简述轨道交通直流供电系统的开关设备

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1、轨道交通直流供电系统的开关设备简述摘要 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快速轨道交通方式, 国际上通称Light Rail Tra

2、nsit（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

3、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

4、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%。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

5、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

6、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，750V的武汉高架轻轨等。在正常操作中，电流谐波（特别是高次

7、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，其响应时间仅为几个毫秒。瑞士赛雪龙公司生产的断路器有UR系列（5004

8、000A）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。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；580

9、0-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。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