簡(jiǎn)述軌道交通直流供電系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備

1、軌道交通直流供電系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)述摘要 軌道交通的供電系統(tǒng)包括高、中、低壓交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)以及電力集中監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）等。直流供電系統(tǒng)中的電器設(shè)備包括整流器、直流快速斷路器、直流開(kāi)關(guān)柜等。本文簡(jiǎn)要介紹了直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備直流開(kāi)關(guān)柜（KMB、MB、NPMPD）以及直流快速斷路器（UR、HPB）。關(guān)鍵詞 直流供電系統(tǒng) 直流快速斷路器 直流開(kāi)關(guān)柜一.引言城市軌道交通是指在軌道上行駛或以導(dǎo)向系統(tǒng)行駛的、服務(wù)于城市的交通。一般認(rèn)為, 城市軌道交通包括輕型軌道、高架鐵路和地下鐵路等幾種形式。其中輕型軌道交通是一種輕型車(chē)輛的城市快速軌道交通方式, 國(guó)際上通稱(chēng)Light Rail Tra

2、nsit（LRT）, 近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快。它以外部電源為動(dòng)力, 以鋼輪、鋼軌為導(dǎo)向。其主要設(shè)施在地面, 部分路段可能還設(shè)置成高架鐵路, 有的則進(jìn)入地下(但通常所占比重不大)。它不與其他地面車(chē)輛混雜行駛, 要求線路是全隔離或基本隔離。地下鐵路系統(tǒng)則要求更高, 完全隔離, 全部或大部分線路設(shè)置在地面以下, 而且對(duì)線路、站臺(tái)、行車(chē)控制等都有特殊的要求。在過(guò)去的20年里, 城市軌道交通得到了空前的發(fā)展, 許多城市的交通系統(tǒng)趨向成熟, 解決了大量的技術(shù)、設(shè)備、資金和管理難題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 現(xiàn)在已有不少于200 座城市正在積極地從事各種軌道交通的規(guī)劃和修建工作, 規(guī)劃的線路總長(zhǎng)度達(dá)7000 km 以

3、上。從目前的態(tài)勢(shì)看, 軌道交通將成為世界城市交通的發(fā)展方向。城市軌道交通之所以為世人所青睞, 是因?yàn)樗兄渌煌üぞ咚鶡o(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn): 快捷、準(zhǔn)時(shí)、安全、舒適、運(yùn)量大、能耗低且污染輕。軌道交通的供電系統(tǒng)包括高、中、低壓交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)以及電力集中監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)等。直流供電系統(tǒng)中的電器設(shè)備包括整流器、直流快速斷路器、直流開(kāi)關(guān)柜等。本文簡(jiǎn)要介紹了直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備直流開(kāi)關(guān)柜（KMB、MB、NPMPD）以及直流快速斷路器（UR、HPB）。二直流供電原理與要求軌道交通使用直流供電。多年來(lái)，串聯(lián)繞組整流式電機(jī)因其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，特別適于牽引，一直作為一種理想的驅(qū)動(dòng)裝置。對(duì)于直流，供

4、電導(dǎo)體（電感為14mH/Km）上的壓降僅取決于電阻?，F(xiàn)在電力電子技術(shù)已得到快速發(fā)展，因而我們可以用電壓和頻率都可變的電源給三相交流電機(jī)供電，但電力傳輸仍以直流形式。目前變頻變壓(VVVF)交流傳動(dòng)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)成熟，并得到普遍應(yīng)用。供電導(dǎo)體（架空接觸線或接觸軌）的額定電壓按DIN 57115第一部分的推薦值選取。作為一般原則，有軌電車(chē)的電壓為690V，中小客運(yùn)量的地鐵電壓為750V，客運(yùn)量的地鐵電壓為1200V或1500V，也有3000V。電壓允許波動(dòng)范圍為+12%-30%。額定電流下，整流器的額定電壓比供電導(dǎo)體的額定電壓高5%10%。剎車(chē)時(shí)，火車(chē)頭將能量反饋到DC網(wǎng)絡(luò)上，從而使電壓增高。僅少

