CRH1型動車組電路安全保護設(shè)計原理與分析

趙建葵

摘 要：為保障動車組安全運行，電路安全保護是必須考慮的安全保護措施；介紹了從斷路器選型、接地方式、電纜敷設(shè)、連接和安全連鎖等方面不同類型的安全保護措施，解決了動車組各種電氣負(fù)載的短路和過載問題，并提供監(jiān)控與報警功能。

關(guān)鍵詞：動車組；電路；過載；短路；安全保護

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

中國的高鐵運營里程截至到2015年底，已經(jīng)達到1.9萬公里，居世界第一，每天有大量的動車組運行在祖國各地，如何保障列車安全運行就成為設(shè)計者必須優(yōu)先考慮的設(shè)計原則。本文詳細(xì)論述了CRH1型動車組針對不同負(fù)載采取的多種安全保護措施。

1 用斷路器做短路及過載保護

對于大多數(shù)的負(fù)載，CRH1動車組使用斷路器做短路及過載保護，根據(jù)電壓、負(fù)載電流、最大短路電流及負(fù)載特性，并結(jié)合斷路器級聯(lián)原則選擇不同型號的斷路器。為了能夠選擇合適的斷路器在系統(tǒng)發(fā)生故障時起到保護作用，首先我們制定了嚴(yán)格的斷路器選型原則：

（1）斷路器的額定電壓≥線路的工作電壓；

（2）斷路器的額定電流≥線路的負(fù)載電流；

（3）斷路器的最大分?jǐn)嚯娏鳌菥€路中可能出現(xiàn)的最大短路電流。

根據(jù)CRH1型動車組車輛負(fù)載的不同，我們分別選擇了C特性（阻性負(fù)載和較低沖擊電流的感性負(fù)載）、K特性（電動機系統(tǒng)和變壓器系統(tǒng)）和Z特性（敏感型負(fù)載進行保護或?qū)ψ栊载?fù)載）的斷路器，同時大部分的負(fù)載采用多個斷路器級聯(lián)保護，并且確保下級斷路器動作要快于上級斷路器動作。

2 針對不同系統(tǒng)特性采用組合保護方式

2.1 直流供電

車輛直流供電由5組蓄電池和5個充電機提供，將DC110V電源提供到車輛總線。

（1）蓄電池：由熔斷器提供短路保護；

（2）充電機：由軟件檢測電流，及時關(guān)斷換流元件提供短路保護；

DC110V電源從車輛總線分配到車輛負(fù)載，每路負(fù)載均通過斷路器進行保護，為防止故障擴大，在蓄電池總線上各單元組之間加熔斷器進行保護。

2.2 交流供電

AC400V電源由輔助變流器ACM提供，5個ACM將AC400V提供到車輛總線，車輛負(fù)載電源由車輛總線提供，每路負(fù)載均通過斷路器進行保護。

3 安全的接地方式

CRH1動車組不但有嚴(yán)格的短路及過載保護方式，而且有安全的接地方式，保證系統(tǒng)故障時，不發(fā)生人身事故及火災(zāi)事故。

3.1 DC110V系統(tǒng)接地

CRH1型車DC110V接地采用IT接地系統(tǒng)，全列車DC110V負(fù)線在T2車通過1.2K電阻接地，防止供電系統(tǒng)發(fā)生接地故障時電流過大引起火災(zāi)。

3.2 AC400V系統(tǒng)接地

CRH1型車AC400V接地采用TT轉(zhuǎn)IT型接地系統(tǒng)，全列車N線在T2車接地。當(dāng)接地電流較小時，接地電流通過斷路器直接接地，此時為TT型；當(dāng)接地電流大到斷路器脫扣后，接地電流通過10K歐電阻接地，接地系統(tǒng)改為IT型，以便于限制接地電流，防止電流過大引起火災(zāi)事故，如圖2所示。

4 電機運轉(zhuǎn)類設(shè)備保護

電機之類的運轉(zhuǎn)設(shè)備由于自身特性，在設(shè)計安全保護時，需要特別注意。下面分別以幾種典型電機運轉(zhuǎn)類設(shè)備保護方式進行描述。

4.1 變壓器冷卻風(fēng)機

變壓器冷卻風(fēng)機由車輛總線供電，冷卻風(fēng)機供電保護方式：

（1）從車輛總線到車下分線箱，電纜由輔助變流器（ACM）進行保護；

（2）從車下分線箱到變壓器控制箱，電纜由斷路器S203C16進行保護；

（3）從變壓器控制箱到設(shè)備，電纜由電機起動器進行保護。

4.2 油泵、主壓縮機、牽引風(fēng)機和空調(diào)風(fēng)機

油泵、壓縮機和風(fēng)機等運轉(zhuǎn)類設(shè)備保護均采用電機起動器做保護，電機起動器具有以下保護功能：

（1）過載保護；（2）短路保護；（3）缺相保護。

5 非運轉(zhuǎn)類設(shè)備的安全保護設(shè)計方案

5.1 車內(nèi)電加熱器

車內(nèi)電加熱器在空調(diào)控制柜內(nèi)設(shè)有過流保護的繼電器，在電加熱器內(nèi)部還設(shè)有超溫保護探頭，可以在加熱器溫度過高的情況下及時斷開電源，保證設(shè)備的安全。

