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1、轨道交通直流供电系统的开关设备简述作者：秦峰 (单位:镇江大全赛雪龙牵引电气有限公司) 摘要 轨道交通的供电系统包括高、中、低压交流供电系统、直流供电系统以及电力集中监控系统(SCADA)等。直流供电系统中的电器设备包括整流器、直流快速断路器、直流开关柜等。本文简要介绍了直流供电系统的关键性设备直流开关柜（KMB、MB、NPMPD）以及直流快速断路器（UR、HPB）。关键词 直流供电系统 直流快速断路器 直流开关柜 一. 引言城市轨道交通是指在轨道上行驶或以导向系统行驶的、服务于城市的交通。一般认为, 城市轨道交通包括轻型轨道、高架铁路和地下铁路等几种形式。其中轻型轨道交通是一种轻型车辆的城市
2、快速轨道交通方式, 国际上通称Light Rail Transit（LRT）, 近年来在国内外发展很快。它以外部电源为动力, 以钢轮、钢轨为导向。其主要设施在地面, 部分路段可能还设置成高架铁路, 有的则进入地下(但通常所占比重不大)。它不与其他地面车辆混杂行驶, 要求线路是全隔离或基本隔离。地下铁路系统则要求更高, 完全隔离, 全部或大部分线路设置在地面以下, 而且对线路、站台、行车控制等都有特殊的要求。在过去的20年里, 城市轨道交通得到了空前的发展, 许多城市的交通系统趋向成熟, 解决了大量的技术、设备、资金和管理难题。据不完全统计, 现在已有不少于200 座城市正在积极地从事各种轨道交
3、通的规划和修建工作, 规划的线路总长度达7000 km 以上。从目前的态势看, 轨道交通将成为世界城市交通的发展方向。城市轨道交通之所以为世人所青睐, 是因为它有着其他交通工具所无法比拟的优点: 快捷、准时、安全、舒适、运量大、能耗低且污染轻。轨道交通的供电系统包括高、中、低压交流供电系统、直流供电系统以及电力集中监控系统(SCADA)等。直流供电系统中的电器设备包括整流器、直流快速断路器、直流开关柜等。本文简要介绍了直流供电系统的关键性设备直流开关柜（KMB、MB、NPMPD）以及直流快速断路器（UR、HPB）。二直流供电原理与要求轨道交通使用直流供电。多年来，串联绕组整流式电机因其启动转矩
4、大，特别适于牵引，一直作为一种理想的驱动装置。对于直流，供电导体（电感为14mH/Km）上的压降仅取决于电阻。现在电力电子技术已得到快速发展，因而我们可以用电压和频率都可变的电源给三相交流电机供电，但电力传输仍以直流形式。目前变频变压(VVVF)交流传动技术在国外已经成熟，并得到普遍应用。供电导体（架空接触线或接触轨）的额定电压按DIN 57115第一部分的推荐值选取。作为一般原则，有轨电车的电压为690V，中小客运量的地铁电压为750V，客运量的地铁电压为1200V或1500V，也有3000V。电压允许波动范围为+12%-30%。额定电流下，整流器的额定电压比供电导体的额定电压高5%10%。
5、刹车时，火车头将能量反馈到DC网络上，从而使电压增高。仅少数情况下，通过转换器将刹车能量反馈至三相交流系统中。对直流供电的铁路，铁轨作为汇流导体，大多数铁路将系统负极连接至铁轨.较老的铁路，也有将系统正极接地。根据有关规定，供电导体必须分为若干段，且能单独隔离。因短时过载而失电的路段，电源必须能自动恢复。这就需要直流开关装置。三直流供电系统的关键电器装置1.整流器城市轨道交通牵引供电系统整流器全部采用三相全波桥式整流，选择平板式二极管，而且一般采用国内最高品质的产品。牵引供电系统整流器采用自然风冷式，用于户内安装。单台整流器由两个三相六脉冲全波整流桥组成。其中一个整流桥接至整流变压器二次侧星形
6、绕组，另一个整流桥接至整流变压器二次侧三角形绕组。两个整流桥并联连接构成十二脉波整流。两台整流器并联运行构成等效二十四脉波整流。IEC 146规定了多种负载等级（过载能力）。通常使用的是VI级（铁路重载）：3倍额定电流，1min；或1.5倍额定电流，2h。一般情况下，三相全波桥式整流预期（或理想）功率因数和脉波数的关系：脉波数越多，功率因数越高。目前所采用的整流机组的功率因数都满足大于0.95的要求。见下表为三相全波桥式整流预期功率因数：脉波数功率因数六0.955十二0.988二十四0.997对于大容量负载，一般采用将两个三相全波桥式整流机组并联或串联。如：1500V的上海地铁、广州地铁等，7
