直流饋電系統(tǒng)的特殊組件確保了無故障緊急關(guān)機(jī)，以免對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞，防止可能的人員傷害。以精確故障檢測(cè)措施防止造成不必要的運(yùn)行中斷，這會(huì)對(duì)軌道交通和系統(tǒng)可用性產(chǎn)生重要影響。                   

                                                            —— Holger Blaak

   全球來看，每年在永久性鐵路網(wǎng)絡(luò)電氣設(shè)備方面的投入超過70億美元。其中相當(dāng)大一部分將投入到公共交通系統(tǒng)之中，在該領(lǐng)域，今后幾年將實(shí)現(xiàn)高于平均水平的增長。其中一個(gè)原因是大都市區(qū)的交通擁堵問題呈愈加嚴(yán)重之勢(shì)。另一個(gè)原因是，政府有意實(shí)現(xiàn)涉及氣候保護(hù)和自然資源保護(hù)的政治目標(biāo)。這兩條都是增進(jìn)公共交通系統(tǒng)投資的絕佳原因。

   新鐵路線路不斷修建，現(xiàn)有線路不斷延長，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)重新裝備最新技術(shù)。對(duì)公共交通系統(tǒng)的經(jīng)營者來說，連續(xù)、安全運(yùn)行無疑是重中之重。因此，對(duì)技術(shù)設(shè)備提出了很高的要求。

圖1.帶電流和電壓測(cè)量功能的牽引供電用開關(guān)裝置

   公共交通系統(tǒng)的電源必須由一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，該系統(tǒng)將在發(fā)生故障時(shí)觸發(fā)緊急關(guān)機(jī)。這些安全系統(tǒng)在鐵路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。它們確保人員安全，保護(hù)系統(tǒng)，使其免受損壞。這些系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一個(gè)先決條件是對(duì)電氣參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，因?yàn)橹挥袑?duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析才能成功檢測(cè)到故障。在此，鐵路應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)條件對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了具體要求。

   專門針對(duì)鐵路應(yīng)用而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品既要提供高度的安全性，同時(shí)還不能降低鐵路網(wǎng)絡(luò)的可用性。

   安全性和可用性是兩個(gè)重要要求，二者往往難以調(diào)和。因此我們需要細(xì)致地考察這些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理。我們將從中推導(dǎo)出最佳解決方案。

• 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   公共交通工具（如地鐵、市郊列車和有軌電車通常采用直流電流供電。電源電壓在600至3000VDC之間。每個(gè)線路區(qū)段提供的電力為兆瓦級(jí)。需要安裝能在發(fā)生故障時(shí)觸發(fā)緊急關(guān)機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保護(hù)人員和設(shè)備安全。對(duì)這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出的故障檢測(cè)要求非常高：在電力如此高的情況下，假陰性評(píng)估（即未檢測(cè)到短路）可能對(duì)人員造成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)組件損壞。因此，故障檢測(cè)功能必須足夠靈敏，確保不漏掉任何錯(cuò)誤，并能隨時(shí)保證安全關(guān)機(jī)。然而，高靈敏度卻可能增加假陽性評(píng)估的次數(shù)。這意味著，系統(tǒng)會(huì)在未發(fā)生故障時(shí)關(guān)機(jī)。結(jié)果會(huì)導(dǎo)致軌道交通中斷。顯然，這種情況也會(huì)對(duì)鐵路運(yùn)營產(chǎn)生嚴(yán)重影響，應(yīng)該予以避免。故障檢測(cè)的專一性就如靈敏度一樣重要，即是說，我們需要的是高靈敏度和高專一性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因?yàn)檫@樣的系統(tǒng)可以在排除風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)鐵路系統(tǒng)的高可用性。

