直流開關(guān)柜機(jī)械保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)分析

陽興

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司裝備事業(yè)部，湖南 株洲412001）

近年來，為緩解出行交通壓力，大力發(fā)展城市軌道交通。直流牽引供電系統(tǒng)越來越被廣泛的應(yīng)用，直流開關(guān)柜作為直流供電系統(tǒng)中最核心的直流開關(guān)設(shè)備，對(duì)其配套保護(hù)裝置的技術(shù)研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)直流開關(guān)柜的安全運(yùn)行、故障維護(hù)等有著極其重要的作用。直流開關(guān)柜的保護(hù)裝置主要分為機(jī)械和電氣兩大類，其中機(jī)械聯(lián)鎖保護(hù)作為直流開關(guān)柜成套設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)積極研發(fā)掌握其保護(hù)設(shè)計(jì)原理并且推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)直流供電設(shè)備國產(chǎn)化。本文以國內(nèi)常用的直流快速斷路器為例，結(jié)合實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)直流開關(guān)柜中機(jī)械聯(lián)鎖保護(hù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路分析，提出一套可行性高的保護(hù)裝置。

1 直流供電設(shè)備特點(diǎn)及現(xiàn)狀

1.1 直流供電設(shè)備

國內(nèi)城市軌道交通（簡(jiǎn)稱城軌）車輛牽引全部采用直流供電模式，通常采用直流1500V和750V電壓等級(jí)供電，直流開關(guān)柜包括進(jìn)線柜（又稱正極柜）、饋線柜、負(fù)極柜、端子柜（又稱聯(lián)跳柜）等系列組成直流供電設(shè)備。其中直流開關(guān)柜機(jī)械保護(hù)裝置主要在帶直流快速斷路器的設(shè)備中，其示意圖如圖1所示，分為控制室、手車室、母線室3個(gè)區(qū)域，其中控制室中包含有電氣控制元件，母線室中有主母線，手車室中為直流快速斷路器、斷路器手車，其中手車室與其他區(qū)域均有絕緣板隔離，確保安全。

1.2 國產(chǎn)化現(xiàn)狀

我國處于軌道交通的快速發(fā)展時(shí)期，國產(chǎn)化方面，主要有上海拓及軌道交通設(shè)備有限公司，中船重工第712研究所和株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，均能實(shí)現(xiàn)直流開關(guān)柜的自主設(shè)計(jì)，國產(chǎn)化程度高，并且實(shí)現(xiàn)正線運(yùn)營(yíng)的成熟方案。國外成套設(shè)備價(jià)格昂貴，后期維護(hù)成本高。為了保證中國軌道交通設(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，對(duì)直流開關(guān)柜中的核心裝置進(jìn)行研究，在已有的國產(chǎn)化成果的基礎(chǔ)上，推廣自主設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)推進(jìn)軌道交通直流供電設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

圖1 手車柜整柜示意圖

2 機(jī)械保護(hù)裝置原理

直流開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為有效的保護(hù)供電及操作人員安全，機(jī)械保護(hù)原則對(duì)于不同的地鐵牽引供電系統(tǒng)，保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)形式可能不相同，但是保護(hù)的作用是相同的。其核心保護(hù)原則是具備廣義上“五防”的保護(hù)功能，設(shè)備才能安全投入運(yùn)行。高壓開關(guān)柜中要求的“五防”中，明確要求隔離開關(guān)、斷路器（負(fù)荷開關(guān)、接觸器）與接地開關(guān)及柜門四者之間的聯(lián)鎖關(guān)系。對(duì)于直流開關(guān)設(shè)備，所需要的保護(hù)原理基本相同，但由于直流快速斷路器在分合閘時(shí)會(huì)噴弧，且需要滅弧裝置才能工作，且各個(gè)廠家所采用的直流快速斷路器均不一樣，實(shí)現(xiàn)的方式也各不相同，但對(duì)其機(jī)械保護(hù)裝置要求均相同，因此各個(gè)直流開關(guān)設(shè)備廠家均有自主設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)。通過機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性好，安全性高。

