城市轨道交通直流开关柜的国产化探索.docx

城 市 轨 道 交 通直流开关柜的国产化探索刚1袁铎宁2张( 1430030;武汉地铁集团有限公司 武汉2430064)中国船舶重工集团公司第七一二研究所武汉制、测量、保护元 器 件 以 及 操 作 设 备，可 实 现 就 地 或 者远方的控制、测量和保护功能。1 1 2 直流快速断路器直流快速断路器作为直流牵引供电系统正极回路供电的一次电流 开 断 保 护 装 置，是 直 流 供 电 系 统 安 全运行的保证，要求其机构能够快速动作，分断固有动作时间只有几 个 毫 秒。在 系 统 短 路 电 流 的 上 升 阶 段，直流快速断路器快速动作，及时切除故障短路电流，有效 抑制直流短路电 流 的 持 续 上 升，从 而 降 低 故 障 电 流 所 产生的电动效应和热效应。摘 要 通过介绍城市轨道交通直流开关设备特点及国产化现状，描述国产直流开关设备的主要技术性能， 给出与国际同类 型 产 品 的 对 比 分 析，旨 在 对 国 产 直流 牵引开关设备推广应用。关键词 城市轨道交通 直流开关柜 直流快速断路器 直流微机综合测控保护装置 国产化中图分类号 u231 8文献标志码 a1672-6073( 2011) 06-0096-04文章编号直流牵引供电系统是城市轨道交通牵引设备的重要组成部分，直流 开 关 设 备 是 直 流 牵 引 供 电 系 统 的 核 心设备，目前 主 要 以 进 口 品 牌 设 备 为 主。鉴 于 我 国 轨 道交通的快速发 展，有 必 要 自 主 研 发 和 推 广 应 用 国 内 自主设计的城市 轨 道 交 通 直 流 开 关 设 备，掌 握核 心 技 术，保障轨道交通的安全高效运营。1 1 3直流微机测控保护装置直流微机综合测控保护装置采用多个功能强大的微处理器，实 现 测 量、保 护 和 控 制 功 能，可 提 供 rj45、rs485、rs232 等接口，是 适 应 各 种 需 求 的 新 一 代 直 流控制和保护继电器; 可以在诸如电车、城市轨 道交通等 需要直流牵引供 电 系 统 的 场 所 应 用，满 足 直 流 快 速 断 路器的保护和测控需求。1直流开关设备特点及国产化现状直流开关设 备 的 主 要 核 心 产 品 为 直 流 开 关 柜、直1 2设备国产化现状1965 年，在北京地铁一期工程建设时，采用上海整流快速断路器、直 流 微 机 综 合 测 控 保 护 装 置 以 及 直 流隔离开关。其中，直 流 隔 离 开 关 仅 具 有 直 流 一 次 电 气 回路的连接和隔离功能，技术构成相对简单; 直流快速 断路器、直流微机 综 合 测 控 保 护 装 置 安 装 在 直 流 开 关 柜体内。1 1 主要核心设备1 1 1 直流开关柜直流开关柜为金属铠装式 户 内 成 套 设 备，包 括 控流器厂仿制前苏联的 ds1 型直流快速断路器。1989 年，中船重工 第 712 所 与 北 京 地 铁 总 公 司 联 合，在 西 门 子 公 司 3wv 直 流 快 速 断 路 器 的 基 础 上，研制了 zds-1 型直流快速断路器。在 1999 年 10 月 建 成通车的北京地铁复八线 工 程 的 四 惠 站、四 惠 东 站，2 座牵引降压混合 变 电 所 使 用 了 20 面 zds-1 型 直 流 开 关柜，至今仍在使用。