軌道交通直流供電系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備簡述作者秦峰單位鎮(zhèn)江大

軌道交通直流供電系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備簡述作者秦峰(單位鎮(zhèn)江大秦峰(單位:鎮(zhèn)江大全賽雪龍牽引電氣)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、直流開關(guān)柜等。本文簡要介紹了直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備—直流開關(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關(guān)柜引言都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)于都市的交通。一樣認(rèn)為,都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輛的都市快速軌道交通方式,國際上通稱LightRailTransit（LRT）,近年來在國內(nèi)外進(jìn)展專門快。它以外部電源為動(dòng)力,以鋼輪、鋼軌為導(dǎo)向。其要緊設(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)。它不與其他地面車輛混雜行駛,要求線路是全隔離或差不多隔離。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,而且對線路、站臺(tái)、行車操縱等都有專門的要求。在過去的20年里,都市軌道交通得到了空前的進(jìn)展,許多都市的交通系統(tǒng)趨向成熟,解決了大量的技術(shù)、設(shè)備、資金和治理難題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),現(xiàn)在已有許多于200座都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)劃的線路總長度達(dá)7000km以上。從目前的態(tài)勢看,軌道交通將成為世界都市交通的進(jìn)展方向。都市軌道交通之因此為世人所青睞,是因?yàn)樗兄渌煌üぞ咚鶡o法比擬的優(yōu)點(diǎn):快捷、準(zhǔn)時(shí)、安全、舒服、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、直流開關(guān)柜等。本文簡要介紹了直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備—直流開關(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，串聯(lián)繞組整流式電機(jī)因其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，專門適于牽引，一直作為一種理想的驅(qū)動(dòng)裝置。關(guān)于直流，供電導(dǎo)體（電感為1～4mH/Km）上的壓降僅取決于電阻?，F(xiàn)在電力電子技術(shù)已得到快速進(jìn)展，因而我們能夠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)在國外差不多成熟，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DIN57115第一部分的舉薦值選取。作為一樣原則，有軌電車的電壓為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。電壓承諾波動(dòng)范疇為+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%。剎車時(shí)，火車頭將能量反饋到DC網(wǎng)絡(luò)上，從而使電壓增高。僅少數(shù)情形下，通過轉(zhuǎn)換器將剎車能量反饋至三相交流系統(tǒng)中。對直流供電的鐵路，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。依照有關(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)過載而失電的路段，電源必須能自動(dòng)復(fù)原。這就需要直流開關(guān)裝置。三．直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵電器裝置1.整流器都市軌道交通牽引供電系統(tǒng)整流器全部采納三相全波橋式整流，選擇平板式二極管，而且一樣采納國內(nèi)最高品質(zhì)的產(chǎn)品。牽引供電系統(tǒng)整流器采納自然風(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。IEC146規(guī)定了多種負(fù)載等級(jí)（過載能力）。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。一樣情形下，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。目前所采納的整流機(jī)組的功率因數(shù)都滿足大于0.95的要求。見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關(guān)于大容量負(fù)載，一樣采納將兩個(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（專門是高次諧波）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，使變壓器顯現(xiàn)過熱；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，減少對都市電力系統(tǒng)的阻礙，一樣采納12、24脈波整流電路。更由于采納24脈波跟采納12脈波相比，能夠更有效減少高次諧波，提高電源質(zhì)量和功率因數(shù)，目前都市軌道交通供電系統(tǒng)，不再采納十二脈波整流機(jī)組，而是采納二十四脈波整流機(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。1000～6000A的斷路器，其響應(yīng)時(shí)刻僅為幾個(gè)毫秒。圖一：UR與HPB應(yīng)用范疇圖示瑞士賽雪龍公司生產(chǎn)的斷路器有UR系列（500～4000A）和HPB系列（4500～6000A）。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)用范疇圖示。