直流開關(guān)柜中的直流快速斷路器，均設(shè)計(jì)有特定的固定裝置，統(tǒng)稱為斷路器手車。通常直流快速斷路器，通過上部插頭、下部插頭與主母線進(jìn)行連接，下部布置有電氣控制元件，且能單獨(dú)移開到柜外進(jìn)行操作和維護(hù)。手車式開關(guān)柜中的保護(hù)裝置原理可具體描述為：（1）防止帶負(fù)荷拉、合手車，即直流斷路器合閘時(shí)，不能推拉手車。（2）當(dāng)斷路器手車在工作位置時(shí)；低壓插頭不能拔出，在低壓插頭未撥出前，斷路器手車不能從開關(guān)柜中拉出。（3）只有當(dāng)斷路器手車處于試驗(yàn)位置時(shí)，才能推拉斷路器手車和抽出插入柜體。（4）防止誤分直流快速斷路器。（5）防止誤入帶電隔室。

3 保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)需要考慮的幾個(gè)問題

（1）機(jī)械保護(hù)裝置要充分考慮各種保護(hù)機(jī)構(gòu)之間的相互配合關(guān)系，在機(jī)械保護(hù)過程中，通過一系列的機(jī)械保護(hù)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的功能，尤其是柜門與直流斷路器及手車三者相互配合的機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，以保證在直流供電過程中發(fā)生故障時(shí)，能可靠安全的進(jìn)行直流快速斷路器的分合閘，切除故障。（2）保護(hù)裝置在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮直流快速斷路器是否配置強(qiáng)制脫扣器及其具體位置，針對(duì)性的進(jìn)行機(jī)械急停保護(hù)裝置的方案設(shè)計(jì)。（3）機(jī)械保護(hù)裝置需要充分考慮各種特殊故障的保護(hù)，如手車室的柜門必須參與聯(lián)鎖，因?yàn)樗且粋€(gè)帶電間隔，在帶電的情況下是不允許打開柜門，防止發(fā)生短路事故對(duì)電弧不至于噴出柜外傷人。另需要有斷路器手車自鎖保護(hù)裝置，以防止直流快速斷路器手車長(zhǎng)時(shí)間工作過程中，由于振動(dòng)或者其它原因?qū)е率周嚢l(fā)生移動(dòng)，拉弧或供電中斷等故障。

4 直流開關(guān)柜的機(jī)械保護(hù)裝置

本文結(jié)合國內(nèi)各直流開關(guān)柜成套設(shè)備廠家的直流快速斷路器手車，對(duì)不同廠家保護(hù)功能的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行功能闡述，并提供一定的設(shè)計(jì)思路。

4.1 柜門-手車互鎖保護(hù)裝置

為了確保在供電過程中，防止人為誤操作打開柜門，防止操作人員進(jìn)入帶電區(qū)域，又能防止在工作過程中斷路器噴弧損害操作人員，需要對(duì)柜門與斷路器手車進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計(jì)，即當(dāng)斷路器在工作狀態(tài)時(shí)，柜門無法打開，只有當(dāng)直流斷路器手車搖到試驗(yàn)位置時(shí)，才能打開柜門。其設(shè)計(jì)思路：在柜門和手車上同時(shí)設(shè)置能相互鎖住的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在工作狀態(tài)時(shí)處于鎖住狀態(tài)，在試驗(yàn)位時(shí)能自行解鎖。

