铁道客车DC 600 V供电系统短路分级保护试验研究

肖孝军

(中国国家铁路集团有限公司 机辆部，北京 100844)

铁道客车供电系统的用电负载多，回路分布广，供电网络中有多条支路需要设置断路器或熔断器等保护器件，以切断直接故障负载。由于支路较多，很多时候形成三至四级串联保护，在支路安全分断外，需要考虑保护器件前后级之间选择性保护的配合问题，即能否在发生故障时有选择性地切除故障支路，保证非故障负载正常工作。如果前后级保护器件配合不当，就会出现熔断器或断路器不能按照既定逻辑保护的混乱情况，不仅不能定位故障支路，还会影响其他非故障负载的正常运行，甚至会导致故障范围扩大的事故发生，影响列车的正常运行。决定中低压直流系统运行安全性和可靠性的不单是某一个元件的性能，而是全部元件的协同配合[1]。

铁道客车运量大、交路长，供电系统运行的可靠性直接影响着铁道客车的运行安全和舒适度。原中国铁路总公司运输局以运辆客车函[2015]436号文公布了《机车车辆DC 600 V系统供电绝缘检测技术要求》，明确了铁道客车DC 600 V供电系统应具有分级保护的功能。除时速160 km复兴号CR200J型动力集中电动车组外，25T型旅客列车是目前国内采用DC 600 V供电制式的最先进的铁道客车车型。25T型旅客列车采用集中供电、分散变流的供电模式，其供电系统具有代表性。本文以25T型旅客列车DC 600 V供电系统为例，对铁道客车DC 600 V供电系统保护器件的短路分级保护进行试验研究，验证系统是否满足分级保护要求，并对同类系统的设计提出指导建议。

1 DC 600 V供电系统介绍

25T型旅客列车DC 600 V供电系统线路拓扑图如图1所示，系统主要由DC 600 V列供电源、线路保护器件和DC 600 V负载构成。

图1 DC 600 V供电系统线路拓扑图

机车侧的单相PWM整流器为整列车提供DC 600 V列供电源，分为Ⅰ路和Ⅱ路输出，两路DC 600 V电源通过每辆客车的车下分线箱进入车上电气综合柜。FU600A和FU600B为分线箱内加装的熔断器，以防止DC 600 V负载支路因过载而发生损坏和电气火灾事故。进入电气综合柜的两路DC 600 V电源经过塑壳断路器(Q1、Q2)，根据车厢号选择其中一路并控制接触器(KM1、KM2)闭合为本车供电。电压传感器(JK1、JK2)采集的DC 600 V电压信息和电流传感器(JK3)采集的电流信息通过网络上传至显示屏。DC 600 V绝缘检测装置用于检测DC 600 V线路是否发生绝缘问题，若出现漏电等问题，装置将报本车绝缘故障并保护性切除本节客车DC 600 V电源。

DC 600 V负载主要包括客车充电器、客车空调逆变电源、客室电热和端部电热，每条负载支路都设置有熔断器或断路器等保护器件。客车充电器内部安装有输入熔断器(FU301)，客车空调逆变电源内部安装有输入熔断器(FU201A、FU201B)，客室电热和端部电热支路安装断路器(Q15)。这些支路保护器件的作用是当支路发生故障时，能快速切断故障负载，保证其他支路的正常运行。干线支路保护器件(FU600A、FU600B)与负载侧保护器件(Q1、Q2、Q3)构成了多级串联的结构，这就要求上下级保护器件之间具有选择性保护即分级保护的特点。上下级保护器件的动作应具有选择性，当出现故障时只切断该故障线路，而上级保护器件不应动作，力求缩小断电范围[2]。

2 分级保护试验

搭建分级保护试验电路，如图2所示。由于断路器Q15、Q25、Q16、Q26型号一致，接触器KM8、KM9、KM10、KM20型号一致，电热支路仅选择客室电热Ⅰ，即Q15、KM8支路。

图2 分级保护试验电路图

客车充电器内部熔断器(FU301)型号为GSCB-50，额定电流为50 A，客车空调逆变器内部熔断器(FU201A、FU201B)型号为GSCB-160，额定电流160 A，分级保护试验仅选择FU201A支路。断路器Q1、Q2型号一致，接触器KM1、KM2型号一致，分级保护试验仅选择DC 600 V供电Ⅰ路Q1、KM1干线。

分级保护试验电路(图3)与25T型旅客列车DC 600 V供电系统保持一致，所用线缆型号、线缆长度、线缆压接方式、连接方式、连接器型号与实车相同，以保证试验结果的可靠性。

图3 分级保护试验电路

分级保护试验以严酷的短路试验为例，短路点共3个。短路点1用于测试电热负载保护器件与干线支路保护器件的分级保护；短路点2用于测试空调逆变电源负载保护器件与干线支路保护器件的分级保护；短路点3用于测试总负载保护器件Q1与FU600A的分级保护。试验器件清单如表1所示。

表1 试验器件清单

目前装车使用的断路器Q1、Q3共包含2个型号，额定电流分别为160 A和100 A。针对这2个型号的断路器，每个短路点试验2次，3个短路点共进行6次分级保护试验。为防止试验对器件造成损伤影响后续试验结果，每次试验后更换所有保护器件。

