簡述軌道交通直流供電系統(tǒng)的開關設備.doc

簡述軌道交通直流供電系統(tǒng)的開關設備作者：秦峰 (單位:鎮(zhèn)江大全賽雪龍牽引電氣有限公司) 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)中的電器設備包括整流器、直流快速斷路器、直流開關柜等。本文簡要介紹了直流供電系統(tǒng)的關鍵性設備直流開關柜（KMB、MB、NPMPD）以及直流快速斷路器（UR、HPB）。關鍵詞 直流供電系統(tǒng) 直流快速斷路器 直流開關柜 一. 引言城市軌道交通是指在軌道上行駛或以導向系統(tǒng)行駛的、服務于城市的交通。一般認為, 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輛的城市快速軌道交通方式, 國際上通稱Light Rail Transit（LRT）, 近年來在國內外發(fā)展很快。它以外部電源為動力, 以鋼輪、鋼軌為導向。其主要設施在地面, 部分路段可能還設置成高架鐵路, 有的則進入地下(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置在地面以下, 而且對線路、站臺、行車控制等都有特殊的要求。在過去的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、設備、資金和管理難題。據(jù)不完全統(tǒng)計, 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)劃的線路總長度達7000 km 以上。從目前的態(tài)勢看, 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, 是因為它有著其他交通工具所無法比擬的優(yōu)點: 快捷、準時、安全、舒適、運量大、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)中的電器設備包括整流器、直流快速斷路器、直流開關柜等。本文簡要介紹了直流供電系統(tǒng)的關鍵性設備直流開關柜（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)繞組整流式電機因其啟動轉矩大，特別適于牽引，一直作為一種理想的驅動裝置。對于直流，供電導體（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供電，但電力傳輸仍以直流形式。目前變頻變壓(VVVF)交流傳動技術在國外已經成熟，并得到普遍應用。供電導體（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，有軌電車的電壓為690V，中小客運量的地鐵電壓為750V，客運量的地鐵電壓為1200V或1500V，也有3000V。電壓允許波動范圍為+12%-30%。額定電流下，整流器的額定電壓比供電導體的額定電壓高5%10%。剎車時，火車頭將能量反饋到DC網(wǎng)絡上，從而使電壓增高。僅少數(shù)情況下，通過轉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，鐵軌作為匯流導體，大多數(shù)鐵路將系統(tǒng)負極連接至鐵軌.較老的鐵路，也有將系統(tǒng)正極接地。根據(jù)有關規(guī)定，供電導體必須分為若干段，且能單獨隔離。因短時過載而失電的路段，電源必須能自動恢復。這就需要直流開關裝置。三直流供電系統(tǒng)的關鍵電器裝置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，而且一般采用國內最高品質的產品。牽引供電系統(tǒng)整流器采用自然風冷式，用于戶內安裝。單臺整流器由兩個三相六脈沖全波整流橋組成。其中一個整流橋接至整流變壓器二次側星形繞組，另一個整流橋接至整流變壓器二次側三角形繞組。兩個整流橋并聯(lián)連接構成十二脈波整流。兩臺整流器并聯(lián)運行構成等效二十四脈波整流。IEC 146規(guī)定了多種負載等級（過載能力）。通常使用的是VI級（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期（或理想）功率因數(shù)和脈波數(shù)的關系：脈波數(shù)越多，功率因數(shù)越高。目前所采用的整流機組的功率因數(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對于大容量負載，一般采用將兩個三相全波橋式整流機組并聯(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（特別是高次諧波）作為一種能量會使電纜內耗加大，電纜發(fā)熱；損耗變壓器鐵芯，使變壓器出現(xiàn)過熱；電動機轉子振動，效率降低，進而縮短電纜、電機、變壓器的使用壽命。這些都會降低系統(tǒng)的功率系數(shù)。為了提高輸出直流的質量，減少諧波，減少對城市電力系統(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組，而是采用二十四脈波整流機組，已達到經濟運行的目的。 2.直流斷路器DC斷路器為機械式、單相快速斷路器。10006000A的斷路器，其響應時間僅為幾個毫秒。圖一：UR與HPB應用范圍圖示瑞士賽雪龍公司生產的斷路器有UR系列（5004000A）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)絡中，作為接觸網(wǎng)和鐵軌的保護以及故障區(qū)域的隔離。UR和HPB型直流快速斷路器設計緊湊，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重合閘裝置相連。由于其抗振動及抗沖擊性特點，UR和HPB可以安裝在牽引機車上。其設計緊湊合理，反應速度快，滅弧時間短，成為牽引機車優(yōu)良的開斷保護裝置。圖二：DC斷路器UR36/40原理圖1105、1130導體連接排；1200直接過流脫扣器；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；336接觸彈簧；335中心傳動桿；330合閘線圈；1120動觸頭； 圖二為DC斷路器UR36/40原理圖。它采用了電磁吹弧、電動操作系統(tǒng)、直接瞬時過流脫扣、間接快速脫扣（可選項）和空氣自然冷卻方式等技術。UR和HPB系列斷路器設計簡潔，絕緣性高，并遵循用于固定安裝的EN50123/IEC61992標準和用于機車的EN/IEC60077標準，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a. 