4.2 手車自鎖及操作允許保護(hù)裝置

斷路器手車在設(shè)計(jì)時(shí)通常以絲杠傳動(dòng)方式，能滿足直流快速斷路器在柜內(nèi)往返工作位和試驗(yàn)位，且在絲杠前端有四角或六角螺母頭，通過專用操作手柄進(jìn)行操作。本聯(lián)鎖裝置分為兩部分聯(lián)鎖保護(hù)裝置，其保護(hù)作用是：當(dāng)柜門打開時(shí)，不能操作斷路器手車，必須關(guān)門才能操作手車；斷路器手車絲杠傳動(dòng)裝置能夠在不操作情況下處于自鎖狀態(tài)。其設(shè)計(jì)思路：可以利用絲杠前端的四角或六角螺母進(jìn)行聯(lián)鎖設(shè)計(jì)，可設(shè)置能與之相咬合的正多邊形自鎖塊，在操作時(shí)能解鎖，操作結(jié)束后，能自行回復(fù)自鎖狀態(tài)；另設(shè)計(jì)與柜門聯(lián)鎖的機(jī)構(gòu)，在開門狀態(tài)時(shí)不能將自鎖塊進(jìn)行解鎖，只有在柜門關(guān)閉時(shí)能解鎖自鎖塊，才能操作手車。

4.3 機(jī)械分閘保護(hù)裝置

通常直流快速斷路器的本體結(jié)構(gòu)中，底部有機(jī)械脫扣機(jī)構(gòu)，底部為半球形的凸桿連桿結(jié)構(gòu)，往上頂開凸桿就能使直流快速斷路器跳閘并閉鎖，起到緊急分閘作用。其設(shè)計(jì)思路為在柜門上裝有急停按鈕，手車底部設(shè)置分閘桿，分閘桿前段設(shè)置有分閘塊，且分閘塊剛好在斷路器凸桿下方。通過操作急停按鈕，推動(dòng)分閘桿及分閘塊，對(duì)直流快速斷路器進(jìn)行分閘，且在分閘桿中設(shè)置復(fù)位彈簧，操作完可以進(jìn)行復(fù)位。

4.4 活門保護(hù)裝置

直流開關(guān)柜的保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，活門保護(hù)裝置為關(guān)鍵的保護(hù)裝置，使直流快速斷路器在離開工作位置時(shí)與母線室的主母線中的絕緣隔離，確保直流快速斷路器手車不帶電荷，確保安全。其設(shè)計(jì)思路：聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)需要與直流快速斷路器手車相互配合，在手車上設(shè)置推動(dòng)裝置，活門機(jī)構(gòu)為絕緣隔板和連桿裝置組成，絕緣隔板上開有連接窗口，通過連桿裝置實(shí)現(xiàn)直流快速斷路器與主母線的連接窗口打開和關(guān)閉。

5 機(jī)械保護(hù)裝置的可靠性

直流開關(guān)柜機(jī)械保護(hù)裝置作為直流開關(guān)柜中一系列特殊機(jī)械機(jī)構(gòu)，與開關(guān)柜、斷路器手車存在著一定的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，它們之間的配合程度決定著直流開關(guān)柜電器的性能和安全，在實(shí)際制造過程中，加工的精度和現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境均能導(dǎo)致其配合情況發(fā)生變化，導(dǎo)致機(jī)械式結(jié)構(gòu)配合不到位發(fā)生卡滯或脫落等情況，使保護(hù)失效從而造成故障，因此需要對(duì)機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)的可靠性予以高度的重視。加強(qiáng)各個(gè)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)零件的強(qiáng)度及制造精度，以確保其在配合過程中不偏差，不變形。加強(qiáng)柜門和手車上聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)的配合，對(duì)需要聯(lián)鎖的機(jī)構(gòu)加強(qiáng)檢驗(yàn)及驗(yàn)證，確保在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中不卡滯，不脫落。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，確保結(jié)構(gòu)的合理性以及操作的連貫性，可充分考慮安全性和人性化操作。

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)和制造直流開關(guān)柜機(jī)械聯(lián)鎖保護(hù)裝置，尤其是多重聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮直流快速斷路器的運(yùn)行要求，在聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過精確的計(jì)算和仿真，模擬其聯(lián)鎖動(dòng)作，在調(diào)試過程中進(jìn)一步得到驗(yàn)證和優(yōu)化，使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量進(jìn)一步得到提升，確保聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)靈活可靠，最大限度的確保直流開關(guān)柜在實(shí)際使用過程中具備高安全可靠性。

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