城市軌道交通直流開關(guān)柜的國產(chǎn)化探索

張 剛 袁鐸寧

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司 武漢 430030;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所 武漢 430064)

直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通牽引設(shè)備的重要組成部分，直流開關(guān)設(shè)備是直流牽引供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，目前主要以進(jìn)口品牌設(shè)備為主。鑒于我國軌道交通的快速發(fā)展，有必要自主研發(fā)和推廣應(yīng)用國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的城市軌道交通直流開關(guān)設(shè)備，掌握核心技術(shù)，保障軌道交通的安全高效運(yùn)營。

1 直流開關(guān)設(shè)備特點(diǎn)及國產(chǎn)化現(xiàn)狀

直流開關(guān)設(shè)備的主要核心產(chǎn)品為直流開關(guān)柜、直流快速斷路器、直流微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置以及直流隔離開關(guān)。其中，直流隔離開關(guān)僅具有直流一次電氣回路的連接和隔離功能，技術(shù)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單;直流快速斷路器、直流微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置安裝在直流開關(guān)柜體內(nèi)。

1.1 主要核心設(shè)備

1.1.1 直流開關(guān)柜

直流開關(guān)柜為金屬鎧裝式戶內(nèi)成套設(shè)備，包括控制、測(cè)量、保護(hù)元器件以及操作設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)就地或者遠(yuǎn)方的控制、測(cè)量和保護(hù)功能。

1.1.2 直流快速斷路器

直流快速斷路器作為直流牽引供電系統(tǒng)正極回路供電的一次電流開斷保護(hù)裝置，是直流供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的保證，要求其機(jī)構(gòu)能夠快速動(dòng)作，分?jǐn)喙逃袆?dòng)作時(shí)間只有幾個(gè)毫秒。在系統(tǒng)短路電流的上升階段，直流快速斷路器快速動(dòng)作，及時(shí)切除故障短路電流，有效抑制直流短路電流的持續(xù)上升，從而降低故障電流所產(chǎn)生的電動(dòng)效應(yīng)和熱效應(yīng)。

1.1.3 直流微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置

直流微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置采用多個(gè)功能強(qiáng)大的微處理器，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、保護(hù)和控制功能，可提供RJ45、RS485、RS232等接口，是適應(yīng)各種需求的新一代直流控制和保護(hù)繼電器;可以在諸如電車、城市軌道交通等需要直流牽引供電系統(tǒng)的場(chǎng)所應(yīng)用，滿足直流快速斷路器的保護(hù)和測(cè)控需求。

1.2 設(shè)備國產(chǎn)化現(xiàn)狀

1965年，在北京地鐵一期工程建設(shè)時(shí)，采用上海整流器廠仿制前蘇聯(lián)的DS1型直流快速斷路器。

1989年，中船重工第712所與北京地鐵總公司聯(lián)合，在西門子公司3WV直流快速斷路器的基礎(chǔ)上，研制了ZDS-1型直流快速斷路器。在1999年10月建成通車的北京地鐵復(fù)八線工程的四惠站、四惠東站，2座牽引降壓混合變電所使用了20面ZDS-1型直流開關(guān)柜，至今仍在使用。

當(dāng)前，我國處于軌道交通的大發(fā)展時(shí)期，由合資工廠從國外引進(jìn)直流開關(guān)設(shè)備，壟斷了中國城市軌道交通的建設(shè)工程，主要有鎮(zhèn)江大全賽雪龍牽引電氣有限公司引進(jìn)的瑞士賽雪龍公司產(chǎn)品、西門子(中國)有限公司使用的西門子公司或者瑞士賽雪龍公司產(chǎn)品、天津保富電氣有限公司和上海電氣成套廠引進(jìn)的德國保富公司產(chǎn)品。進(jìn)口成套設(shè)備價(jià)格昂貴，后期維護(hù)成本高，對(duì)今后軌道交通的產(chǎn)品維護(hù)和更新?lián)Q代不利。為保證中國軌道交通直流開關(guān)設(shè)備的可持續(xù)發(fā)展，打破國外壟斷，提升國內(nèi)裝備制造水平，在推廣國內(nèi)企業(yè)早期已有的國產(chǎn)化成果的基礎(chǔ)上，試制具有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，對(duì)推進(jìn)中國軌道交通供電設(shè)備的發(fā)展具有重大意義。

