1、軌道交通直流供電系統的開關設備簡述摘要軌道交通的供電系統包括高、中、低壓交流供電系統、直流供電系統以及電力集中監控系統（SCADA等。直流供電系統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的關鍵性設備一一直流開關柜（KMB、MB、NPMPD）以及直流快速斷路器（URHPB）。關鍵詞直流供電系統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LightRailTransitLRT）

2、,近年來在國內外發展很快。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展，許多城市的交通系統趨向成熟，解決了大量的技術、設備、資金和管理難題。據不完全統計，現在已有不少于200座城市正在積極地從事各種軌道交通的規劃和修建工作，規劃的線路總長度達7000km以上。從目前的態勢看，軌道交通將成為世界城市交通的發

3、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包括高、中、低壓交流供電系統、直流供電系統以及電力集中監控系統（SCADA）亨。直流供電系統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的關鍵性設備一直流開關柜（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。現

4、在電力電子技術已得到快速發展，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咬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DIN57115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網絡上，從而使電壓增高。僅少數情況下，通過轉換器將剎車能量反饋至三相交流系統中。對直流供

5、電的鐵路，鐵軌作為匯流導體，大多數鐵路將系統負極連接至鐵軌.較老的鐵路，也有將系統正極接地。根據有關規定，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.直流供電系統的關鍵電器裝置1 .整流器城市軌道交通牽引供電系統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。兩個整流橋并聯連接構成十二脈波整流。兩臺整流器并聯運行構成等效二

6、十四脈波整流。IEC14緘定了多種負載等級（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）功率因數和脈波數的關系：脈波數越多，功率因數越高。目前所采用的整流機組的功率因數都滿足大于0.95的要求。見下表為三相全波橋式整流預期功率因數：脈波數功率因數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或串聯。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，電纜發熱；損耗變壓器鐵芯

7、，使變壓器出現過熱；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。這些都會降低系統的功率系數。為了提高輸出直流的質量，減少諧波，減少對城市電力系統的影響，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，目前城市軌道交通供電系統，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。投晶電Jk*)UR2S-S1LP?e舒坦中渣(A)二一：UR與HP日應用范圍區.宗瑞士賽雪龍公司生產的斷

8、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絡中，作為接觸網和鐵軌的保護以及故障區域的隔離。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，成為牽引機車優良的開斷保護裝置。圖二；DC斷路器UR3040原理圖1105、1130導體連接排；1200直接過流脫扣器；1330限位叉

9、；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UR3640原理圖。它采用了電磁吹弧、電動操作系統、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EN50123IEC61992標準和用于機車的EN/IEC6007淅準，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。圖四；UR26,3vM系冽斷路器a.直流滅弧原理與交流電弧不同，

10、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。可以通過合理的措施，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，從而達到滅弧的目的。對高壓直流回路，必須相應地降低和/創造人工電流零點（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（取決于滅弧板的數量），從而電弧得發迅速熄滅。燃燒的氣體從上端逸出，并在

11、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：SECUEB?,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

12、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轉換（隔離）開關控制和實際上，KMB或MB就是一個集成系統。它包括斷路器手車、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中。主要為地鐵、城市輕軌等軌道交通運輸系統分配電力之用

13、。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；lUR或HPB高性能直流快速斷路器；l高分斷能力；l可實現靠墻安裝；l帶安全聯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-SEPCO3NG,可在牽引網絡控制中心實現遙控、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

14、立的小室中，l高防護等級和完善的封堵措施lUR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SEPCOSNG；在牽引網絡控制中心實現遙控、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。在軌道交通發展初期，在直流供電系統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

15、發展，人們采用微處理器實現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字式斷電保護裝置取代傳統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，從而實現保護功能。保護系統應滿足如下要求：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。保護系統包括兩種保護裝置：一種

16、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（PLQ來實現控制和保護功能，如瑞士賽雪龍公司研制的遠方控制和保護系統SEPCOS可用于城市軌道交通系統、鐵路系統等。它是基于幾個微處理器的多功能電子系統，對直流變電站的饋電單元和整流器單元擔任控制和保護。SEPCOSM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，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的方法：（1）使主變壓

17、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跳系統分斷。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），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