   故障和狀態(tài)識(shí)別使用了多種不同的算法。這些算法主要基于對(duì)饋電點(diǎn)電氣參數(shù)的分析。在大型網(wǎng)絡(luò)中，電力是通過分布于網(wǎng)絡(luò)中的變電站提供的。這些變電站往往有多個(gè)饋電點(diǎn)，電力通過這些饋電點(diǎn)饋入架空電線。在這些饋電點(diǎn)，安裝有監(jiān)測(cè)和保護(hù)設(shè)備。根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)的不同，電流的幅度及其變化速率由一個(gè)直流傳感器進(jìn)行測(cè)量(IEC 61992-1/EN50123-1)。必要時(shí)同時(shí)還測(cè)量電壓。安全繼電器會(huì)持續(xù)分析這些數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，安全繼電器觸發(fā)負(fù)載下對(duì)應(yīng)斷路器的脫鉤裝置。輸出至該饋電點(diǎn)的電流和電源會(huì)中斷。

   針對(duì)電流測(cè)量，IEC 61992/EN50123規(guī)定了一種廣泛使用的既定方法。在這種方法下，要測(cè)量置于電流路徑中的一個(gè)分流電阻上的電壓降。該電壓—實(shí)際約為±60至±150 mV—與電流成比例。分流電壓最好較低，以減少分流電阻功率，從而減少分流電阻的發(fā)熱量。如果功耗較低，則可使用尺寸較小的分流電阻。為了實(shí)現(xiàn)緊湊型安裝，通常使用60mV分流電壓。顯著較低的分流電壓會(huì)妨礙測(cè)量。顯著較高的電壓則會(huì)產(chǎn)生過多熱量，或者分流電阻尺寸過大。上述幅度的分流電壓是一種合適的折衷選擇。

  從實(shí)用角度來看，當(dāng)不可容忍長期較差的行為（不精確/漂移/溫度依賴性）時(shí)，簡(jiǎn)單的霍爾變送器不是一種可行的選擇。通常情況下，直接用帶有分壓器的一臺(tái)測(cè)量設(shè)備來測(cè)量電壓。IEC61992/EN50123中提到了這種方法。

  檢測(cè)到的信號(hào)以電流方式隔離，并作為電氣標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(IEC61992/EN 50123) 傳輸至安全繼電器，而繼電器則對(duì)算法進(jìn)行處理以便評(píng)估信號(hào)并在發(fā)生故障時(shí)，使斷路器脫鉤，從而觸發(fā)緊急關(guān)機(jī)。有時(shí)候，傳輸?shù)氖侵圃焐烫囟ㄐ盘?hào)（如通過光纖連接），后面還有可能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

• 電流和電壓的測(cè)量要求/選擇原則

1. 高直流電壓下的絕緣和電流隔離

2. 無干擾運(yùn)行（即使電壓快速波動(dòng)）

3. 精密信號(hào)再生，實(shí)現(xiàn)無錯(cuò)監(jiān)測(cè)

4. 精密分析的高精度要求

5. 靈活的多范圍傳感器外加通用型電源設(shè)計(jì)，大幅簡(jiǎn)化庫存工作

• 產(chǎn)品性能

   Knick生產(chǎn)的P40000系列變送器專門針對(duì)牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)需求而設(shè)計(jì)。P40000可提供全球鐵路標(biāo)準(zhǔn)EN 50124規(guī)定的高隔離性能。

   精確的信號(hào)傳輸，可以忽略不計(jì)的延遲，再加上超高的共模抑制性能，這些條件使P40000成為牽引應(yīng)用的極佳選擇。牽引供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三大要素：安全性（高隔離）、可靠性（精確的信號(hào)傳輸）和網(wǎng)絡(luò)效率（減少共模干擾）。P40000系列產(chǎn)品具有極大的靈活性，提供廣泛的電源和可切換校準(zhǔn)輸入選項(xiàng)，只需一臺(tái)設(shè)備即可完成所有電流和電壓測(cè)量任務(wù)，結(jié)果成就的是鐵路網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠、高效運(yùn)行。

