地鐵用直流斷路器相關(guān)研究

李蘇隴

摘 要：現(xiàn)如今地鐵已經(jīng)逐漸變成城市中一種重要的交通工具，其無(wú)污染且快捷的特點(diǎn)深受廣大市民的喜愛(ài)。為保證地鐵的正常運(yùn)行和乘客的旅途舒適性，地鐵車(chē)輛所使用的高速斷路器一般為直流式斷路器，但是在特殊情況下亦會(huì)出現(xiàn)損壞地鐵設(shè)備的情況。該文簡(jiǎn)要分析國(guó)內(nèi)外直流高速斷路器研究情況，分析直流斷路器運(yùn)行工況，最后簡(jiǎn)單介紹地鐵供電系統(tǒng)中的直流斷路器，為讀者提供更有價(jià)值的參考信息。

關(guān)鍵詞：直流斷路器 大電流 小電弧 地鐵

中圖分類(lèi)號(hào)：TM56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）10（a）-0016-02

近些年，隨著國(guó)家大力推行城鎮(zhèn)化建設(shè)，城市規(guī)模逐步擴(kuò)大，城鎮(zhèn)人口逐步增多。同時(shí)國(guó)民生活水平也在同步的提升，高效、快捷、舒適的公共交通成為各大中城市發(fā)展的方向。另一方面，傳統(tǒng)的公共交通工具-公交車(chē)、出租車(chē)也原不能解決遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸問(wèn)題，因此新型軌道交通工具也越來(lái)越深受到城市市民的喜歡。從上世紀(jì)開(kāi)始城市軌道交通在上海、北京等大型城市首先得到快速發(fā)展。但是，我國(guó)對(duì)地鐵車(chē)輛核心部件系統(tǒng)的研究還較少，技術(shù)不成熟，其中地鐵的供電系統(tǒng)還存在著諸多不足的地方，受到人們的普遍關(guān)注。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在地鐵基本以直流電流供電為主，直流高速斷路器在地鐵中起著電路通斷、保護(hù)電路的作用，該文對(duì)此進(jìn)行闡述，期望更多的人了解這些。

1 國(guó)內(nèi)外直流斷路器發(fā)展情況

現(xiàn)在人們生活中處處離不開(kāi)電器，為保證人們的使用安全，直流斷路器是各大型用電設(shè)備必須有的電流控制及保護(hù)系統(tǒng)，其重要性在地鐵、船舶等得以顯著體現(xiàn)。因此，國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)均很重視斷路器的研究，上世紀(jì)初，美國(guó)電氣公司的專(zhuān)家合力研究出了直流斷路器，并在一些相關(guān)設(shè)備上使用，比如用于熱核聚變實(shí)驗(yàn)的直流斷路器。上世紀(jì)中后期，歐洲的一些學(xué)者研究出了適用于海上聯(lián)絡(luò)線的直流斷路器，并且在使用中表現(xiàn)良好。同時(shí)日本一些學(xué)者也很重視直流斷路器的研究，東芝、日立、三菱等公司都有相關(guān)的產(chǎn)品問(wèn)世。我國(guó)一些開(kāi)關(guān)制造公司在積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也不斷創(chuàng)新，國(guó)產(chǎn)的斷路器也有出現(xiàn)，但是知識(shí)產(chǎn)權(quán)不屬于中國(guó)，隨著其重要性的不斷突出，我國(guó)諸多專(zhuān)家學(xué)者加大了對(duì)直流斷路器的相關(guān)研究。

2 直流斷路器運(yùn)行工況分析

2.1 電弧的產(chǎn)生和危害

一般電路開(kāi)關(guān)是暴露在空氣中的，當(dāng)電流超過(guò)一定的值以后，電路開(kāi)關(guān)的一端會(huì)產(chǎn)生溫度高、發(fā)光和能導(dǎo)電等弧形氣體，其被稱為電弧。直流斷路器在運(yùn)行中，陰極端會(huì)發(fā)射出自由電子，電子在電磁場(chǎng)的作用下向陽(yáng)極移動(dòng)，和質(zhì)子發(fā)生碰撞，如果電子發(fā)射的速度足夠高，電子動(dòng)能足夠大，在與質(zhì)子發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)使質(zhì)子分離成電子和正離子，當(dāng)電磁場(chǎng)中蓄積足夠多的電子和正離子以后，電流擊穿介質(zhì)形成電弧。

電路開(kāi)關(guān)中形成的電弧會(huì)造成嚴(yán)重問(wèn)題，因?yàn)殡娀〉臏囟瓤梢赃_(dá)到幾千攝氏度，在如此高的溫度影響下，會(huì)導(dǎo)致與其相近的設(shè)備受到損害，甚至?xí)?dǎo)致火災(zāi)的出現(xiàn)，導(dǎo)致人員傷害以及經(jīng)濟(jì)損失。所以，在向有開(kāi)關(guān)等觸頭的設(shè)備供電時(shí)要考慮電弧的相關(guān)問(wèn)題，尤其是高壓配電方面更需注意。在地鐵的直流供電系統(tǒng)中也需要重視電弧問(wèn)題，必須在各個(gè)電路分?jǐn)嗟臄嗦菲魈幈苊怆娀〉某霈F(xiàn)，從而防止其中的線路被燒斷，維持地鐵運(yùn)行安全。