直流滅弧原理與交流電弧不同，直流電弧只能靠強制電流為零來熄滅，這意味著電弧電壓US必須高于斷路器QF電壓?？梢酝ㄟ^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，從而達到滅弧的目的。對高壓直流回路，必須相應地降低和/創(chuàng)造人工電流零點（加LC諧振回路）來滅弧。b. UR36分斷過程當斷路器跳閘后，主回路磁場將動、靜觸頭之間產生的電弧吹入滅弧室。滅弧室采用冷陰極設計，由許多相互絕緣的滅弧板（金屬柵片）組成。一旦電弧進入滅弧室，就被金屬柵片分裂為許多串聯(lián)的小弧段，因為每兩塊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快速斷路器一般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諧振電路產生人工電流零點來滅弧，這需要非常精確和可靠的電子技術。跳閘后，只有通過測試，確認短路清除，斷路器才能自動重合閘。測試方法是：每隔幾秒，將電壓加至架空接觸線，如果短路清除，則合閘；否則重復幾次。用電阻限制測試電流大小。3. 直流開關柜系列直流開關柜分固定式和移開式兩種。對于固定式開關柜，也就是斷路器固定安裝在柜體內部，瑞士賽雪龍代表性產品有：SECUB等，對于移開式開關柜，也就是斷路器固定安裝在可移開的手車上，瑞士賽雪龍代表性產品有KMB、MB等。不同的是KMB的斷路器、測量裝置、線路測試裝置、控制與保護裝置都安裝在手車上，而MB僅斷路器、測量分流器安裝在手車上，線路測試裝置和控制與保護裝置裝設在柜體內。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 6.轉換（隔離）開關實際上，KMB或MB就是一個集成系統(tǒng)。它包括斷路器手車、控制和保護系統(tǒng)SEPCOS、框架、母排等，也可根據(jù)用戶需求，加裝轉換開關或隔離開關。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輸系統(tǒng)分配電力之用。具有如下特點：l 一體化手車式金屬封閉式直流開關柜,帶有抽出式直流快速斷路器，檢修 維護方便；l 高防護等級和完善的封堵措施；l UR或HPB高性能直流快速斷路器；l 高分斷能力；l 可實現(xiàn)靠墻安裝；l 帶安全聯(lián)鎖的隔離開關易于接近，方便柜前或柜后操作維護；l 裝有集成化的控制保護系統(tǒng)-SEPCOS NG,可在牽引網(wǎng)絡控制中心實現(xiàn)遙控、遙測和遙信；l 新型的快速連接技術，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的各種應用需要。具有如下產品特點:l 基于模塊化設計，高低壓元件分別裝設在三個獨立的小室中,l 高防護等級和完善的封堵措施l UR或HPB高性能直流快速斷路器l 高分斷能力 l 裝有集成化的控制保護系統(tǒng)SEPCOS NG,可在牽引網(wǎng)絡控制中心實現(xiàn)遙控、遙測和遙信l 新型的快速連接技術，確保柜間二次連線方便快捷。四. 線路段的保護對線路段的導體和供電電纜，除短路保護外，還有許多保護，如饋電電壓監(jiān)視（軌道帶電）、電流變化率di/dt保護、熱保護、長時間小故障電流Imax保護、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。在軌道交通發(fā)展初期，在直流供電系統(tǒng)保護方面還沒有性能好、可靠性高的保護裝置，一般僅靠電流速斷和過電流保護來切斷短路故障，效果往往不理想。隨著電子技術、計算機技術的發(fā)展，人們采用微處理器實現(xiàn)了電流上升率和電流增量等保護，極大地提高了供電保護的可靠性和準確率。目前最先進的方法是采用基于可編程控制器的數(shù)字式斷電保護裝置取代傳統(tǒng)的斷電器等保護裝置，從而大大提高了可靠性、保護性能以及配電自動化程度。 保護系統(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，從而實現(xiàn)保護功能。保護系統(tǒng)應滿足如下要求：l 能適用于所有線路供電方案，如單邊供電、同一變電所內幾個整流器并列供電、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、基本保護和后備保護。l 動作迅速。保護系統(tǒng)包括兩種保護裝置：一種是直接裝在斷路器操作機構中的保護元件（如各種脫扣器）；另一種是繼電保護裝置（間接保護）。目前多采用微處理器（PLC）來實現(xiàn)控制和保護功能，如瑞士賽雪龍公司研制的遠方控制和保護系統(tǒng)SEPCOS，可用于城市軌道交通系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)等。它是基于幾個微處理器的多功能電子系統(tǒng)，對直流變電站的饋電單元和整流器單元擔任控制和保護。SEPCOS具有模塊化、易于擴展、適應性強（通過軟件）等特點。它是一個非常開放的系統(tǒng)，能與其他通信設備進行通信。五. 直流開關裝置的絕緣故障對于簡易的保護接地，沒有必要進行絕緣故障檢測，因為絕緣故障電流達不到中壓斷路器和本段直流斷路器的脫扣電流。有以下兩種用來保護系統(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地線擴散。（2） 在地線中串接電流斷電器，檢測任何故障電流。這也有兩種形式：交流、直流側的地線與交流地連接，優(yōu)點是在交流設備與直流設備之間不會產生任何接觸電壓。交流地與鐵軌地（導體線或鐵軌）之間的電壓必須監(jiān)視。交流側的地線與交流地相連，直流側的地線與鐵軌地相連。直流側的故障電流會更大些，并保證在地線中串接電流繼電器進行檢測。缺點是：在交流側和直流側的金屬結構之間可能產生接觸電壓。上述方法中，當電流和電壓繼電器有響應時，所有中壓側和直流側的斷路器必須分閘。如果導體從兩端受電（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)分斷。六 結束語地鐵、輕軌用直流電器設備包括整流器、直流開關柜、直流快速斷路器、控制和保護系統(tǒng)等。目前我國軌道交通采用的直流電壓為750V（接觸軌式，又稱第三軌）和1500V（架空接觸網(wǎng)），涉及的技術有整流技術、通迅技術、軟件技術等。其中有些技術我國已經掌握，有些還需要借鑒國外先進的經驗，如直流滅弧技術、直流快速斷路器制造技術、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）的應用軟