圖2.Kcnik P40000系列直流變送器

   來自Knick的P40000直流變送器符合 IEC 61992/ EN50163標(biāo)準(zhǔn)。它們涵蓋最高 Un=3000VDC的所有電壓，在最大非永久電壓Umax2不超過3900VAC/DC時(shí)，都能提供持續(xù)隔離能力。其產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)包括慢速共模負(fù)載和快速共模負(fù)載兩種情況下的共模抑制比。直流或50Hz共模干擾可實(shí)現(xiàn)150dB的抑制比(CMRR)，而對(duì)于快速1000V/1μs脈沖，則仍可實(shí)現(xiàn)115 dB的抑制比 (T-CMRR)。這些產(chǎn)品在數(shù)以千計(jì)的牽引供電系統(tǒng)應(yīng)用中證明了其適用性。憑借較低的共模干擾性能，它們可以確保實(shí)現(xiàn)無干擾運(yùn)行。

   P40000直流變送器的截止頻率上限為（-3dB點(diǎn)）5 kHz，符合鐵路運(yùn)行期間電流波形再生的質(zhì)量要求。可以安全檢測(cè)到短路故障。正常的電流變化（發(fā)生于列車啟動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)）可以正確識(shí)別出來，不會(huì)導(dǎo)致緊急關(guān)機(jī)。正常軌道交通不會(huì)受到影響。

   在一個(gè)產(chǎn)品中，最多可以選擇16個(gè)校準(zhǔn)輸入和輸出范圍。范圍可以由用戶指定。每個(gè)器件均可支持20至253VAC/DC的電源電壓，結(jié)果大幅減少了產(chǎn)品變體的數(shù)量。這樣可以大幅簡(jiǎn)化庫存工作。系統(tǒng)生產(chǎn)不會(huì)因交貨時(shí)間而延遲。

• 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

• 
  

•    鐵路要始終保持安全運(yùn)行，并使中斷事故降至最低限度，這同時(shí)也依賴于能完美工作的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)安全設(shè)備進(jìn)行的評(píng)估依據(jù)的是牽引供電系統(tǒng)中的電流和電壓測(cè)量值。對(duì)這些信息進(jìn)行分析是一項(xiàng)要求極高的任務(wù)，對(duì)其進(jìn)行的評(píng)估也是至關(guān)重要的。如果故障條件未被檢測(cè)到，結(jié)果導(dǎo)致的誤差或錯(cuò)誤可能將人員或設(shè)備置于危險(xiǎn)境地。另一方面，錯(cuò)誤識(shí)別故障則可能對(duì)軌道交通造成嚴(yán)重影響。因此，故障檢測(cè)系統(tǒng)必須同時(shí)具備高靈敏度和專一性。

     鐵路應(yīng)用的特殊條件對(duì)所使用的技術(shù)提出了極高的要求。專門為這種應(yīng)用而設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)器件能同時(shí)滿足規(guī)范要求和功能要求。這里尤其重要的是隔離屬性、共模抑制、精度和截止頻率。每一個(gè)特性都必須完全適用于測(cè)量應(yīng)用，以確保整體任務(wù)能得到可靠的實(shí)施。來自Knick的 P40000系列變送器在各個(gè)方面均符合諸如此類高技術(shù)要求。這些變送器專門針對(duì)鐵路應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其適用性在數(shù)以千計(jì)的應(yīng)用中得到了檢驗(yàn)。

     另外，其出色的成本效益也為產(chǎn)品增加了經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。通用型設(shè)計(jì)，加上范圍選擇和寬范圍電源，這些特性大幅減少了所需產(chǎn)品的樣式，簡(jiǎn)化了庫存工作。得益于其在規(guī)劃、調(diào)度和物流方面的優(yōu)勢(shì)，這些器件可以集成到不同的項(xiàng)目之中，極大地減少所需人力投入。

  
  

            想要了解更多Knick行業(yè)應(yīng)用及解決方案，可關(guān)注Knick中國微信公眾號(hào)，也可以登錄www.knick.com.cn，了解更多產(chǎn)品及市場(chǎng)應(yīng)用。