当前，我国处于轨道交通的大 发展时 期，由合资工厂从国外引进直 流 开 关 设 备，垄 断 了 中 国 城 市 轨 道 交 通的建设工程，主 要 有 镇 江 大 全 赛 雪 龙 牵 引 电 气 有 限公司引进的瑞士赛雪 龙 公 司 产 品、西 门 子 ( 中 国) 有 限收稿日期: 2011-09-05修回日期: 2011-09-11作者简介: 张刚，男，高级 工 程 师，从 事 武 汉 市 轨 道 交 通 供 电 系 统 建设，zhangg whrt gov cn基金项目: 2009 年湖北省研究与开发指导性计划项目( 9baz001)城市轨道交通直流开关柜的国产化探索公司使用的西门 子 公 司 或 者 瑞 士 赛 雪 龙 公 司 产 品、天津保富电气有限公司和上海电气成套厂引进的德国 保 富公司产品。进 口 成 套 设 备 价 格 昂 贵，后 期 维 护 成 本 高，对今后轨 道 交 通 的 产 品 维 护 和 更 新 换 代 不 利。为 保证中国轨道交 通 直 流 开 关 设 备 的 可 持 续 发 展，打 破 国外垄断，提升国内装备制造水平，在推广国内企业早 期已有的国产化 成 果 的 基 础 上，试 制 具 有 国 内 自 主 知 识产权的产品，对 推 进 中 国 轨 道 交 通 供 电 设 备 的 发 展 具有重大意义。尺寸要求。2)主回路隔离活门机构。采 用 平 面 四 连 杆 机 构，在手车进入柜体 的 过 程 中 左 右 移 动，实 现 主 回 路 接 触通道的有效隔离及导通。3)泄压窗。双开启 60限位，自重复位机构。4) 手车摇进机构。关节式连杆机构，输入端依靠轴套及输入轴实现限位，反向端依靠电磁机构限位。5) 电气设计。其关键技术主要是负 / 地保护与 轨 电位限制的配合关系，以及线路测试回路的设计。2国产直流开关设备 zds3 的主要技术性能中船重工第 712 研究所是目前国内唯一拥有直流2 2直流快速断路器直流牵引供 电 系 统 短 路 容 量 很 大，系 统 出 口 短 路时，在 10 ms 以内 会 产 生 高 达 约 100 ka 的 稳 态 短 路 电流，要求直流开关断路器不仅具有高分断能力，还要具 备短路时快速断 开 能 力，从 而 限 制 短 路 电 流 的 持 续 增 加，快速切断 故 障 电 流。着 重 对 分 断 速 度 极 高 的 快 速机构及触头结构 进 行 深 入 研 究，同 时 对 灭 弧 系 统 的 结 构、材料等进行分析研究，在综合考虑满足极限分断能 力及临界分断能 力 的 条 件 下，确 定 了 触 头 及 灭 弧 系 统 的结构形式。目前，最新研制的 zds3 型国产直流快速断路器已 申请专利保护，额定电压 900 及 1 800 v 的该型直流快 速断路器已经在亚洲最大的直 流 断流容量试验站( 712 所的 106 试 验 站) 严 格 按 照 标 准 en 50123-1 /22003、iec 61992-1 /22006 及 gb 14048 12006、gb 14048. 22008 进行了型 式 试 验，其 整 体 技 术 性 能 达 到 国 际 先 进 水平。2 2 1 国产化主要技术参数 额定电压，900 /1 800 v; 额定绝缘电压，3 000 v; 额定电流，3 600 /4 000 /4 600 a。 过 负 荷 能 力: 3 900 /4 300 /4 900 a，1 h; 6 150 /6 200 /8 800 a，5 min; 8 200 /8 450 /9 800 a，1 min; 开断时的过电压，2 500 /4 000 v; 短路开断能力，125 /80 ka; 机械寿命，25 000 次; 机械特性: 固有动作时间 ( di / dt = 5 106 a / s) ，6 ms; 全分闸时间( di / dt = 5 106 a / s) ，30 ms; 额 定 工 频 耐 压 : 主 回 路 ，8 3 /9 2 kv，1 min，50 hz; 辅 助 回 路 ，2 kv /1 min，50 hz; 指示器，开关合、分位置; 额定冲击耐受电压，15 /18 kv( 1 2 /50 s) ; 保持方式，电保持或磁保持;快速断路器、直流微机综合测控保护装置、直流隔离开关及设备的自主知识产权并拥有设备成套生产能力的 企业，所生产的新一代直流开关设备定型产品 zds3 已 经在武汉市轨道交通 1 号线二期工程和北京地铁车辆厂 试验基地得到应用。