分析地鐵直流開(kāi)關(guān)柜熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)溫升校驗(yàn)法

周景康

摘要：當(dāng)前，我國(guó)還不能準(zhǔn)確的對(duì)地鐵直流開(kāi)關(guān)柜熱過(guò)負(fù)荷的定值進(jìn)行校驗(yàn)，大多數(shù)時(shí)候還是根據(jù)工程的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)置，本文就根據(jù)負(fù)荷保護(hù)的一些原理以及供電接觸網(wǎng)材料的特性入手，分析在地鐵直流開(kāi)關(guān)柜熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)的一種常用的校驗(yàn)方法——溫升校驗(yàn)法，以其為今后在實(shí)際中熱過(guò)負(fù)荷的定值設(shè)定提供一些參考。

關(guān)鍵詞：地鐵 直流開(kāi)關(guān)柜 熱過(guò)負(fù)荷保護(hù) 溫升校驗(yàn)法

目前，我國(guó)很多的地鐵列車(chē)內(nèi)的直流開(kāi)關(guān)柜都設(shè)置了熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)裝置，只是對(duì)于其保護(hù)的定值還沒(méi)有準(zhǔn)確的驗(yàn)證方法，定值過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響鐵路的運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重的甚至還會(huì)出現(xiàn)安全事故，所以，如何來(lái)驗(yàn)證這個(gè)保護(hù)的定值是偏大還是偏小，就顯得尤為重要。

一、供電接觸網(wǎng)的特性

目前，接觸網(wǎng)是我國(guó)地鐵授流的主要方式，一般是以750V或者15V的電壓來(lái)供電，接觸網(wǎng)主要分為剛性結(jié)構(gòu)的接觸網(wǎng)和柔性結(jié)構(gòu)的接觸網(wǎng)，其中剛性結(jié)構(gòu)的接觸網(wǎng)一般使用在地下區(qū)段，而柔性結(jié)構(gòu)的接觸網(wǎng)則經(jīng)常使用在地面、高架區(qū)段等。

1、剛性結(jié)構(gòu)接觸網(wǎng)

剛性接觸網(wǎng)通過(guò)將接觸線和匯流排構(gòu)成電流的傳輸載體，其中，按照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，接觸線允許連續(xù)運(yùn)行的溫度一般不得超過(guò)95℃，短時(shí)最高溫度不得超過(guò)150℃，匯流排允許連續(xù)運(yùn)行的溫度不得超過(guò)85℃，短時(shí)最高溫度不得超過(guò)120℃。

2、柔性結(jié)構(gòu)接觸網(wǎng)

柔性結(jié)構(gòu)的接觸網(wǎng)主要構(gòu)成包括接觸線和承力索，這兩者按照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，其允許連續(xù)運(yùn)行的溫度不得超過(guò)95℃，短時(shí)最高溫度不得超過(guò)150℃。

二、地鐵直流開(kāi)關(guān)柜的熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)

因?yàn)榧夹g(shù)的原因，不同的廠家為地鐵直流開(kāi)關(guān)柜配套了不同的熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)方案，不過(guò)總結(jié)起來(lái)主要分為兩種，即基于熱態(tài)曲線和基于冷態(tài)曲線的熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)。根據(jù)規(guī)定，冷態(tài)曲線和熱態(tài)曲線必須分別滿足公式（1）（2）。

[t=τ×1nI2I2-（kIB）2] （1）

[t=τ×1nI2-I2pI2-（kIB）2] （2）

其中：t—?jiǎng)幼鲿r(shí)間；I—流過(guò)接觸網(wǎng)的電流；τ—時(shí)間常數(shù)（取繞組的熱時(shí)間常數(shù)）；k—常數(shù)（取允許長(zhǎng)期運(yùn)行的最大電流倍數(shù)）；IB—基本電流（取變壓器的額定電流）；IP—過(guò)負(fù)荷前的負(fù)載電流；

三、溫升校驗(yàn)法的原理

要了解溫升校驗(yàn)法的原理，我們可以通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，假設(shè)接觸網(wǎng)在時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的電能損失，全部都轉(zhuǎn)化為了熱能，那么長(zhǎng)度為l的接觸網(wǎng)所產(chǎn)生的熱能Q就可以表示為：

[Q=R×I2×t=ρR×l×I2×tS] （3）

其中：R—接觸網(wǎng)的電阻；I—流過(guò)接觸網(wǎng)的電流；ρR—接觸網(wǎng)的等效電阻率；S—接觸網(wǎng)的等效截面積；

再根據(jù)熱力學(xué)的公式，接觸網(wǎng)材料的比熱容就可以表示為：

[Q=Cal×ml×△T=Cal×ρm×S×l×△T] （4）

其中：Cal—接觸網(wǎng)的比熱容；ml—長(zhǎng)度為l的接觸網(wǎng)的質(zhì)量；ρm—接觸網(wǎng)的密度；S—接觸網(wǎng)的等效截面積；ΔT—接觸網(wǎng)在t時(shí)間內(nèi)的溫升；

根據(jù)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）

比如某個(gè)地鐵采用的是剛性結(jié)構(gòu)的接觸網(wǎng)，而且是用1500V的電壓來(lái)供電，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的額定載流量為3000 A，匯流排的比熱容為0.88×103 J/（kg·℃），匯流排截面積為2214mm2，匯流排計(jì)算質(zhì)量為6.0kg/m，匯流排常溫下電阻率小于0.032 Ω/（mm2/m），接觸線比熱容為0.39×103 J/（kg·℃），接觸線截面積為120mm2，接觸線常溫下電阻率小于0.01777 Ω/（mm2/m），單位質(zhì)量為1.082 kg/m，那么根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ΔT應(yīng)當(dāng)滿足下列要求：

ΔT≤45 K （7）

根據(jù)公式（6）（7）可以推出：

[I2×t≤45×Cal×mlR] （8）

然后將上述的數(shù)值全部代入公式（8）就可以計(jì)算出I2×t≤1.9485×1010。

下面以基于熱態(tài)曲線為例，我國(guó)的地鐵直流開(kāi)關(guān)柜負(fù)荷保護(hù)使用的熱過(guò)負(fù)荷動(dòng)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—熱過(guò)負(fù)荷啟動(dòng)比值；In—接觸網(wǎng)的認(rèn)定載流量；θt-Δt—Δt時(shí)刻前的熱過(guò)負(fù)荷啟動(dòng)比值；

當(dāng)τ=10 min的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)熱過(guò)負(fù)荷曲線就如下圖：

圖1 τ=10 min的熱過(guò)負(fù)荷曲線

如果In=3000 A，那么就可以知道在t時(shí)刻的電流取值，然后與公式（8）中的t時(shí)刻電流值進(jìn)行校驗(yàn)，然后，將In的取值進(jìn)行調(diào)整，得出相應(yīng)的t時(shí)刻的電流取值，依次與公式（8）中的電流值進(jìn)行校驗(yàn)，以此類(lèi)推，就可以得到最合理的熱負(fù)荷保護(hù)中In的取值了。

四、結(jié)束語(yǔ)

溫升校驗(yàn)法在實(shí)際操作中是比較簡(jiǎn)單方便的，通過(guò)這中方法可以很快的確定地鐵直流開(kāi)關(guān)柜熱負(fù)荷保護(hù)的定值，使得線路安全可靠的運(yùn)營(yíng)，從幾個(gè)人提高地鐵運(yùn)營(yíng)的效率和安全。