直流馈电系统的特殊组件确保了无故障紧急关机，以免对系统造成严重损坏，防止可能的人员伤害。以精确故障检测措施防止造成不必要的运行中断，这会对轨道交通和系统可用性产生重要影响。                   

                                                            —— Holger Blaak

   全球来看，每年在永久性铁路网络电气设备方面的投入超过70亿美元。其中相当大一部分将投入到公共交通系统之中，在该领域，今后几年将实现高于平均水平的增长。其中一个原因是大都市区的交通拥堵问题呈愈加严重之势。另一个原因是，政府有意实现涉及气候保护和自然资源保护的政治目标。这两条都是增进公共交通系统投资的绝佳原因。

   新铁路线路不断修建，现有线路不断延长，现有网络重新装备最新技术。对公共交通系统的经营者来说，连续、安全运行无疑是重中之重。因此，对技术设备提出了很高的要求。

图1.带电流和电压测量功能的牵引供电用开关装置

   公共交通系统的电源必须由一个监控系统进行保护，该系统将在发生故障时触发紧急关机。这些安全系统在铁路网络的运行中发挥着重要作用。它们确保人员安全，保护系统，使其免受损坏。这些系统可靠运行的一个先决条件是对电气参数进行精确测量，因为只有对这些参数进行分析才能成功检测到故障。在此，铁路应用的现实条件对测量技术提出了具体要求。

   专门针对铁路应用而设计的产品既要提供高度的安全性，同时还不能降低铁路网络的可用性。

   安全性和可用性是两个重要要求，二者往往难以调和。因此我们需要细致地考察这些系统的结构及其工作原理。我们将从中推导出最佳解决方案。

• 系统结构和系统设计

   公共交通工具（如地铁、市郊列车和有轨电车通常采用直流电流供电。电源电压在600至3000VDC之间。每个线路区段提供的电力为兆瓦级。需要安装能在发生故障时触发紧急关机的监测系统，以保护人员和设备安全。对这些监测系统提出的故障检测要求非常高：在电力如此高的情况下，假阴性评估（即未检测到短路）可能对人员造成严重风险，并可能导致系统组件损坏。因此，故障检测功能必须足够灵敏，确保不漏掉任何错误，并能随时保证安全关机。然而，高灵敏度却可能增加假阳性评估的次数。这意味着，系统会在未发生故障时关机。结果会导致轨道交通中断。显然，这种情况也会对铁路运营产生严重影响，应该予以避免。故障检测的专一性就如灵敏度一样重要，即是说，我们需要的是高灵敏度和高专一性的监测系统，因为这样的系统可以在排除风险的同时，实现铁路系统的高可用性。

   故障和状态识别使用了多种不同的算法。这些算法主要基于对馈电点电气参数的分析。在大型网络中，电力是通过分布于网络中的变电站提供的。这些变电站往往有多个馈电点，电力通过这些馈电点馈入架空电线。在这些馈电点，安装有监测和保护设备。根据监测任务的不同，电流的幅度及其变化速率由一个直流传感器进行测量(IEC 61992-1/EN50123-1)。必要时同时还测量电压。安全继电器会持续分析这些数据。当检测到故障时，安全继电器触发负载下对应断路器的脱钩装置。输出至该馈电点的电流和电源会中断。

   针对电流测量，IEC 61992/EN50123规定了一种广泛使用的既定方法。在这种方法下，要测量置于电流路径中的一个分流电阻上的电压降。该电压—实际约为±60至±150 mV—与电流成比例。分流电压最好较低，以减少分流电阻功率，从而减少分流电阻的发热量。如果功耗较低，则可使用尺寸较小的分流电阻。为了实现紧凑型安装，通常使用60mV分流电压。显著较低的分流电压会妨碍测量。显著较高的电压则会产生过多热量，或者分流电阻尺寸过大。上述幅度的分流电压是一种合适的折衷选择。

  从实用角度来看，当不可容忍长期较差的行为（不精确/漂移/温度依赖性）时，简单的霍尔变送器不是一种可行的选择。通常情况下，直接用带有分压器的一台测量设备来测量电压。IEC61992/EN50123中提到了这种方法。

