简述轨道交通直流供电系统的开关设备.doc

1简述轨道交通直流供电系统的开关设备简述轨道交通直流供电系统的开关设备作者：秦峰作者：秦峰 ( (单位单位: :镇江大全赛雪龙牵引电气有限公司镇江大全赛雪龙牵引电气有限公司) )摘要摘要 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）关键词关键词 直流供电系统直流供电系统 直流快速断路器直流快速断路器 直流开关柜直流开关柜 一一. . 引言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）2二．直流供电原理与要求二．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1～4mH/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%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三．直流供电系统的关键电器装置1.1.整流器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：3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，750V 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2.2.直流断路器直流断路器DC 断路器为机械式、单相快速断路器1000～6000A 的断路器，其响应时间仅为几个毫秒4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（500～4000A）和 HPB 系列（4500～6000A） 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5图二：DC 断路器 UR36/40 原理图 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 系列的代表产品6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.a. 直流灭弧原理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.b. UR36UR36 分断过程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，因为每两块灭弧板之间7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3.3. 直流开关柜系列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1 13 34 42 25 5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8154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SEPCOS、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： 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； 高防护等级和完善的封堵措施； UR 或 HPB 高性能直流快速断路器； 高分断能力； 可实现靠墙安装； 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； 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； 新型的快速连接技术，确保柜间二次连线方便快捷；9MB 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: 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, 高防护等级和完善的封堵措施 UR 或 HPB 高性能直流快速断路器 高分断能力  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 新型的快速连接技术，确保柜间二次连线方便快捷。

四四. . 线路段的保护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： 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 能区分牵引电流和故障电流、基本保护和后备保护 动作迅速10保护系统包括两。