2010 年 7 月起，在武汉市轨道交通1 号线二期工程东吴大道站牵引降压混合变电所进行了 长期的现场测试，并完成了短路试验，各项技术指标、整 体技术性能达到了同类进口产品的技术水平。2 1直流开关柜直流开关柜 是 户 内 直 流 牵 引 供 电 成 套 设 备，在 城市轨道交通工程直流牵引供电系统中作为接受和分配电能的主要产品，通 过 安 装 在 柜 体 二 次 室 内 的 直 流 微 机综合测控保护装置，实现对一次电气回路的测量、保 护和控制功能。直 流 开 关 柜 的 设 计 关 键 技 术 为: 带 断 路器手车的金属封闭式开关柜的“五防”、推入 / 拉出机 构、接地系统的设计和制造方法等。2 1 1国产化主要技术参数 额定电流，4 000 a; 额定短路电流，125 /80 ka; 系统标称电压，900 /1 800 v; 额定绝缘电压，1 000 /3 000 v; 额定工频耐压，主回路 8 3 /9 2 kv，1 min; 额定冲击耐受电压，15 /18 kv ( 1 2 /50 s) ; 防护等级，低压室防护等级不低于 ip4x。2 1 2国产化关键性技术1)落地式 手 车 直 流 开 关 柜。柜 体 包 括 前 柜 及 后柜: 前柜由覆铝锌 钢 板 与 高 强 度 冷 轧 钢 板 铆 接 拼 装 而成，内部敷设绝缘耐弧材料，并通过特制绝缘帽来封闭紧固件的端部，为实现柜体空间的不同功能，前柜由覆铝锌板分隔成断路器室及控制室; 后柜为母线室，由高强度铝合金型材 拼 装 而 成，保 证 柜 体 与 手 车 的 精度 及97都市快轨交通第 24 卷 第 6 期 2011 年 12 月 额定合闸功率，1 300 w; 额定电压下合闸时间，0 5 1 s; 辅助接点，5 常开 + 5 常闭。2 2 2国产化关键性技术 事件记录数量，1 000 次; 故障录波数量，3 个; 模拟量采样速率，40 khz; 主要功能: 测量，电流测量、电压测量; 保护，imax + 、 imax + + 、imax 、imax 、umin 、umax 、i、t，热 保 护、阻 抗 保护; 命令，联跳、u、重合闸及防跳、线路测试。1)快速操 作 机 构。由 于 直 流 牵 引 系 统 会 产 生 高达几十甚至上百 千 安 培 的 短 路 电 流，为 提 高 断 路 器 的短时耐受能力，需 要 操 作 机 构 在 合 闸 时 提 供 很 大 的 触 头压力; 为有效地限制短路电流，需要操作机构具有快速分闸的能力; 为 解 决 上 述 需 求 与 操 作 机 构 空 间 尺 寸小的矛盾，采 用 了 新 型 的 电 磁 操 作 机 构。该 机 构 的 主 要特点在于机构 内 的 动 铁 心 装 配 有 碟 簧，由 碟 簧 承 担合闸时大部分触头的接触压力。2) 灭弧室。在断路器分断极限短路电流时，若电弧不能快速进入灭弧室，会使电弧电压上升缓慢，为此设计了新型的栅片式灭弧室。该灭弧室在中间位置安 装 u 型金属栅片，通 过 改 变 片 状 金 属 栅 片 的 槽 口 形 状 及排布方式，减 小 电 弧 进 入 灭 弧 室 的 阻 力，拉 长 电 弧， 快 速 建 立 弧 压，减 少 燃 弧 时 间，提 高 灭 弧 室 的 灭 弧 能力。