UR和HPB型直流快速斷路器專門適用于直流牽引配電網(wǎng)絡(luò)中，作為接觸網(wǎng)和鐵軌的愛護(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器探測，也能和線路測試以及自動(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能夠安裝在牽引機(jī)車內(nèi)。其設(shè)計(jì)緊湊合理，反應(yīng)速度快，滅弧時(shí)刻短，成為牽引機(jī)車優(yōu)良的開斷愛護(hù)裝置。圖二：DC斷路器UR36/40原理圖1105、1130——導(dǎo)體連接排；1200——直截了當(dāng)過流脫扣器；1330——限位叉；1123——棘爪；5805——金屬柵片；5803——消電離板；5800-滅弧室；710——分閘彈簧；400——輔助開關(guān)；336——接觸彈簧；335——中心傳動(dòng)桿；330——合閘線圈；1120——?jiǎng)佑|頭；圖二為DC斷路器UR36/40原理圖。它采納了電磁吹弧、電動(dòng)操作系統(tǒng)、直截了當(dāng)瞬時(shí)過流脫扣、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的使用壽命。圖三、圖四為UR和HPB系列的代表產(chǎn)品。圖三：HPB45系列斷路器和HPB60系列斷路器圖四：UR26/36/40系列斷路器直流滅弧原理與交流電弧不同，直流電弧只能靠強(qiáng)制電流為零來熄滅，這意味著電弧電壓US必須高于斷路器QF電壓。能夠通過合理的措施，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。對高壓直流回路，必須相應(yīng)地降低和/制造人工電流零點(diǎn)（加LC諧振回路）來滅弧。UR36分?jǐn)噙^程當(dāng)斷路器跳閘后，主回路磁場將動(dòng)、靜觸頭之間產(chǎn)生的電弧吹入滅弧室。滅弧室采納冷陰極設(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)槊績蓧K滅弧板之間的電壓降約為40V，因此總的電弧電奪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)的過電壓由金屬柵片的數(shù)量來加以限制。瑞士賽雪龍公司的DC快速斷路器一樣不超過額定電壓的兩倍。對要求分閘更快的斷路器，通過加接LC諧振電路產(chǎn)生人工電流零點(diǎn)來滅弧，這需要專門精確和可靠的電子技術(shù)。跳閘后，只有通過測試，確認(rèn)短路清除，斷路器才能自動(dòng)重合閘。測試方法是：每隔幾秒，將電壓加至架空接觸線，假如短路清除，則合閘；否則重復(fù)幾次。用電阻限制測試電流大小。3.直流開關(guān)柜系列直流開關(guān)柜分固定式和移開式兩種。關(guān)于固定式開關(guān)柜，也確實(shí)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，關(guān)于移開式開關(guān)柜，也確實(shí)是斷路器固定安裝在可移開的手車內(nèi)，瑞士賽雪龍代表性產(chǎn)品有KMB、MB等。不同的是KMB的斷路器、測量裝置、線路測試裝置、操縱與愛護(hù)裝置都安裝在手車內(nèi)，而MB僅斷路器、測量分流器安裝在手車內(nèi)，線路測試裝置和操縱與愛護(hù)裝置裝設(shè)在柜體內(nèi)。圖五：MB斷路器柜1.斷路器手車2.斷路器室3.柜后母線室4.測量室5.低壓室圖六：KMB斷路器柜斷路器手車2.斷路器室3.柜后母線室4.測量室5.低壓室6.轉(zhuǎn)換（隔離）開關(guān)實(shí)際上，KMB或MB確實(shí)是一個(gè)集成系統(tǒng)。它包括斷路器手車、操縱和愛護(hù)系統(tǒng)SEPCOS、框架、母排等，也可依照用戶需求，加裝轉(zhuǎn)換開關(guān)或隔離開關(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。要緊為地鐵、都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)：一體化手車式金屬封閉式直流開關(guān)柜,帶有抽出式直流快速斷路器，檢修愛護(hù)方便；高防護(hù)等級(jí)和完善的封堵措施；UR或HPB高性能直流快速斷路器；高分?jǐn)嗄芰?；可?shí)現(xiàn)靠墻安裝；帶安全聯(lián)鎖的隔離開關(guān)易于接近，方便柜前或柜后操作愛護(hù)；裝有集成化的操縱愛護(hù)系統(tǒng)-SEPCOSNG,可在牽引網(wǎng)絡(luò)操縱中心實(shí)現(xiàn)遙控、遙測和遙信；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):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,高防護(hù)等級(jí)和完善的封堵措施UR或HPB高性能直流快速斷路器高分?jǐn)嗄芰ρb有集成化的操縱愛護(hù)系統(tǒng)SEPCOSNG,可在牽引網(wǎng)絡(luò)操縱中心實(shí)現(xiàn)遙控、遙測和遙信新型的快速連接技術(shù)，確保柜間二次連線方便快捷。四.線路段的愛護(hù)對線路段的導(dǎo)體和供電電纜，除短路愛護(hù)外，還有許多愛護(hù)，如饋電電壓監(jiān)視（軌道帶電）、電流變化率di/dt愛護(hù)、熱愛護(hù)、長時(shí)刻小故障電流Imax愛護(hù)、饋電絕緣故障檢測（電纜是否漏電、是否受到腐蝕）、電壓下降等。在軌道交通進(jìn)展初期，在直流供電系統(tǒng)愛護(hù)方面還沒有性能好、可靠性高的愛護(hù)裝置，一樣僅靠電流速斷和過電流愛護(hù)來切斷短路故障，成效往往不理想。隨著電子技術(shù)、運(yùn)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展，人們采納微處理器實(shí)現(xiàn)了電流上升率和電流增量等愛護(hù)，極大地提高了供電愛護(hù)的可靠性和準(zhǔn)確率。目前最先進(jìn)的方法是采納基于可編程操縱器的數(shù)字式斷電愛護(hù)裝置取代傳統(tǒng)的斷電器等愛護(hù)裝置，從而大大提高了可靠性、愛護(hù)性能以及配電自動(dòng)化程度。愛護(hù)系統(tǒng)通過直流分流器、直流傳感器、霍爾傳感器、隔離變送器、分壓器等元件測量線路的電流和電壓。一旦PLC檢測出線故障，則使斷路器分閘，從而實(shí)現(xiàn)愛護(hù)功能。愛護(hù)系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：能適用于所有線路供電方案，如單邊供電、