2 國產(chǎn)直流開關(guān)設(shè)備ZDS3的主要技術(shù)性能

中船重工第712研究所是目前國內(nèi)唯一擁有直流快速斷路器、直流微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置、直流隔離開關(guān)及設(shè)備的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并擁有設(shè)備成套生產(chǎn)能力的企業(yè)，所生產(chǎn)的新一代直流開關(guān)設(shè)備定型產(chǎn)品ZDS3已經(jīng)在武漢市軌道交通1號(hào)線二期工程和北京地鐵車輛廠試驗(yàn)基地得到應(yīng)用。2010年7月起，在武漢市軌道交通1號(hào)線二期工程?hào)|吳大道站牽引降壓混合變電所進(jìn)行了長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并完成了短路試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、整體技術(shù)性能達(dá)到了同類進(jìn)口產(chǎn)品的技術(shù)水平。

2.1 直流開關(guān)柜

直流開關(guān)柜是戶內(nèi)直流牽引供電成套設(shè)備，在城市軌道交通工程直流牽引供電系統(tǒng)中作為接受和分配電能的主要產(chǎn)品，通過安裝在柜體二次室內(nèi)的直流微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次電氣回路的測(cè)量、保護(hù)和控制功能。直流開關(guān)柜的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)為:帶斷路器手車的金屬封閉式開關(guān)柜的“五防”、推入/拉出機(jī)構(gòu)、接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方法等。

2.1.1 國產(chǎn)化主要技術(shù)參數(shù)

●額定電流，4000 A;

●額定短路電流，125/80 kA;

●系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，900/1800 V;

●額定絕緣電壓，1000/3000 V;

● 額定工頻耐壓，主回路 8.3/9.2 kV，1 min;

● 額定沖擊耐受電壓，15/18 kV(1.2/50 μs);

●防護(hù)等級(jí)，低壓室防護(hù)等級(jí)不低于IP4X。

2.1.2 國產(chǎn)化關(guān)鍵性技術(shù)

1)落地式手車直流開關(guān)柜。柜體包括前柜及后柜:前柜由覆鋁鋅鋼板與高強(qiáng)度冷軋鋼板鉚接拼裝而成，內(nèi)部敷設(shè)絕緣耐弧材料，并通過特制絕緣帽來封閉緊固件的端部，為實(shí)現(xiàn)柜體空間的不同功能，前柜由覆鋁鋅板分隔成斷路器室及控制室;后柜為母線室，由高強(qiáng)度鋁合金型材拼裝而成，保證柜體與手車的精度及尺寸要求。

（1）橋梁布孔。從標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于長(zhǎng)度預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)受力的分析情況可以發(fā)現(xiàn)，梁體長(zhǎng)度一般需要確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的98%～102%，此時(shí)不需要改變?nèi)魏谓Y(jié)構(gòu)，尺寸和配筋都不需要改變，只是將橋梁跨中直段部分的長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，可以使橋梁的結(jié)構(gòu)滿足工程的要求。橋梁設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該結(jié)合曲線半徑和橋梁跨徑來進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)應(yīng)該將橋梁預(yù)制長(zhǎng)度控制在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的98% ～ 102%即為合格[3]；

2)主回路隔離活門機(jī)構(gòu)。采用平面四連桿機(jī)構(gòu)，在手車進(jìn)入柜體的過程中左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主回路接觸通道的有效隔離及導(dǎo)通。

3)泄壓窗。雙開啟60°限位，自重復(fù)位機(jī)構(gòu)。

4)手車搖進(jìn)機(jī)構(gòu)。關(guān)節(jié)式連桿機(jī)構(gòu)，輸入端依靠軸套及輸入軸實(shí)現(xiàn)限位，反向端依靠電磁機(jī)構(gòu)限位。

5)電氣設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵技術(shù)主要是負(fù)/地保護(hù)與軌電位限制的配合關(guān)系，以及線路測(cè)試回路的設(shè)計(jì)。

2.2 直流快速斷路器

直流牽引供電系統(tǒng)短路容量很大，系統(tǒng)出口短路時(shí)，在10 ms以內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)約100 kA的穩(wěn)態(tài)短路電流，要求直流開關(guān)斷路器不僅具有高分?jǐn)嗄芰?，還要具備短路時(shí)快速斷開能力，從而限制短路電流的持續(xù)增加，快速切斷故障電流。著重對(duì)分?jǐn)嗨俣葮O高的快速機(jī)構(gòu)及觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，同時(shí)對(duì)滅弧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料等進(jìn)行分析研究，在綜合考慮滿足極限分?jǐn)嗄芰芭R界分?jǐn)嗄芰Φ臈l件下，確定了觸頭及滅弧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。

目前，最新研制的ZDS3型國產(chǎn)直流快速斷路器已申請(qǐng)專利保護(hù)，額定電壓900及1800 V的該型直流快速斷路器已經(jīng)在亞洲最大的直流斷流容量試驗(yàn)站(712所的106試驗(yàn)站)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)EN 50123-1/2—2003、IEC 61992-1/2—2006 及 GB 14048.1—2006、GB 14048.2—2008進(jìn)行了型式試驗(yàn)，其整體技術(shù)性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.2.1 國產(chǎn)化主要技術(shù)參數(shù)