2 3 2国产化关键性技术1) 模拟采样数据处理。为可靠、快速地保护运算，模拟量采样速度为 40 khz，即采用速率为 25 s / 点，为匹 配微处理器的响 应 速 度，需 要 对 高 速 采 集 的 数 据 进 行 滤波、取平均值、暂 存 等 处 理，等 待 微 处 理 器 定 时 取 出采 样 数 据，进 行 保 护 运 算。 使 用fpga ( field -programmable gate array，现场 可 编 程 门 阵 列 ) 芯 片 控 制a / d 的芯片逻辑，暂 存 a / d 转 换 结 果，对 a / d 转 换 结 果做数字滤 波 后，存 入 fpga 的 双 口 随 机 存 取 存 储 器 ( ram) 中，并告知微处理器进行读取。2) 波形识别。在发生短路故障时，短路点离牵引 变电所的距离决定了短路电流的大小。远端短路故障 电流的峰值与列 车 启 动 时 的 电 流 峰 值 相 近，甚至 小 于 该电流。所以，远 端 短 路 故 障 电 流 与 列 车 启 动 电 流 的 识别是牵引变电 所 直 流 保 护 的 难 点，需 要 对 波 形 进 行3)触头系统。为使断路 器 动 静 触 头 分 离 所 产 生的 电 弧 快 速 转 移 到 灭 弧 室，减 少 电 弧 的 断 弧、燃 弧 时间，设计了新型的触头系统。该触头系统 的 两 个 引 弧角采用小 角 度 结 构 设 计 ，在 两 个 引 弧 角 之 间 采 用 并 联 激 磁 方 法 来 产 生 灭 弧 磁 场 ，提 高 电 弧 的 法 向 速 度 ，减 少 电 弧 在 触 头 系 统 的 停 留 时 间 。 该 触 头 系 统具 有 临 界 电 流 分 断 能 力 ，可 分 断 正 反 两 个 方 向 的 小电 流 。di甄别，而快速、准确地计算出 dt 是波形识别的关键。采用高 性 能 dsp ( digital signal processor，数 字 信 号 处 理器) ( 约 0 3 ms 计 算 速 率 ) ，保 证 了 继 电 保 护 的 速 度。 从 fir( finite impulse response，有限长单位 冲 激 响 应 滤 波器) 、iir( infinite impulse response，无限脉冲响应数字 滤波器) 、小波变 换 等 常 用 数 字 滤 波 方 法 中，采 用 合 适2 3直流微机综合测控保护装置目前，城市轨 道 交 通 直 流 牵 引 供 电 系 统 中 的 微 机的数字滤波算法，提高了 di 的准确性。dt结合现场的应用情况，选择合适的保护参数，可以 稳定准确地对远 端 短 路 故 障 进 行 保 护，且 经 过 了 现 场 试验验证。2 4现场试验验证2010 年 7 月 9 日，在 武 汉 市 轨 道 交 通 1 号 线 二 期 工程东吴大道站，由武汉地铁集团有限公司、中铁电气 化局二 公 司 与 中 船 重 工 第 712 研 究 所，共 同 对 国 产 zds3 型直流开 关 柜 进 行 了 牵 引 网 远 端 金 属 性 短 路 试 验验证。在确保 牵 引 网 无 电 的 情 况 下，将 牵 引 网 远 端 dc 750v 钢铝复 合 接 触 轨 与 走 行 轨 用 短 接 线 短 接，然 后对直 流 750 v 馈 线 快 速 断 路 器 zds3 进 行 遥 控 合 闸 操作，直流快速断路器保护准确动作且有效跳闸。综合测控保护装 置 全 部 由 德 国 西 门 子、瑞 士 赛 雪 龙 和德国保富公司 垄 断。