5、數(shù)情況下，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將剎車(chē)能量反饋至三相交流系統(tǒng)中。對(duì)直流供電的鐵路，鐵軌作為匯流導(dǎo)體，大多數(shù)鐵路將系統(tǒng)負(fù)極連接至鐵軌.較老的鐵路，也有將系統(tǒng)正極接地。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，供電導(dǎo)體必須分為若干段，且能單獨(dú)隔離。因短時(shí)過(guò)載而失電的路段，電源必須能自動(dòng)恢復(fù)。這就需要直流開(kāi)關(guān)裝置。三直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵電器裝置1.整流器城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)整流器全部采用三相全波橋式整流，選擇平板式二極管，而且一般采用國(guó)內(nèi)最高品質(zhì)的產(chǎn)品。牽引供電系統(tǒng)整流器采用自然風(fēng)冷式，用于戶內(nèi)安裝。單臺(tái)整流器由兩個(gè)三相六脈沖全波整流橋組成。其中一個(gè)整流橋接至整流變壓器二次側(cè)星形繞組，另一個(gè)整流橋接至整流變壓器二次側(cè)三角形繞組。兩個(gè)整流

6、橋并聯(lián)連接構(gòu)成十二脈波整流。兩臺(tái)整流器并聯(lián)運(yùn)行構(gòu)成等效二十四脈波整流。IEC 146規(guī)定了多種負(fù)載等級(jí)（過(guò)載能力）。通常使用的是VI級(jí)（鐵路重載）：3倍額定電流，1min；或1.5倍額定電流，2h。一般情況下，三相全波橋式整流預(yù)期（或理想）功率因數(shù)和脈波數(shù)的關(guān)系：脈波數(shù)越多，功率因數(shù)越高。目前所采用的整流機(jī)組的功率因數(shù)都滿足大于0.95的要求。見(jiàn)下表為三相全波橋式整流預(yù)期功率因數(shù)：脈波數(shù)功率因數(shù)六0.955十二0.988二十四0.997對(duì)于大容量負(fù)載，一般采用將兩個(gè)三相全波橋式整流機(jī)組并聯(lián)或串聯(lián)。如：1500V的上海地鐵、廣州地鐵等，750V的武漢高架輕軌等。在正常操作中，電流諧波（特別是高次

7、諧波）作為一種能量會(huì)使電纜內(nèi)耗加大，電纜發(fā)熱；損耗變壓器鐵芯，使變壓器出現(xiàn)過(guò)熱；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)，效率降低，進(jìn)而縮短電纜、電機(jī)、變壓器的使用壽命。這些都會(huì)降低系統(tǒng)的功率系數(shù)。為了提高輸出直流的質(zhì)量，減少諧波，減少對(duì)城市電力系統(tǒng)的影響，一般采用12、24脈波整流電路。更由于采用24脈波跟采用12脈波相比，可以更有效減少高次諧波，提高電源質(zhì)量和功率因數(shù)，目前城市軌道交通供電系統(tǒng)，不再采用十二脈波整流機(jī)組，而是采用二十四脈波整流機(jī)組，已達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。2.直流斷路器DC斷路器為機(jī)械式、單相快速斷路器。10006000A的斷路器，其響應(yīng)時(shí)間僅為幾個(gè)毫秒。瑞士賽雪龍公司生產(chǎn)的斷路器有UR系列（5004

