簡述軌道交通直流供電系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備

1、軌道交通直流供電系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備簡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)備一一直流開關(guān)柜KMB、MB、NPMPD以及直流快速斷路器URHPB.關(guān)鍵詞直流供電系統(tǒng)直流快速斷路器直流開關(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、效勞于城市的交通.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輛的城市快速軌道交通方式,國際上通稱LightRailTransitLRT,近年來在國

2、內(nèi)外開展很快.它以外部電源為動力,以鋼輪、鋼軌為導(dǎo)向.其主要設(shè)施在地面,局部路段可能還設(shè)置成高架鐵路,有的那么進(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根本隔離.地下鐵路系統(tǒng)那么要求更高,完全隔離,全部或大局部線路設(shè)置在地面以下,而且對線路、站臺、行車限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開展,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、資金和治理難題.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(dá)7000km以上.從目前的態(tài)勢看,軌道交通將成為世界城市交通的開展方向.城市

3、軌道交通之所以為世人所青睞,是由于它有著其他交通工具所無法比較的優(yōu)點：快捷、準(zhǔn)時、平安、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亨.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)備一直流開關(guān)柜KMB、MB、NPMPD以及直流快速斷路器URHPB.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(zhuǎn)矩大,特別適于牽引,一直作為一種理想的驅(qū)動裝置.對于直流,供電導(dǎo)體電感為14mH/Km上的壓降僅取決于電阻.現(xiàn)在電力電子技術(shù)已得到快速開展

4、,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咬流傳動技術(shù)在國外已經(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DIN57115第一局部的推薦值選取.作為一般原那么,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(dǎo)體的額定電壓高5%10%.剎車時,火車頭將能量反響到DC網(wǎng)絡(luò)上,從而使電壓增高.僅少數(shù)情況下,通過轉(zhuǎn)換器將剎車能量反響至三相交流系統(tǒng)中.對直流供電的鐵路,鐵軌作為匯流導(dǎo)體,大多

5、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)體必須分為假設(shè)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(fù).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(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(cè)星形繞組,另一個整流橋接至整流變壓器二次側(cè)三角形繞組.兩個整流橋并聯(lián)連接構(gòu)成十二脈波整流.兩臺整流器并聯(lián)運行構(gòu)成等效二十四脈波整流.IEC14緘定了

6、多種負(fù)載等級過載水平.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(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對于大容量負(fù)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(nèi)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(zhuǎn)子振動,效率降

7、低,進(jìn)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).為了提升輸出直流的質(zhì)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,提升電源質(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組,而是采用二十四脈波整流機組,已到達(dá)經(jīng)濟(jì)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(yīng)時間僅為幾個毫秒.投晶電Jk<¥*)UR2S-S1LP?e«舒坦中渣(A)二一：UR與HP日應(yīng)用范圍區(qū).宗瑞士賽雪龍公司生產(chǎn)的斷路器有UR

8、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(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(shè)計緊湊合理,反響速度快,滅弧時間短,成為牽引機車優(yōu)良的開斷保護(hù)裝置.圖二；DC斷路器UR3040原理圖1105、1130導(dǎo)體連接排；1200直接過流脫扣器；1330限位叉；1123

9、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中央傳動桿;330合閘線圈；1120動觸頭；圖二為DC斷路器UR3640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(shù).UR和HPB系列斷路器設(shè)計簡潔,絕緣性高,并遵循用于固定安裝的EN50123IEC61992標(biāo)準(zhǔn)和用于機車的EN/IEC6007淅準(zhǔn),從而保證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.圖四；UR26,3vM系冽斷路器a.直流滅弧原理與交流電弧不同,直流電弧只能靠

10、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.可以通過合理的舉措,如在中、低壓直流回路中使用電磁吹弧斷路器,使電弧電壓迅速提升,從而到達(dá)滅弧的目的.對高壓直流回路,必須相應(yīng)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?jǐn)噙^程當(dāng)斷路器跳閘后,主回路磁場將動、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,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,由于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

11、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(chǎn)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(shù).跳閘后,只有通過測試,確認(rèn)短路去除,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,如果短路去除,那么合閘；否那么重復(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.對于固定式開關(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：SECUEB?,對于移開式開關(guān)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(chǎn)品有KM

12、B、MB等.不同的是KMB的斷路器、測量裝置、線路測試裝置、限制與保護(hù)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,線路測試裝置和限制與保護(hù)裝置裝設(shè)在柜體內(nèi).圖五1MB斷路器柜1一斷路器手車2斷路器室3柜后母線室4測量室5一低壓室圖六：KM舊斷路器柜1斷路器手車2斷路器室3.柜后母線空4測量室5低壓室6轉(zhuǎn)換隔離開關(guān)限制和實際上,KMB或MB就是一個集成系統(tǒng).它包括斷路器手車、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.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

13、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,檢修維護(hù)方便；l高防護(hù)等級和完善的封堵舉措；lUR或HPB高性能直流快速斷路器；l高分?jǐn)嗨?；l可實現(xiàn)靠墻安裝；l帶平安聯(lián)鎖的隔離開關(guān)易于接近,方便柜前或柜后操作維護(hù)；l裝有集成化的限制保護(hù)系統(tǒng)-SEPCO3NG,可在牽引網(wǎng)絡(luò)限制中央實現(xiàn)遙控、遙測和遙信；l新型的快速連接技術(shù),保證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：l基于模塊化設(shè)計,上下壓元件分別裝設(shè)在三個獨立的小室中,l高防護(hù)等級和

14、完善的封堵舉措lUR或HPB高性能直流快速斷路器l高分?jǐn)嗨絣裝有集成化的限制保護(hù)系統(tǒng)SEPCOSNG；在牽引網(wǎng)絡(luò)限制中央實現(xiàn)遙控、遙測和遙信l新型的快速連接技術(shù),保證柜間二次連線方便快捷.四.線路段的保護(hù)對線路段的導(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)、長時間小故障電流Imax保護(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.在軌道交通開展初期,在直流供電系統(tǒng)保護(hù)方面還沒有性能好、可靠性高的保護(hù)裝置,一般僅靠電流速斷和過電流保護(hù)來切斷短路故障,效果往往不理想.隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)的開展,人們采用微處理器實現(xiàn)了電流上

15、升率和電流增量等保護(hù),極大地提升了供電保護(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限制器的數(shù)字式斷電保護(hù)裝置取代傳統(tǒng)的斷電器等保護(hù)裝置,從而大大提升了可靠性、保護(hù)性能以及配電自動化程度.保護(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,那么使斷路器分閘,從而實現(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、根本保護(hù)和后備保護(hù).l動作迅速.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構(gòu)中的保護(hù)

16、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PLQ來實現(xiàn)限制和保護(hù)功能,如瑞士賽雪龍公司研制的遠(yuǎn)方限制和保護(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(dān)任限制和保護(hù).SEPCOSM有模塊化、易于擴展、適應(yīng)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(shè)備進(jìn)行通信.五.直流開關(guān)裝置的絕緣故障對于簡易的保護(hù)接地,沒有必要進(jìn)行絕緣故障檢測,由于絕緣故障電流達(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

17、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(cè)的地線與交流地連接,優(yōu)點是在交流設(shè)備與直流設(shè)備之間不會產(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)的故障電流會更大些,并保證在地線中串接電流繼電器進(jìn)行檢測.缺點是：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,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)?六.結(jié)束語地鐵、輕軌用直流電器設(shè)備包括整流器、直流開關(guān)柜、直流快速斷路器、限制和保護(hù)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(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