●額定電壓，900/1800 V;

●額定絕緣電壓，3000 V;

●過負(fù)荷能力:3900/4300/4900 A，1 h;6150/6200/8800 A，5 min;8200/8450/9800 A，1 min;

●開斷時(shí)的過電壓，≤2500/4000 V;

●短路開斷能力，≥125/80 kA;

●機(jī)械壽命，25000次;

●機(jī)械特性:固有動(dòng)作時(shí)間(di/dt=5×106A/s)，≤6 ms;全分閘時(shí)間(di/dt=5×106A/s)，≤30 ms;

● 額定工頻耐壓:主回路，8.3/9.2 kV，1 min，50 Hz;輔助回路，2 kV/1 min，50 Hz;

●指示器，開關(guān)合、分位置;

● 額定沖擊耐受電壓，15/18 kV(1.2/50 μs);

●保持方式，電保持或磁保持;

●額定合閘功率，1300 W;

●額定電壓下合閘時(shí)間，0.5～1 s;

●輔助接點(diǎn)，5常開+5常閉。

2.2.2 國產(chǎn)化關(guān)鍵性技術(shù)

1)快速操作機(jī)構(gòu)。由于直流牽引系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾十甚至上百千安培的短路電流，為提高斷路器的短時(shí)耐受能力，需要操作機(jī)構(gòu)在合閘時(shí)提供很大的觸頭壓力;為有效地限制短路電流，需要操作機(jī)構(gòu)具有快速分閘的能力;為解決上述需求與操作機(jī)構(gòu)空間尺寸小的矛盾，采用了新型的電磁操作機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于機(jī)構(gòu)內(nèi)的動(dòng)鐵心裝配有碟簧，由碟簧承擔(dān)合閘時(shí)大部分觸頭的接觸壓力。

2)滅弧室。在斷路器分?jǐn)鄻O限短路電流時(shí)，若電弧不能快速進(jìn)入滅弧室，會(huì)使電弧電壓上升緩慢，為此設(shè)計(jì)了新型的柵片式滅弧室。該滅弧室在中間位置安裝U型金屬柵片，通過改變片狀金屬柵片的槽口形狀及排布方式，減小電弧進(jìn)入滅弧室的阻力，拉長(zhǎng)電弧，快速建立弧壓，減少燃弧時(shí)間，提高滅弧室的滅弧能力。

3)觸頭系統(tǒng)。為使斷路器動(dòng)靜觸頭分離所產(chǎn)生的電弧快速轉(zhuǎn)移到滅弧室，減少電弧的斷弧、燃弧時(shí)間，設(shè)計(jì)了新型的觸頭系統(tǒng)。該觸頭系統(tǒng)的兩個(gè)引弧角采用小角度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在兩個(gè)引弧角之間采用并聯(lián)激磁方法來產(chǎn)生滅弧磁場(chǎng)，提高電弧的法向速度，減少電弧在觸頭系統(tǒng)的停留時(shí)間。該觸頭系統(tǒng)具有臨界電流分?jǐn)嗄芰?，可分?jǐn)嗾磧蓚€(gè)方向的小電流。

2.3 直流微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置

目前，城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)中的微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置全部由德國西門子、瑞士賽雪龍和德國保富公司壟斷。為打破外國企業(yè)的壟斷格局，提高國產(chǎn)直流牽引系統(tǒng)的微機(jī)測(cè)控保護(hù)和自動(dòng)化水平，通過武漢地鐵集團(tuán)建設(shè)和運(yùn)營兩部門的積極參與，對(duì)能準(zhǔn)確區(qū)分正常牽引電流和故障電流以及快速出口動(dòng)作等保護(hù)算法進(jìn)行研究，開發(fā)出ZJK－8型微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都已達(dá)到國外先進(jìn)水平，可以替代進(jìn)口同類產(chǎn)品，在國家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督/檢測(cè)中心通過了型式試驗(yàn)和電磁兼容檢驗(yàn)。

2.3.1 國產(chǎn)化主要技術(shù)指標(biāo)

●額定工作電壓，DC 220(1+±10%)V;

●開入/開出數(shù)量，42/24個(gè);

●事件記錄數(shù)量，1000次;

●故障錄波數(shù)量，3個(gè);

●模擬量采樣速率，40 kHz;

●主要功能:測(cè)量，電流測(cè)量、電壓測(cè)量;保護(hù)，Imax+、Imax++、Imax－、Imax－－、Umin、Umax、ΔI、ΔT，熱保護(hù)、阻抗保護(hù);命令，聯(lián)跳、ΔU、重合閘及防跳、線路測(cè)試。