5.2 車內(nèi)電開水爐

車內(nèi)電開水爐自身帶有的斷路器提供一級保護，在交流配電柜中設(shè)有斷路器提供二級保護。

5.3 水系統(tǒng)伴熱線

通過帶剩余電流保護功能的斷路器，為水系統(tǒng)的伴熱線的絕緣故障提供保護。

5.4 插座

通過帶剩余電流保護功能的斷路器，為車內(nèi)插座電源線及負(fù)載的絕緣故障提供保護。

5.5 廚房設(shè)備

所有廚房設(shè)備，包括咖啡機、收銀機、吧臺插座等負(fù)載供電均由廚房電控柜統(tǒng)一控制。廚房電控柜集中放置系統(tǒng)所用斷路器及其他電氣元件，控制各個設(shè)備的供電，并有系統(tǒng)狀態(tài)指示。

6 負(fù)載安全邏輯連鎖策略

CRH1動車組不但采用了先進的保護方式，而且設(shè)計了優(yōu)秀的設(shè)備安全邏輯連鎖以提供指示、報警和切除故障等功能。

6.1 普通負(fù)載安全邏輯連鎖策略

直流、交流電氣柜內(nèi)分別設(shè)有保護器指示回路。當(dāng)某處保護器脫扣，將向列車通信與管理系統(tǒng)（TCMS）發(fā)送故障信號。列車智能顯示單元（IDU）將顯示B類故障報警及故障所在位置。其中由漏電保護器提供保護的回路單獨進行故障報警。

6.2 電機運轉(zhuǎn)類負(fù)載設(shè)備邏輯連鎖策略

6.2.1 高低速控制的電機運轉(zhuǎn)類負(fù)載設(shè)備

電機運轉(zhuǎn)類負(fù)載中可高低速控制的設(shè)備主要有逆變器、牽引電機、變壓器等冷卻風(fēng)機。電機運轉(zhuǎn)類負(fù)載均設(shè)有單獨的檢測回路。當(dāng)電機保護器脫扣，或接觸器故障時，結(jié)合設(shè)備起動命令狀態(tài)，列車通信與管理系統(tǒng)（TCMS） 可以判斷其工作狀態(tài)，列車智能顯示單元（IDU）可顯示故障報警及故障位置。TCMS根據(jù)故障狀況可做出相應(yīng)的處理。如高速回路故障，則切換到低速，反之切換到高速。同時故障則封鎖該設(shè)備。以變壓器冷卻風(fēng)機示例如圖4所示。

6.2.2 其他電機運轉(zhuǎn)類負(fù)載

電機運轉(zhuǎn)類負(fù)載中還有變壓器油泵和逆變器水泵等，這些電機運轉(zhuǎn)類負(fù)載均設(shè)有單獨的檢測回路。當(dāng)電機保護器脫扣，或接觸器故障時，結(jié)合設(shè)備起動命令狀態(tài)，列車通信與管理系統(tǒng)（TCMS） 可以判斷其工作狀態(tài)，列車智能顯示單元（IDU）可顯示故障報警及故障位置。

7 供電回路中電線電纜的安全保護

7.1 電線電纜的選擇

電線電纜的絕緣和護套選用低煙無鹵阻燃材料，例如70mm2單芯電纜選用FLAMEX Z EN 50264-3-1 600V，低煙無鹵電纜在火災(zāi)時能有效限制火的傳播和煙氣的釋放，避免對人員造成危險。電線電纜的類別依據(jù)各電氣系統(tǒng)的電壓等級和工作環(huán)境條件進行選擇，確保電線電纜不會被擊穿。如400V系統(tǒng)選用600V耐低溫耐油電纜，1000V系統(tǒng)選用1800V電纜。電線電纜的截面積是根據(jù)預(yù)期的工作條件（如電流、電壓降、環(huán)境溫度、敷設(shè)方式等）， 經(jīng)過計算而確定的，已充分考慮了負(fù)載短路和短時過載。例如：車下U11.K2 交流電氣柜與車上P3.K3交流電氣柜之間的AC400V電纜：

額定電流計算：Inom=220/（0.94x0.71）=330A。

電纜選擇：截面積為95mm?的電纜。

校驗計算：95mm2載流量是360A，短路電流（200℃）是11590A持續(xù)5S， 上述的選擇是能夠保證線路安全工作的。

7.2 電線電纜分組敷設(shè)

電線電纜在敷設(shè)時被分為A、B、C1、C2、D、E、F等幾個EMC等級，分別安裝在動力線槽和信號線槽的獨立金屬隔板內(nèi)中，動力線槽中的電纜采用分層并排鋪設(shè)，每層與每排電纜之間都有一定距離，便于散熱，以防止熱量聚集造成的安全隱患。

7.3 電線電纜連接的散熱考慮

對于不同的電器件和連接器，選用適合的端子和壓接針，以保證連接的可靠性，防止因接觸不良發(fā)熱造成安全隱患。例如：選用筒形端子，O型端子等。

8 結(jié)論

CRH1型動車組在設(shè)計上根據(jù)不同電壓制式、不同負(fù)載分別采用了多種保護措施，實施了安全可靠的電氣保護，確保了列車的安全運行。