8、000A）和HPB系列（45006000A）。它是一種雙向、單極快速直流空氣斷路器。如圖一為UR與HPB應(yīng)用范圍圖示。UR和HPB型直流快速斷路器特別適用于直流牽引配電網(wǎng)絡(luò)中，作為接觸網(wǎng)和鐵軌的保護(hù)以及故障區(qū)域的隔離。UR和HPB型直流快速斷路器設(shè)計(jì)緊湊，占用空間小。另外，它既能用線路故障探測(cè)器探測(cè)，也能和線路測(cè)試以及自動(dòng)重合閘裝置相連。由于其抗振動(dòng)及抗沖擊性特點(diǎn)，UR和HPB可以安裝在牽引機(jī)車(chē)上。其設(shè)計(jì)緊湊合理，反應(yīng)速度快，滅弧時(shí)間短，成為牽引機(jī)車(chē)優(yōu)良的開(kāi)斷保護(hù)裝置。1105、1130導(dǎo)體連接排；1200直接過(guò)流脫扣器；1330限位叉；1123棘爪；5805金屬柵片；5803消電離板；580

9、0-滅弧室；710分閘彈簧；400輔助開(kāi)關(guān)；336接觸彈簧；335中心傳動(dòng)桿；330合閘線圈；1120動(dòng)觸頭； 圖二為DC斷路器UR36/40原理圖。它采用了電磁吹弧、電動(dòng)操作系統(tǒng)、直接瞬時(shí)過(guò)流脫扣、間接快速脫扣（可選項(xiàng)）和空氣自然冷卻方式等技術(shù)。UR和HPB系列斷路器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，絕緣性高，并遵循用于固定安裝的EN50123/IEC61992標(biāo)準(zhǔn)和用于機(jī)車(chē)的EN/IEC60077標(biāo)準(zhǔn)，從而確保UR和HPB系列斷路器具有高可靠性和極長(zhǎng)的使用壽命。圖三、圖四為UR和HPB系列的代表產(chǎn)品。a.直流滅弧原理與交流電弧不同，直流電弧只能靠強(qiáng)制電流為零來(lái)熄滅，這意味著電弧電壓US必須高于斷路器QF電壓?？梢?/p>

10、通過(guò)合理的措施，如在中、低壓直流回路中使用電磁吹弧斷路器，使電弧電壓迅速提高，從而達(dá)到滅弧的目的。對(duì)高壓直流回路，必須相應(yīng)地降低和/創(chuàng)造人工電流零點(diǎn)（加LC諧振回路）來(lái)滅弧。b.UR36分?jǐn)噙^(guò)程當(dāng)斷路器跳閘后，主回路磁場(chǎng)將動(dòng)、靜觸頭之間產(chǎn)生的電弧吹入滅弧室。滅弧室采用冷陰極設(shè)計(jì)，由許多相互絕緣的滅弧板（金屬柵片）組成。一旦電弧進(jìn)入滅弧室，就被金屬柵片分裂為許多串聯(lián)的小弧段，因?yàn)槊績(jī)蓧K滅弧板之間的電壓降約為40V，所以總的電弧電奪US便大大增加（取決于滅弧板的數(shù)量），從而電弧得發(fā)迅速熄滅。燃燒的氣體從上端逸出，并在位于金屬滅弧板上部的絕緣板之間被去電離。分閘時(shí)的過(guò)電壓由金屬柵片的數(shù)量來(lái)加以限制。

11、瑞士賽雪龍公司的DC快速斷路器一般不超過(guò)額定電壓的兩倍。對(duì)要求分閘更快的斷路器，通過(guò)加接LC諧振電路產(chǎn)生人工電流零點(diǎn)來(lái)滅弧，這需要非常精確和可靠的電子技術(shù)。跳閘后，只有通過(guò)測(cè)試，確認(rèn)短路清除，斷路器才能自動(dòng)重合閘。測(cè)試方法是：每隔幾秒，將電壓加至架空接觸線，如果短路清除，則合閘；否則重復(fù)幾次。用電阻限制測(cè)試電流大小。 3. 直流開(kāi)關(guān)柜系列直流開(kāi)關(guān)柜分固定式和移開(kāi)式兩種。對(duì)于固定式開(kāi)關(guān)柜，也就是斷路器固定安裝在柜體內(nèi)部，瑞士賽雪龍代表性產(chǎn)品有：SECUB等，對(duì)于移開(kāi)式開(kāi)關(guān)柜，也就是斷路器固定安裝在可移開(kāi)的手車(chē)上，瑞士賽雪龍代表性產(chǎn)品有KMB、MB等。不同的是KMB的斷路器、測(cè)量裝置、線路測(cè)試裝置

