直流饋電系統(tǒng)的特殊組件確保了無故障緊急關(guān)機，以免對系統(tǒng)造成嚴重損壞，防止可能的人員傷害。以精確故障檢測措施防止造成不必要的運行中斷，這會對軌道交通和系統(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，今后幾年將實現(xiàn)高于平均水平的增長。其中一個原因是大都市區(qū)的交通擁堵問題呈愈加嚴重之勢。另一個原因是，政府有意實現(xiàn)涉及氣候保護和自然資源保護的政治目標。這兩條都是增進公共交通系統(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)。對公共交通系統(tǒng)的經(jīng)營者來說，連續(xù)、安全運行無疑是重中之重。因此，對技術(shù)設(shè)備提出了很高的要求。

圖1.帶電流和電壓測量功能的牽引供電用開關(guān)裝置

   公共交通系統(tǒng)的電源必須由一個監(jiān)控系統(tǒng)進行保護，該系統(tǒng)將在發(fā)生故障時觸發(fā)緊急關(guān)機。這些安全系統(tǒng)在鐵路網(wǎng)絡(luò)的運行中發(fā)揮著重要作用。它們確保人員安全，保護系統(tǒng)，使其免受損壞。這些系統(tǒng)可靠運行的一個先決條件是對電氣參數(shù)進行精確測量，因為只有對這些參數(shù)進行分析才能成功檢測到故障。在此，鐵路應用的現(xiàn)實條件對測量技術(shù)提出了具體要求。

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

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

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

   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。每個線路區(qū)段提供的電力為兆瓦級。需要安裝能在發(fā)生故障時觸發(fā)緊急關(guān)機的監(jiān)測系統(tǒng)，以保護人員和設(shè)備安全。對這些監(jiān)測系統(tǒng)提出的故障檢測要求非常高：在電力如此高的情況下，假陰性評估（即未檢測到短路）可能對人員造成嚴重風險，并可能導致系統(tǒng)組件損壞。因此，故障檢測功能必須足夠靈敏，確保不漏掉任何錯誤，并能隨時保證安全關(guān)機。然而，高靈敏度卻可能增加假陽性評估的次數(shù)。這意味著，系統(tǒng)會在未發(fā)生故障時關(guān)機。結(jié)果會導致軌道交通中斷。顯然，這種情況也會對鐵路運營產(chǎn)生嚴重影響，應該予以避免。故障檢測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)測系統(tǒng)，因為這樣的系統(tǒng)可以在排除風險的同時，實現(xiàn)鐵路系統(tǒng)的高可用性。

   故障和狀態(tài)識別使用了多種不同的算法。這些算法主要基于對饋電點電氣參數(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饋電點，電力通過這些饋電點饋入架空電線。在這些饋電點，安裝有監(jiān)測和保護設(shè)備。根據(jù)監(jiān)測任務的不同，電流的幅度及其變化速率由一個直流傳感器進行測量(IEC 61992-1/EN50123-1)。必要時同時還測量電壓。安全繼電器會持續(xù)分析這些數(shù)據(jù)。當檢測到故障時，安全繼電器觸發(fā)負載下對應斷路器的脫鉤裝置。輸出至該饋電點的電流和電源會中斷。

   針對電流測量，IEC 61992/EN50123規(guī)定了一種廣泛使用的既定方法。在這種方法下，要測量置于電流路徑中的一個分流電阻上的電壓降。該電壓—實際約為±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妨礙測量。顯著較高的電壓則會產(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。

  從實用角度來看，當不可容忍長期較差的行為（不精確/漂移/溫度依賴性）時，簡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測量設(shè)備來測量電壓。IEC61992/EN50123中提到了這種方法。

  檢測到的信號以電流方式隔離，并作為電氣標準信號(IEC61992/EN 50123) 傳輸至安全繼電器，而繼電器則對算法進行處理以便評估信號并在發(fā)生故障時，使斷路器脫鉤，從而觸發(fā)緊急關(guān)機。有時候，傳輸?shù)氖侵圃焐烫囟ㄐ盘枺ㄈ缤ㄟ^光纖連接），后面還有可能轉(zhuǎn)換成標準信號。

• 電流和電壓的測量要求/選擇原則

1. 高直流電壓下的絕緣和電流隔離

2. 無干擾運行（即使電壓快速波動）

3. 精密信號再生，實現(xiàn)無錯監(jiān)測

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，大幅簡化庫存工作

• 產(chǎn)品性能

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

   精確的信號傳輸，可以忽略不計的延遲，再加上超高的共模抑制性能，這些條件使P40000成為牽引應用的極佳選擇。牽引供電監(jiān)測系統(tǒng)的三大要素：安全性（高隔離）、可靠性（精確的信號傳輸）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輸入選項，只需一臺設(shè)備即可完成所有電流和電壓測量任務，結(jié)果成就的是鐵路網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠、高效運行。

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標準。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，都能提供持續(xù)隔離能力。其產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)包括慢速共模負載和快速共模負載兩種情況下的共模抑制比。直流或50Hz共模干擾可實現(xiàn)150dB的抑制比(CMRR)，而對于快速1000V/1μs脈沖，則仍可實現(xiàn)115 dB的抑制比 (T-CMRR)。這些產(chǎn)品在數(shù)以千計的牽引供電系統(tǒng)應用中證明了其適用性。憑借較低的共模干擾性能，它們可以確保實現(xiàn)無干擾運行。

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

   在一個產(chǎn)品中，最多可以選擇16個校準輸入和輸出范圍。范圍可以由用戶指定。每個器件均可支持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。這樣可以大幅簡化庫存工作。系統(tǒng)生產(chǎn)不會因交貨時間而延遲。

• 應用優(yōu)勢

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

     鐵路應用的特殊條件對所使用的技術(shù)提出了極高的要求。專門為這種應用而設(shè)計的優(yōu)質(zhì)器件能同時滿足規(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。每一個特性都必須完全適用于測量應用，以確保整體任務能得到可靠的實施。來自Knick的 P40000系列變送器在各個方面均符合諸如此類高技術(shù)要求。這些變送器專門針對鐵路應用而設(shè)計，其適用性在數(shù)以千計的應用中得到了檢驗。

     另外，其出色的成本效益也為產(chǎn)品增加了經(jīng)濟競爭力。通用型設(shè)計，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，這些器件可以集成到不同的項目之中，極大地減少所需人力投入。

  
  

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