2.2 交流電弧的特性和熄滅原理

據(jù)調(diào)查，所有的交流電弧開(kāi)關(guān)是在電流過(guò)零時(shí)被斷開(kāi)，每次電弧過(guò)零都會(huì)伴隨著氣壓恢復(fù)和介質(zhì)恢復(fù)兩個(gè)過(guò)程，介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程主要是指電弧中的氣體從介質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成絕緣的狀態(tài)，但是電弧不會(huì)出現(xiàn)自燃情況，氣壓恢復(fù)是指熄弧后電路將被開(kāi)斷，電源電壓加到弧隙兩端觸頭上的過(guò)程。斷路器的電流過(guò)零以后，因?yàn)殡娀￠g隙的電阻大小不同，電弧熄滅需要經(jīng)過(guò)點(diǎn)擊穿和熱擊穿兩過(guò)程。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，交流電弧熄滅需要在交流電流過(guò)零以后，電弧間隙中的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度大于實(shí)際恢復(fù)強(qiáng)度，如果不能滿足這一要求會(huì)造成電路自燃現(xiàn)象。

2.3 直流電弧的特性和熄滅原理

地鐵的交流供電系統(tǒng)中，電流變化每一周期中會(huì)出現(xiàn)兩次過(guò)零情況，交流斷路器就是運(yùn)用這一特點(diǎn)達(dá)到電弧間介質(zhì)恢復(fù)，但是在直流斷路器中不存在電流過(guò)零情況，電弧間的介質(zhì)恢復(fù)可以通過(guò)限制電壓等措施來(lái)完成，增大近極壓降、增大電弧長(zhǎng)度和增大弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度是最為有效的3種方式，這3種方式也要結(jié)合具體的環(huán)境進(jìn)行運(yùn)用。

3 地鐵供電系統(tǒng)中的直流斷路器

3.1 地鐵供電系統(tǒng)概況

供電系統(tǒng)作為地鐵上維持地鐵正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分，其可分為兩個(gè)部分，

地鐵上的供電系統(tǒng)是維持地鐵正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，地鐵上的供電系統(tǒng)可以分為兩大部分，一部分是為維持地鐵運(yùn)行的主機(jī)供電，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、主板電路等，另一部分主要為地鐵上的空調(diào)、通風(fēng)機(jī)等供電，為乘客創(chuàng)造更為舒適的搭乘空間。城市地鐵的供電系統(tǒng)有三個(gè)部分組成，一是供電方式與城市地鐵路線結(jié)構(gòu)相關(guān)的高壓電源系統(tǒng)，二是保持地鐵運(yùn)行方向正確而供電的牽引供電系統(tǒng)，三是為地鐵內(nèi)部供電的動(dòng)力照明供電系統(tǒng)。

我國(guó)各個(gè)城市的電網(wǎng)發(fā)現(xiàn)情況各不相同，地鐵路線建設(shè)也有所不同，高壓電源系統(tǒng)建設(shè)的結(jié)構(gòu)和供電方式存在等級(jí)制度。其主要存在集中供電和分散供電兩種方式，集中供電就是向主機(jī)供電，維持地鐵正常運(yùn)行，其他的電流也相應(yīng)的為牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明供電系統(tǒng)供電，分散式供電是根據(jù)地鐵用電情況，設(shè)置多個(gè)供電點(diǎn)，為各個(gè)設(shè)備進(jìn)行供電。

3.2 地鐵牽引供電系統(tǒng)中直流斷路器易燒損原因分析和解決措施

現(xiàn)階段地鐵運(yùn)行是由直流電流驅(qū)動(dòng)的，因此其最主要的負(fù)載是地鐵電動(dòng)機(jī)，與電動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的斷路器可以形成電弧，電弧中儲(chǔ)存大量的自由電子和正離子，不斷聚集能量，當(dāng)其達(dá)到一定的量以后就會(huì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，只有將電弧間隙中的能量全部釋放才能熄燃，斷路器才能斷開(kāi)，不然電路中的電壓會(huì)持續(xù)上升，損壞其他設(shè)備。另外如果安裝的斷路器無(wú)法進(jìn)行滅弧，會(huì)在電弧間隙不斷出現(xiàn)燃燒，斷路器無(wú)法斷開(kāi)，損壞其他設(shè)備。因?yàn)殡娀￠g隙中能量的大小與其電感成正相關(guān)，因此在選擇直流斷路器時(shí)要充分考慮電弧產(chǎn)生因素，調(diào)節(jié)電感強(qiáng)度，盡可能避免能量過(guò)?，F(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)正在推行城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略，城市人口激增，一種舒適便捷，污染少的交通工具最能被人們所接受，地鐵客運(yùn)量大，不出現(xiàn)堵車(chē)情況，發(fā)展速度快，但是我國(guó)地鐵發(fā)展時(shí)間較短，瑕疵量多，雖然各大城市具備檢修和維修人才，但是費(fèi)用高、不經(jīng)濟(jì)是人們亟待解決的難題，本文主要介紹地鐵供電系統(tǒng)和斷路器的相關(guān)信息，這些層面教淺，需要更多的學(xué)者參與研究，其研究的意義也是重大的。

參考文獻(xiàn)

[1] 張仁豫，陳昌漁，王昌長(zhǎng).高電壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005：204-214.

[2] 陳永真.電容器及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2005：105-229.

[3] 林萃.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：140-358.

[4] 韓民曉，文俊，徐永海.高壓直流輸電原理與運(yùn)行[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：215-230.