7、50V的武汉高架轻轨等。在正常操作中，电流谐波（特别是高次谐波）作为一种能量会使电缆内耗加大，电缆发热；损耗变压器铁芯，使变压器出现过热；电动机转子振动，效率降低，进而缩短电缆、电机、变压器的使用寿命。这些都会降低系统的功率系数。为了提高输出直流的质量，减少谐波，减少对城市电力系统的影响，一般采用12、24脉波整流电路。更由于采用24脉波跟采用12脉波相比，可以更有效减少高次谐波，提高电源质量和功率因数，目前城市轨道交通供电系统，不再采用十二脉波整流机组，而是采用二十四脉波整流机组，已达到经济运行的目的。 2.直流断路器DC断路器为机械式、单相快速断路器。10006000A的断路器，其响应时间
8、仅为几个毫秒。图一：UR与HPB应用范围图示瑞士赛雪龙公司生产的断路器有UR系列（5004000A）和HPB系列（45006000A）。它是一种双向、单极快速直流空气断路器。如图一为UR与HPB应用范围图示。UR和HPB型直流快速断路器特别适用于直流牵引配电网络中，作为接触网和铁轨的保护以及故障区域的隔离。UR和HPB型直流快速断路器设计紧凑，占用空间小。另外，它既能用线路故障探测器探测，也能和线路测试以及自动重合闸装置相连。由于其抗振动及抗冲击性特点，UR和HPB可以安装在牵引机车上。其设计紧凑合理，反应速度快，灭弧时间短，成为牵引机车优良的开断保护装置。图二：DC断路器UR36/40原理图
9、1105、1130导体连接排；1200直接过流脱扣器；1330限位叉；1123棘爪；5805金属栅片；5803消电离板；5800-灭弧室；710分闸弹簧；400辅助开关；336接触弹簧；335中心传动杆；330合闸线圈；1120动触头； 图二为DC断路器UR36/40原理图。它采用了电磁吹弧、电动操作系统、直接瞬时过流脱扣、间接快速脱扣（可选项）和空气自然冷却方式等技术。UR和HPB系列断路器设计简洁，绝缘性高，并遵循用于固定安装的EN50123/IEC61992标准和用于机车的EN/IEC60077标准，从而确保UR和HPB系列断路器具有高可靠性和极长的使用寿命。图三、图四为UR和HPB系列
10、的代表产品。 图三： HPB45系列断路器和HPB60系列断路器图四：UR26/36/40系列断路器a. 直流灭弧原理与交流电弧不同，直流电弧只能靠强制电流为零来熄灭，这意味着电弧电压US必须高于断路器QF电压。可以通过合理的措施，如在中、低压直流回路中使用电磁吹弧断路器，使电弧电压迅速提高，从而达到灭弧的目的。对高压直流回路，必须相应地降低和/创造人工电流零点（加LC谐振回路）来灭弧。b. UR36分断过程当断路器跳闸后，主回路磁场将动、静触头之间产生的电弧吹入灭弧室。灭弧室采用冷阴极设计，由许多相互绝缘的灭弧板（金属栅片）组成。一旦电弧进入灭弧室，就被金属栅片分裂为许多串联的小弧段，因为每
11、两块灭弧板之间的电压降约为40V，所以总的电弧电夺US便大大增加（取决于灭弧板的数量），从而电弧得发迅速熄灭。燃烧的气体从上端逸出，并在位于金属灭弧板上部的绝缘板之间被去电离。分闸时的过电压由金属栅片的数量来加以限制。瑞士赛雪龙公司的DC快速断路器一般不超过额定电压的两倍。对要求分闸更快的断路器，通过加接LC谐振电路产生人工电流零点来灭弧，这需要非常精确和可靠的电子技术。跳闸后，只有通过测试，确认短路清除，断路器才能自动重合闸。测试方法是：每隔几秒，将电压加至架空接触线，如果短路清除，则合闸；否则重复几次。用电阻限制测试电流大小。3. 直流开关柜系列直流开关柜分固定式和移开式两种。对于固定式开
12、关柜，也就是断路器固定安装在柜体内部，瑞士赛雪龙代表性产品有：SECUB等，对于移开式开关柜，也就是断路器固定安装在可移开的手车上，瑞士赛雪龙代表性产品有KMB、MB等。不同的是KMB的断路器、测量装置、线路测试装置、控制与保护装置都安装在手车上，而MB仅断路器、测量分流器安装在手车上，线路测试装置和控制与保护装置装设在柜体内。图五：MB断路器柜1.断路器手车 2.断路器室 3.柜后母线室 4.测量室 5.低压室图六：KMB断路器柜1. 断路器手车 2.断路器室 3.柜后母线室 4.测量室 5.低压室 6.转换（隔离）开关实际上，KMB或MB就是一个集成系统。它包括断路器手车、控制和保护系统S
13、EPCOS、框架、母排等，也可根据用户需求，加装转换开关或隔离开关。KMB柜宽为600mm或800mm，它适用于额定工作电压低于3000V，额定电流最大至6000A的直流牵引供电系统中。主要为地铁、 城市轻轨等轨道交通运输系统分配电力之用。具有如下特点：l 一体化手车式金属封闭式直流开关柜,带有抽出式直流快速断路器，检修 维护方便；l 高防护等级和完善的封堵措施；l UR或HPB高性能直流快速断路器；l 高分断能力；l 可实现靠墙安装；l 带安全联锁的隔离开关易于接近，方便柜前或柜后操作维护；l 装有集成化的控制保护系统-SEPCOS NG,可在牵引网络控制中心实现遥控、遥测和遥信；l 新型的