2.3.2 國產(chǎn)化關(guān)鍵性技術(shù)

1)模擬采樣數(shù)據(jù)處理。為可靠、快速地保護(hù)運(yùn)算，模擬量采樣速度為40 kHz，即采用速率為25 μs/點(diǎn)，為匹配微處理器的響應(yīng)速度，需要對(duì)高速采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、取平均值、暫存等處理，等待微處理器定時(shí)取出采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算。使用 FPGA(fieldprogrammable gate array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)芯片控制A/D的芯片邏輯，暫存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果做數(shù)字濾波后，存入FPGA的雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)中，并告知微處理器進(jìn)行讀取。

2)波形識(shí)別。在發(fā)生短路故障時(shí)，短路點(diǎn)離牽引變電所的距離決定了短路電流的大小。遠(yuǎn)端短路故障電流的峰值與列車啟動(dòng)時(shí)的電流峰值相近，甚至小于該電流。所以，遠(yuǎn)端短路故障電流與列車啟動(dòng)電流的識(shí)別是牽引變電所直流保護(hù)的難點(diǎn)，需要對(duì)波形進(jìn)行甄別，而快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出是波形識(shí)別的關(guān)鍵。采用高性能 DSP(digital signal processor，數(shù)字信號(hào)處理器)(約0.3 ms計(jì)算速率)，保證了繼電保護(hù)的速度。從FIR(finite impulse response，有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器)、IIR(infinite impulse response，無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器)、小波變換等常用數(shù)字濾波方法中，采用合適的數(shù)字濾波算法，提高了的準(zhǔn)確性。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，選擇合適的保護(hù)參數(shù)，可以穩(wěn)定準(zhǔn)確地對(duì)遠(yuǎn)端短路故障進(jìn)行保護(hù)，且經(jīng)過了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

2010年7月9日，在武漢市軌道交通1號(hào)線二期工程?hào)|吳大道站，由武漢地鐵集團(tuán)有限公司、中鐵電氣化局二公司與中船重工第712研究所，共同對(duì)國產(chǎn)ZDS3型直流開關(guān)柜進(jìn)行了牽引網(wǎng)遠(yuǎn)端金屬性短路試驗(yàn)驗(yàn)證。在確保牽引網(wǎng)無電的情況下，將牽引網(wǎng)遠(yuǎn)端DC 750V鋼鋁復(fù)合接觸軌與走行軌用短接線短接，然后對(duì)直流750 V饋線快速斷路器ZDS3進(jìn)行遙控合閘操作，直流快速斷路器保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作且有效跳閘。

現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)波形如圖1所示，I為主回路電流，U為斷路器端口電壓，Us為系統(tǒng)電源電壓。從試驗(yàn)波形可以看出，短路電流上升率0.22 ×106A/s，斷路器的總開斷時(shí)間為40.3 ms，其技術(shù)指標(biāo)與國外同類型斷路器基本一致。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)波形

3 與國外同類型產(chǎn)品的對(duì)比分析

為便于對(duì)比國內(nèi)外直流快速斷路器的技術(shù)性能，應(yīng)用了直流1800、4000 A等級(jí)的軌道交通牽引系統(tǒng)斷路器，其性能參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)產(chǎn)品與國外同類型產(chǎn)品的對(duì)比

通過對(duì)國內(nèi)外直流快速斷路器的性能參數(shù)對(duì)比，可以得出:國內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZDS3型直流快速斷路器的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)與國外直流快速斷路器的整體技術(shù)性能處于同一水平，部分技術(shù)指標(biāo)(如短路分?jǐn)嗄芰?甚至處于國際先進(jìn)水平。

4 結(jié)語

經(jīng)過了型式試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢查和城市軌道交通線路牽引變電所整站掛網(wǎng)試運(yùn)行、現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)，2011年8月11日完成了直流開關(guān)柜、直流快速斷路器、直流微機(jī)綜合測(cè)控保護(hù)裝置、直流隔離開關(guān)的技術(shù)成果鑒定。湖北省科技廳組織的專家鑒定認(rèn)為:中船重工第712研究所與武漢地鐵集團(tuán)聯(lián)合研制的國產(chǎn)化成套直流牽引系統(tǒng)保護(hù)可靠、性能穩(wěn)定，整體技術(shù)性能達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。該套系統(tǒng)的研制成功，對(duì)降低城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)建設(shè)成本、運(yùn)營維護(hù)成本，提高城市軌道交通裝備的國產(chǎn)化水平，產(chǎn)生較深遠(yuǎn)的影響，具有一定的推廣意義和應(yīng)用前景。

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