的快速和便捷性，近些年新兴中型城市对轨道交通的需求与日俱增，无接触网轻轨、超级电容有轨电车等交通方式，虽然载客量不如地铁，但其灵活的运行方式、较低的工程投资深受中小型城市的青睐。

对于牵引供电系统，工程投资较小的优势主要体现在采用预装式变电站、紧凑型设备设施、简单可靠的接线和保护系统等。本文着重于无接触网轻轨、超级电容有轨电车整流充电站（下文简称充电站）的直流馈线保护快速熔断器的选型研究。

1 系统概述

我国城市轨道交通无接触网轻轨、超级电容有轨电车等项目充电站一般从市政电网引入1路或2路10 kV外电源，若引入2路外电源则其相互之间 需设置防合环闭锁。充电电源部分通过降压、整流以及变流后输出适用于超级电容列车充电的电源制式，其中馈线输出设置接触器、直流快速熔断器和隔离开关。站用电部分通过配电变压器接入低压配电盘进行配电。典型充电站简易主接线如图1所示。

图1 典型充电站简易主接线

2 负荷电流及短路电流

为选择合适的直流快速熔断器以实现直流馈线的保护，首先需要准确计算馈线的最大负荷电流、短时冲击电流以及短路电流。下文以某城市轨道交通工程实例进行分析计算。

2.1 负荷电流

超级电容列车高峰小时发车间隔为4 min，超级电容列车充电电流额定值为1 500 A，持续时间为20 s，考虑到上下行列车交替充电取流，4 min内有40 s的充电时间。该运行方式为周期性工作制，其负载曲线如图2所示。

图2 周期性负载曲线

馈线负荷电流的长期有效值为

式中：Ipulse为列车充电额定电流，Ipulse= 1 500 A (20 s)；εr为负载占空比，εr= 40/240。

2.2 短路电流

通过短路电流模拟软件计算直流馈线线路末端的短路电流值：暂态短路电流Icc>= 26.2 kA，稳态短路电流Icc= 16.3 kA。其短路电流波形如图3所示。

图3 直流馈线末端短路电流波形

3 直流快速熔断器选型

3.1 直流熔断器的类别

用于保护直流系统设备的熔断器的使用类别主要有“aR”，“gR”和“gS”3种。“aR”表示具有部分范围分断能力的熔断器，用于保护半导体器件；“gR”表示具有针对一般应用和半导体保护的全范围分断能力的熔断器，针对低I2t值进行了优化；“gS”表示具有针对一般应用和半导体保护的全范围分断能力的熔断器，针对低功耗进行了优化。

由于gR熔断器具有全范围分断能力和较快的动作特性，且I2t值较低，因此优先使用gR熔断器用于直流馈线保护。

3.2 选型原则

直流馈线熔断器的选型原则主要遵循以下几个步骤：

（1）选择熔断器的最大工作电压大于或等于系统最大电压。

（2）计算回路的工作电流Ib。

（3）选择导体的连续载流能力Iz。

（4）选择熔断器的额定电流In，满足Ib≤In≤Iz。

3.3 额定电流的选择

3.3.1 标准的选型

对于额定电流为In的熔断器，流过熔断器的实际负载电流应小于或等于工作电流Ib。因此，多个修正系数需要考虑，具体如下：

式中：Kt为环境温度修正系数；Ke为热连接系数；Kv为风冷修正系数；Kf为频率修正系数；Ka为海拔修正系数[1]。

该选型方式考虑了众多因素，选型结果较精准，但由于计算过程中需要输入多个条件，在实际工程应用中采用该方式较为复杂，因此实际工程应用中通常采用另一种较为简单的通用选型方法。

3.3.2 工程实际中熔断器选型

在实际工程应用中，IEC 60269-5[2]提出了符合工程应用要求的通用计算方法。熔断器应能将通过被保护直流馈线的电流在其因温升而损坏回路导体和绝缘之前分断。直流馈线需要被熔断器保护的对象为馈线电缆、接触器以及充电杆。由于馈线电缆和充电杆的载流量均大于直流接触器，因此熔断器的重点保护对象为直流接触器。

IEC 60364-4-43[3]关于熔断器保护规定应满足下列两个计算式：

式中：If为约定动作电流。

上述各式中的物理量关系可由图4直观展示。

图4 熔断器电流的选择

对于gR型熔断器，If可由IEC 60269-4[4]获得，如表1所示。

表1 gR型熔断器约定时间和电流数值

工作电流Ib即为电流有效值Irms= 612.4 A；接触器的额定电流为1 250 A。通过式（2）可得，612.4 A≤In≤1 250 A，因此，In可选1 000 A。

通过查表1可得，If= 1.6In= 1 600 A。

通过式（3）可以验证所选的In的有效性，即(If= 1 600 A)≤(1.45Iz= 1 812.5 A)，满足要求。因此，In= 1 000 A可满足熔断器的选型要求。

3.4 分断能力

熔断器的额定分断能力必须等于或大于系统预期的最大短路电流。由于短路电流远小于50 kA，因此熔断器具备50 kA的额定分断能力是足够的。

3.5 时间-电流特性

熔断器制造商提供的平均时间-电流特性给出了熔断器工作电流的均方根值，该值与稳态条件下的直流值相同。在瞬态条件下，电流瞬时值和有效值可能显著不同。因此，时间-电流特性取决于被保护回路的时间常数，如图5所示。

图5 熔断器对于不同时间常数的动作时间曲线[2]

以轨道交通常用电缆（150 mm2截面铜芯电缆）为例，其单位电阻和单位电感参数：直流电阻（20 ℃）R= 0.124 Ω/km；电感L= 0.494 9 mH/km。则回路时间常数τ=L/R= 4 ms。

因此，熔断器的动作时间曲线应选时间常数介于1 ms和10 ms之间的动作曲线（通常直流熔断器制造商会提供针对不同时间常数的不同时间-电流特性曲线）。

4 结语

直流快速熔断器具有成本低、有效限流、快速动作等特点，对于新型无接触网轻轨、超级电容有轨电车充电站的保护具有很大的优势。本文通过对无接触网轻轨、超级电容有轨电车充电站馈线回路采用熔断器保护进行了系统分析，列出了工作电流、短路电流，得到符合直流系统保护的直流熔断器的类型及特性，并提出了直流熔断器选型的步骤和原则，提供选型及校验公式流程，对直流熔断器在新型无接触网轻轨、超级电容有轨电车充电站的应用与推广具有一定的参考价值。