14、快速连接技术，确保柜间二次连线方便快捷；MB柜宽为500mm或800mm,它适用于多种场合，如轻轨、地铁以及铁路，可满足电流从1000A到6000A，电压从直流750V至3000V的各种应用需要。具有如下产品特点:l 基于模块化设计，高低压元件分别装设在三个独立的小室中,l 高防护等级和完善的封堵措施l UR或HPB高性能直流快速断路器l 高分断能力 l 装有集成化的控制保护系统SEPCOS NG,可在牵引网络控制中心实现遥控、遥测和遥信l 新型的快速连接技术，确保柜间二次连线方便快捷。四. 线路段的保护对线路段的导体和供电电缆，除短路保护外，还有许多保护，如馈电电压监视（轨道带电）、电流变化
15、率di/dt保护、热保护、长时间小故障电流Imax保护、馈电绝缘故障检测（电缆是否漏电、是否受到腐蚀）、电压下降等。在轨道交通发展初期，在直流供电系统保护方面还没有性能好、可靠性高的保护装置，一般仅靠电流速断和过电流保护来切断短路故障，效果往往不理想。随着电子技术、计算机技术的发展，人们采用微处理器实现了电流上升率和电流增量等保护，极大地提高了供电保护的可靠性和准确率。目前最先进的方法是采用基于可编程控制器的数字式断电保护装置取代传统的断电器等保护装置，从而大大提高了可靠性、保护性能以及配电自动化程度。 保护系统通过直流分流器、直流传感器、霍尔传感器、隔离变送器、分压器等元件测量线路的电流和电
16、压。一旦PLC检测出线故障，则使断路器分闸，从而实现保护功能。保护系统应满足如下要求：l 能适用于所有线路供电方案，如单边供电、同一变电所内几个整流器并列供电、相邻变电所整流器并列双边供电等。l 能区分牵引电流和故障电流、基本保护和后备保护。l 动作迅速。保护系统包括两种保护装置：一种是直接装在断路器操作机构中的保护元件（如各种脱扣器）；另一种是继电保护装置（间接保护）。目前多采用微处理器（PLC）来实现控制和保护功能，如瑞士赛雪龙公司研制的远方控制和保护系统SEPCOS，可用于城市轨道交通系统、铁路系统等。它是基于几个微处理器的多功能电子系统，对直流变电站的馈电单元和整流器单元担任控制和保护
17、。SEPCOS具有模块化、易于扩展、适应性强（通过软件）等特点。它是一个非常开放的系统，能与其他通信设备进行通信。五. 直流开关装置的绝缘故障对于简易的保护接地，没有必要进行绝缘故障检测，因为绝缘故障电流达不到中压断路器和本段直流断路器的脱扣电流。有以下两种用来保护系统的方法：（1） 使主变压器、整流器及整流器柜与地绝缘，这样故障电流只能通过地线扩散。（2） 在地线中串接电流断电器，检测任何故障电流。这也有两种形式：交流、直流侧的地线与交流地连接，优点是在交流设备与直流设备之间不会产生任何接触电压。交流地与铁轨地（导体线或铁轨）之间的电压必须监视。交流侧的地线与交流地相连，直流侧的地线与铁轨地
18、相连。直流侧的故障电流会更大些，并保证在地线中串接电流继电器进行检测。缺点是：在交流侧和直流侧的金属结构之间可能产生接触电压。上述方法中，当电流和电压继电器有响应时，所有中压侧和直流侧的断路器必须分闸。如果导体从两端受电（即采用双边供电），在相邻变电站中的馈电断路器借助联跳系统分断。六 结束语地铁、轻轨用直流电器设备包括整流器、直流开关柜、直流快速断路器、控制和保护系统等。目前我国轨道交通采用的直流电压为750V（接触轨式，又称第三轨）和1500V（架空接触网），涉及的技术有整流技术、通迅技术、软件技术等。其中有些技术我国已经掌握，有些还需要借鉴国外先进的经验，如直流灭弧技术、直流快速断路器制造技术、电力监控系统（SCADA）的应用软件技术等，需要做深入扎实的理论研究和实际应用试验，结合我国国情，研制出安全、可靠、高质、价廉、先进的直流供电系统，推动我国轨道交通事业的健康发展。参考文献：1. 杨立新. 供电系统的设备国产化分析. 地下铁道文集，1999（12）.2. 陈锡贤. 深圳地铁一期工程机电设备国产化. 地下铁道文集，1999（12）.3. 刘景 . 城市快速轨道交通市场综述. 上海电器技术， 1999（4）.4. 何海波. 地铁牵引供电牵引网的选择. 地下铁道文集，1999（12）.12