6次试验结果表明，25T型旅客列车DC 600 V供电系统满足分级保护的要求。短路点1试验时，仅熔断器FU1保护动作，FU1熔断；短路点2试验时，仅熔断器FU201A保护动作，FU201A熔断；短路点3试验时，断路器Q1保护动作，Q1跳开，熔断器FU600A不动作。图4为Q1型号为NSX160SDCTM100 4P时短路点3的试验波形，短路时刻短路电流迅速增大并超过6 000 A，电流大于6 000 A的时间大约为500 μs，Q1保护断开，由于支撑电容C1的作用，DC 600 V电压下降缓慢。

图4 短路点3试验波形

分线箱熔断器(FU600A、FU600B)的选型十分重要，主要原因是客车运行过程中熔断器不易更换，一旦熔断,本节客车必须进行切换供电，极端工况下将导致本节客车失去DC 600 V供电。熔断器如果选择偏大，在过载时(I2t)热熔断时间延长，可能导致支路线缆过载损坏甚至火灾；熔断器如果选择偏小，不能保证与负载侧保护器件(Q1、Q2)的级差配合。

熔断器与塑壳断路器理论上的配合关系是选择级差1.6倍额定电流。分线箱熔断器(FU600A、FU600B)与塑壳断路器(Q1、Q2)距离较近(约5 m)，短路电流相差不大，增大动作时间差才能有效解决越级问题，因此分线箱熔断器宜选择级差2.0倍以上额定电流。

塑壳断路器Q1、Q2共包含2个型号，额定电流分别为160 A和100 A，分线箱熔断器(FU600A、FU600B)的型号为CBSF7-315，额定电流为315 A。熔断器和断路器的热动作曲线如图5所示，熔断器的热熔断曲线位于断路器的热磁脱扣曲线上侧，即断路器动作始终快于熔断器，3项短路试验结果表明实现了分级保护。

图5 熔断器和断路器的热动作曲线图

3 客室电热保护器件方案比较

25T型旅客列车DC 600 V供电系统中的客室电热保护器件目前共有2个方案，这2个方案均已装车实施。其中方案1如图1所示，保护电路由熔断器FU1和隔离开关Q15串联组成，FU1型号为GSCB-32，额定电流32 A，Q15型号为IINT125，额定电流32 A；方案2保护电路采用断路器Q15，Q15型号为5SY5425-7CC，额定电流25 A。下面通过在客室电热支路进行短路试验来对比这2个保护器件方案，在短路点1处进行短路试验。2个方案的短路试验波形见图6，短路瞬间图见图7。

图6 2个方案的短路试验波形

图6(a)为方案1短路试验波形，短路电流峰值为2 500 A；图6(b)为方案2短路试验波形，短路电流峰值为4 500 A。方案1试验时，熔断器FU1熔断动作，其他保护器件不动作；方案2试验时，断路器Q15跳开动作，其他保护器件不动作。方案1连续进行8次短路试验后，接触器KM8无明显异常，能够继续使用(图7(a))；方案2连续进行短路试验至第6次时，接触器KM8触点发生粘连现象，无法继续使用(图7(b))。

图7 2个方案的短路瞬间图

方案1保护器件采用熔断器，其具有较快的短路保护特性，能够快速分断故障电流，因此短路电流比方案2小，对接触器KM8损伤轻，但是熔断器熔断后不能重复使用，且更换较麻烦。方案2采用单个断路器作为保护器件，断路器可以重复利用，且动作后恢复快，但是保护速度慢，支路发生多次短路故障后，接触器KM8可能损坏，在短路故障后应进行更换以确保可靠使用。

4 结论

本文对铁道客车DC 600 V供电系统的分级保护进行了试验研究，介绍了25T型旅客列车DC 600 V供电系统的电路拓扑，通过试验验证了现有的DC 600 V供电网络保护器件满足分级保护的要求。当支路发生短路故障时，支路保护器件能迅速保护动作，切断故障电流，不影响其他支路的正常运行，最后通过试验对客室电路的保护器件方案进行了比较，2个方案各有优缺点。

从保证用电安全、供电可靠和技术经济合理等方面考虑，合理选择熔断器和断路器是十分必要的[3]。DC 600 V供电系统直接影响客车的运行安全和乘坐舒适性，熔断器和断路器的正确配合是提高供电系统运行可靠性的关键，在进行保护器件的选择配置时，需注意以下几点：

(1) 一般情况下，不同厂家生产的不同型号或系列的熔断器和直流空气断路器的安-秒特性是有差异的，在配合上有困难，所以同一个直流系统宜使用相同厂家生产的相同型号或系列的熔断器和直流空气断路器[4]。

(2) 上级断路器的安-秒特性曲线应位于下级断路器安-秒特性曲线的上方，并保持足够的距离[5]。

(3) 断路器可以安装在熔断器之后用于下一级的操作和保护，当上下级距离较近时，熔断器的额定电流应大于断路器额定电流的2倍及以上。

(4) 由于上级断路器与下级熔断器的配合比较困难，因此应避免采用这种配合方式。若无法避免采用此种组合保护方式，则应使直流断路器的额定电流大于熔断器短路电流的4倍及以上，并经校验或试验满足要求后才能采用。在满足动作灵敏度系数的前提下，此倍数应尽量取高[6]。

(5) 因交流断路器与直流断路器灭弧原理不同，交流断路器用于直流回路不能有效、可靠地熄灭直流电弧，容易造成上级越级动作，因此直流供电系统中不要使用交流断路器。