12、、控制與保護(hù)裝置都安裝在手車(chē)上，而MB僅斷路器、測(cè)量分流器安裝在手車(chē)上，線路測(cè)試裝置和控制與保護(hù)裝置裝設(shè)在柜體內(nèi)。實(shí)際上，KMB或MB就是一個(gè)集成系統(tǒng)。它包括斷路器手車(chē)、控制和保護(hù)系統(tǒng)SEPCOS、框架、母排等，也可根據(jù)用戶需求，加裝轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)或隔離開(kāi)關(guān)。KMB柜寬為600mm或800mm，它適用于額定工作電壓低于3000V，額定電流最大至6000A的直流牽引供電系統(tǒng)中。主要為地鐵、 城市輕軌等軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)分配電力之用。具有如下特點(diǎn)：l 一體化手車(chē)式金屬封閉式直流開(kāi)關(guān)柜,帶有抽出式直流快速斷路器，檢修 維護(hù)方便；l 高防護(hù)等級(jí)和完善的封堵措施；l UR或HPB高性能直流快速斷路器；l 高分?jǐn)?/p>

13、能力；l 可實(shí)現(xiàn)靠墻安裝；l 帶安全聯(lián)鎖的隔離開(kāi)關(guān)易于接近，方便柜前或柜后操作維護(hù)；l 裝有集成化的控制保護(hù)系統(tǒng)-SEPCOS NG,可在牽引網(wǎng)絡(luò)控制中心實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)和遙信；l 新型的快速連接技術(shù)，確保柜間二次連線方便快捷；MB柜寬為500mm或800mm,它適用于多種場(chǎng)合，如輕軌、地鐵以及鐵路，可滿足電流從1000A到6000A，電壓從直流750V至3000V的各種應(yīng)用需要。具有如下產(chǎn)品特點(diǎn):l 基于模塊化設(shè)計(jì)，高低壓元件分別裝設(shè)在三個(gè)獨(dú)立的小室中,l 高防護(hù)等級(jí)和完善的封堵措施l UR或HPB高性能直流快速斷路器l 高分?jǐn)嗄芰 裝有集成化的控制保護(hù)系統(tǒng)SEPCOS NG,可在牽引網(wǎng)絡(luò)控

14、制中心實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)和遙信l 新型的快速連接技術(shù)，確保柜間二次連線方便快捷。 四. 線路段的保護(hù)對(duì)線路段的導(dǎo)體和供電電纜，除短路保護(hù)外，還有許多保護(hù)，如饋電電壓監(jiān)視（軌道帶電）、電流變化率di/dt保護(hù)、熱保護(hù)、長(zhǎng)時(shí)間小故障電流Imax保護(hù)、饋電絕緣故障檢測(cè)（電纜是否漏電、是否受到腐蝕）、電壓下降等。在軌道交通發(fā)展初期，在直流供電系統(tǒng)保護(hù)方面還沒(méi)有性能好、可靠性高的保護(hù)裝置，一般僅靠電流速斷和過(guò)電流保護(hù)來(lái)切斷短路故障，效果往往不理想。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們采用微處理器實(shí)現(xiàn)了電流上升率和電流增量等保護(hù)，極大地提高了供電保護(hù)的可靠性和準(zhǔn)確率。目前最先進(jìn)的方法是采用基于可編程控制器的數(shù)

