直流饋電系統的特殊組件確保了無故障緊急關機，以免對系統造成嚴重損壞，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可用性產生重要影響。                   

                                                            —— Holger Blaak

   全球來看，每年在永久性鐵路網絡電氣設備方面的投入超過70億美元。其中相當大一部分將投入到公共交通系統之中，在該領域，今后幾年將實現高于平均水平的增長。其中一個原因是大都市區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投資的絕佳原因。

   新鐵路線路不斷修建，現有線路不斷延長，現有網絡重新裝備最新技術。對公共交通系統的經營者來說，連續、安全運行無疑是重中之重。因此，對技術設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裝置

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

   專門針對鐵路應用而設計的產品既要提供高度的安全性，同時還不能降低鐵路網絡的可用性。

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

• 系統結構和系統設計

   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。每個線路區段提供的電力為兆瓦級。需要安裝能在發生故障時觸發緊急關機的監測系統，以保護人員和設備安全。對這些監測系統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機。然而，高靈敏度卻可能增加假陽性評估的次數。這意味著，系統會在未發生故障時關機。結果會導致軌道交通中斷。顯然，這種情況也會對鐵路運營產生嚴重影響，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測系統，因為這樣的系統可以在排除風險的同時，實現鐵路系統的高可用性。

   故障和狀態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的分析。在大型網絡中，電力是通過分布于網絡中的變電站提供的。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，安裝有監測和保護設備。根據監測任務的不同，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。安全繼電器會持續分析這些數據。當檢測到故障時，安全繼電器觸發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生故障時，使斷路器脫鉤，從而觸發緊急關機。有時候，傳輸的是制造商特定信號（如通過光纖連接），后面還有可能轉換成標準信號。

• 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，實現無錯監測

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計，大幅簡化庫存工作

• 產品性能

   Knick生產的P40000系列變送器專門針對牽引供電系統的監測需求而設計。P40000可提供全球鐵路標準EN 50124規定的高隔離性能。

   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。牽引供電監測系統的三大要素：安全性（高隔離）、可靠性（精確的信號傳輸）和網絡效率（減少共模干擾）。P40000系列產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，只需一臺設備即可完成所有電流和電壓測量任務，結果成就的是鐵路網絡的安全、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，都能提供持續隔離能力。其產品規格參數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150dB的抑制比(CMRR)，而對于快速1000V/1μs脈沖，則仍可實現115 dB的抑制比 (T-CMRR)。這些產品在數以千計的牽引供電系統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量要求。可以安全檢測到短路故障。正常的電流變化（發生于列車啟動或負載變化時）可以正確識別出來，不會導致緊急關機。正常軌道交通不會受到影響。

   在一個產品中，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，結果大幅減少了產品變體的數量。這樣可以大幅簡化庫存工作。系統生產不會因交貨時間而延遲。

• 應用優勢

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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測系統。對安全設備進行的評估依據的是牽引供電系統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重要的。如果故障條件未被檢測到，結果導致的誤差或錯誤可能將人員或設備置于危險境地。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提出了極高的要求。專門為這種應用而設計的優質器件能同時滿足規范要求和功能要求。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要求。這些變送器專門針對鐵路應用而設計，其適用性在數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品增加了經濟競爭力。通用型設計，加上范圍選擇和寬范圍電源，這些特性大幅減少了所需產品的樣式，簡化了庫存工作。得益于其在規劃、調度和物流方面的優勢，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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