  检测到的信号以电流方式隔离，并作为电气标准信号(IEC61992/EN 50123) 传输至安全继电器，而继电器则对算法进行处理以便评估信号并在发生故障时，使断路器脱钩，从而触发紧急关机。有时候，传输的是制造商特定信号（如通过光纤连接），后面还有可能转换成标准信号。

• 电流和电压的测量要求/选择原则

1. 高直流电压下的绝缘和电流隔离

2. 无干扰运行（即使电压快速波动）

3. 精密信号再生，实现无错监测

4. 精密分析的高精度要求

5. 灵活的多范围传感器外加通用型电源设计，大幅简化库存工作

• 产品性能

   Knick生产的P40000系列变送器专门针对牵引供电系统的监测需求而设计。P40000可提供全球铁路标准EN 50124规定的高隔离性能。

   精确的信号传输，可以忽略不计的延迟，再加上超高的共模抑制性能，这些条件使P40000成为牵引应用的极佳选择。牵引供电监测系统的三大要素：安全性（高隔离）、可靠性（精确的信号传输）和网络效率（减少共模干扰）。P40000系列产品具有极大的灵活性，提供广泛的电源和可切换校准输入选项，只需一台设备即可完成所有电流和电压测量任务，结果成就的是铁路网络的安全、可靠、高效运行。

图2.Kcnik P40000系列直流变送器

   来自Knick的P40000直流变送器符合 IEC 61992/ EN50163标准。它们涵盖最高 Un=3000VDC的所有电压，在最大非永久电压Umax2不超过3900VAC/DC时，都能提供持续隔离能力。其产品规格参数包括慢速共模负载和快速共模负载两种情况下的共模抑制比。直流或50Hz共模干扰可实现150dB的抑制比(CMRR)，而对于快速1000V/1μs脉冲，则仍可实现115 dB的抑制比 (T-CMRR)。这些产品在数以千计的牵引供电系统应用中证明了其适用性。凭借较低的共模干扰性能，它们可以确保实现无干扰运行。

   P40000直流变送器的截止频率上限为（-3dB点）5 kHz，符合铁路运行期间电流波形再生的质量要求。可以安全检测到短路故障。正常的电流变化（发生于列车启动或负载变化时）可以正确识别出来，不会导致紧急关机。正常轨道交通不会受到影响。

   在一个产品中，最多可以选择16个校准输入和输出范围。范围可以由用户指定。每个器件均可支持20至253VAC/DC的电源电压，结果大幅减少了产品变体的数量。这样可以大幅简化库存工作。系统生产不会因交货时间而延迟。

• 应用优势

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•    铁路要始终保持安全运行，并使中断事故降至最低限度，这同时也依赖于能完美工作的监测系统。对安全设备进行的评估依据的是牵引供电系统中的电流和电压测量值。对这些信息进行分析是一项要求极高的任务，对其进行的评估也是至关重要的。如果故障条件未被检测到，结果导致的误差或错误可能将人员或设备置于危险境地。另一方面，错误识别故障则可能对轨道交通造成严重影响。因此，故障检测系统必须同时具备高灵敏度和专一性。

     铁路应用的特殊条件对所使用的技术提出了极高的要求。专门为这种应用而设计的优质器件能同时满足规范要求和功能要求。这里尤其重要的是隔离属性、共模抑制、精度和截止频率。每一个特性都必须完全适用于测量应用，以确保整体任务能得到可靠的实施。来自Knick的 P40000系列变送器在各个方面均符合诸如此类高技术要求。这些变送器专门针对铁路应用而设计，其适用性在数以千计的应用中得到了检验。

     另外，其出色的成本效益也为产品增加了经济竞争力。通用型设计，加上范围选择和宽范围电源，这些特性大幅减少了所需产品的样式，简化了库存工作。得益于其在规划、调度和物流方面的优势，这些器件可以集成到不同的项目之中，极大地减少所需人力投入。

  
  

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