15、字式斷電保護(hù)裝置取代傳統(tǒng)的斷電器等保護(hù)裝置，從而大大提高了可靠性、保護(hù)性能以及配電自動(dòng)化程度。 保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)直流分流器、直流傳感器、霍爾傳感器、隔離變送器、分壓器等元件測(cè)量線路的電流和電壓。一旦PLC檢測(cè)出線故障，則使斷路器分閘，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：l 能適用于所有線路供電方案，如單邊供電、同一變電所內(nèi)幾個(gè)整流器并列供電、相鄰變電所整流器并列雙邊供電等。l 能區(qū)分牽引電流和故障電流、基本保護(hù)和后備保護(hù)。l 動(dòng)作迅速。保護(hù)系統(tǒng)包括兩種保護(hù)裝置：一種是直接裝在斷路器操作機(jī)構(gòu)中的保護(hù)元件（如各種脫扣器）；另一種是繼電保護(hù)裝置（間接保護(hù)）。目前多采用微處理器（PLC）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和

16、保護(hù)功能，如瑞士賽雪龍公司研制的遠(yuǎn)方控制和保護(hù)系統(tǒng)SEPCOS，可用于城市軌道交通系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)等。它是基于幾個(gè)微處理器的多功能電子系統(tǒng)，對(duì)直流變電站的饋電單元和整流器單元擔(dān)任控制和保護(hù)。SEPCOS具有模塊化、易于擴(kuò)展、適應(yīng)性強(qiáng)（通過(guò)軟件）等特點(diǎn)。它是一個(gè)非常開(kāi)放的系統(tǒng)，能與其他通信設(shè)備進(jìn)行通信。 五. 直流開(kāi)關(guān)裝置的絕緣故障對(duì)于簡(jiǎn)易的保護(hù)接地，沒(méi)有必要進(jìn)行絕緣故障檢測(cè)，因?yàn)榻^緣故障電流達(dá)不到中壓斷路器和本段直流斷路器的脫扣電流。有以下兩種用來(lái)保護(hù)系統(tǒng)的方法：（1） 使主變壓器、整流器及整流器柜與地絕緣，這樣故障電流只能通過(guò)地線擴(kuò)散。（2） 在地線中串接電流斷電器，檢測(cè)任何故障電流。這也有兩

17、種形式：交流、直流側(cè)的地線與交流地連接，優(yōu)點(diǎn)是在交流設(shè)備與直流設(shè)備之間不會(huì)產(chǎn)生任何接觸電壓。交流地與鐵軌地（導(dǎo)體線或鐵軌）之間的電壓必須監(jiān)視。交流側(cè)的地線與交流地相連，直流側(cè)的地線與鐵軌地相連。直流側(cè)的故障電流會(huì)更大些，并保證在地線中串接電流繼電器進(jìn)行檢測(cè)。缺點(diǎn)是：在交流側(cè)和直流側(cè)的金屬結(jié)構(gòu)之間可能產(chǎn)生接觸電壓。上述方法中，當(dāng)電流和電壓繼電器有響應(yīng)時(shí)，所有中壓側(cè)和直流側(cè)的斷路器必須分閘。如果導(dǎo)體從兩端受電（即采用雙邊供電），在相鄰變電站中的饋電斷路器借助聯(lián)跳系統(tǒng)分?jǐn)唷?六 結(jié)束語(yǔ)地鐵、輕軌用直流電器設(shè)備包括整流器、直流開(kāi)關(guān)柜、直流快速斷路器、控制和保護(hù)系統(tǒng)等。目前我國(guó)軌道交通采用的直流電壓為750V（接觸軌式，又稱(chēng)第三軌）和1500V（架空接觸網(wǎng)），涉及的技術(shù)有整流技術(shù)、通迅技術(shù)、軟件技術(shù)等。其中有些技術(shù)我國(guó)已經(jīng)掌握，有些還需要借鑒國(guó)外先