为 打 破 外 国 企 业 的 垄 断 格 局，提 高国产直流牵引 系 统 的 微 机 测 控 保 护 和 自 动 化 水 平，通过武汉地铁集 团 建 设 和 运 营 两 部 门 的 积 极 参 与，对 能准确区分正常牵引电流和故障电流以及快速出 口动 作等保护算法进行研究，开发出 zjk 8 型微机综合测控保护装置，其各项性能指标都已达到国 外先进水平， 可以替代进口同 类 产 品，在 国 家 继 电 保 护 及 自 动 化 设 备质量 监 督 / 检 测 中 心 通 过 了 型 式 试 验 和 电 磁 兼 容 检验。2 3 1国产化主要技术指标 额定工作电压，dc 220( 1 + 10% ) v; 开入 / 开出数量，42 /24 个;98城市轨道交通直流开关柜的国产化探索现场短路试验波形如图 1 所示，i 为主回路电流，u为断路器端口电压，us 为 系 统 电 源 电 压。从 试 验 波 形4结语经过了型式 试 验、现 场 检 查 和 城 市 轨 道 交 通 线 路可以看出，短路电流上升率 di = 0 22 106 a / s，断路器牵引变电所整站挂网试运行、现场远端短路试验，2011年 8 月 11 日 完 成 了 直 流 开 关 柜、直 流 快 速 断 路 器、直 流微机综合测控 保 护 装 置、直 流 隔 离 开 关 的 技 术 成 果 鉴定。湖北省科 技 厅 组 织 的 专 家 鉴 定 认 为: 中 船 重 工 第 712 研究所与武汉地铁集团联合研制的国 产化成套 直流牵引系统保护可靠、性能稳定，整体技术性能达到 了国际同类产品的 先 进 水 平。该 套 系 统 的 研 制 成 功， 对降低城市轨道 交 通 直 流 牵 引 供 电 系 统 建 设 成 本、运 营维护成本，提高城市轨道交通装备的国产化水平，产 生较深远的影响，具有一定的推广意义和应用前景。参考文献1 于松伟，杨兴山，韩连祥，等 城市轨道交通供电系统设计原理与应用m 成都: 西南交通大学出版社，2008: 329-3302 于松伟 城市轨道交通工程供电系统设备国产化的分析与思考j 地铁与轻轨，1999( 3) : 22-263 李钢，石秋生，黄鑫，等 直流保护测控装置研制的试验方 法j 城市轨道交通研究，2009( 7) : 58-594 中国船舶工业电工产品试验检测中心，中国船舶重工集 团公司第七一二 研 究 所 电 工 产 品 检 测 中 心 zds3-40 /09 直流 快 速 断 路 器，hds-18 /40 电 动 隔 离开 关，zds3 型 直 流快速断路器g 武汉，20105 国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心，许昌开 普电 器 检 测 研 究 所 zjk-8 直流 牵 引 系 统 综 合 保 护 测 控 装置g 许昌，20106 董宏 宪 直 流 断 路 器 触 头 配 对 材 料 的 研 究j 船 电 技 术，2002( 6) : 39-447 张冠生 电 器 理 论 基 础m 西 安: 西 安 交 通 大 学 出 版社，1996( 编辑: 郭 洁)dt的总开断时间为 40 3 ms，其技术指标与国外同类型断路器基本一致。图 1现场远端短路试验波形3与国外同类型产品的对比分析为便于对比 国 内 外 直 流 快 速 断 路 器 的 技 术 性 能，应用了直流 1 800、4 000 a 等级的轨道交通牵引系统断路器，其性能参数见表 1。表 1 国内产品与国外同类型产品的对比on the localization of dcswitchgear for urban rail transitzhang gang1yuan duoning2( 1 wuhan metro group co，ltd，wuhan 430030;th2 712 resear