基于超高速無(wú)弧開斷技術(shù)的新型城市軌道交通直流斷路器研究

0 引言

“十四五\"規(guī)劃指出，軌道交通運(yùn)營(yíng)里程預(yù)計(jì)將超過(guò) 13 000km 。直流斷路器及直流保護(hù)裝置是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備之一。

直流斷路器是近年來(lái)直流電源系統(tǒng)中重要的故障排除手段，其相關(guān)技術(shù)研究一直是直流電源系統(tǒng)保護(hù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

當(dāng)前我國(guó)城市軌道交通直流斷路器多為空氣式斷路器產(chǎn)品，開斷時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法快速抑制短路電流，短路沖擊較大[1]。

ABB公司于2012年采用電阻過(guò)零換相方法，開發(fā)了世界上第一臺(tái) 320kV 混合直流斷路器[2]。2015年，清華大學(xué)基于創(chuàng)新的換相原理和電力電子開關(guān)技術(shù)開發(fā)了一種耦合負(fù)壓混合直流斷路器[3]。2018年，南瑞開發(fā)了 500kV 整流器混合高壓直流斷路器原型[4]。直流斷路器技術(shù)的發(fā)展對(duì)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

本文分析了混合式直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，研究了一種基于超高速無(wú)弧開斷技術(shù)的混合式1500V直流斷路器，可實(shí)現(xiàn)快速故障排除，降低直流系統(tǒng)短路時(shí)對(duì)牽引系統(tǒng)及機(jī)車等設(shè)備的短路沖擊，保證地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地鐵直流斷路器技術(shù)參數(shù)，為解決行業(yè)痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開斷速度快、無(wú)弧以及免維護(hù)等，提出基于電弧電壓強(qiáng)制轉(zhuǎn)移型超高速混合電磁操作機(jī)構(gòu)的新型軌道交通直流斷路器，整個(gè)拓?fù)浒ㄍ髦?、轉(zhuǎn)移支路和耗能支路，其電路拓?fù)湓砣鐖D1所示。

通流支路采用弧壓增強(qiáng)型真空超高速機(jī)械開關(guān)，主要負(fù)責(zé)直流斷路器合閘狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)通流，并在故障時(shí)短時(shí)耐受故障電流。

轉(zhuǎn)移支路由一級(jí)二極管橋式整流閥組串聯(lián)構(gòu)成，負(fù)責(zé)直流負(fù)荷開關(guān)開斷過(guò)程中短時(shí)承載電流以及開斷功能。

耗能支路主要包括多級(jí)氧化鋅避雷器（MOV），用于抑制關(guān)斷電壓及吸收系統(tǒng)感性元件儲(chǔ)存的能量，負(fù)責(zé)吸收耗散開斷后的系統(tǒng)殘余能量。

同時(shí)配置有綜合保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)包括直流斷路器分、合閘控制和系統(tǒng)保護(hù)的功能。

2 工作原理

分位狀態(tài)下，通流支路的真空超高速機(jī)械開關(guān)處于分閘狀態(tài)，轉(zhuǎn)移支路IGBT處于閉鎖狀態(tài)。

2.1 合閘過(guò)程

當(dāng)直流斷路器接收到合閘動(dòng)作指令后，首先控制轉(zhuǎn)移支路IGBT導(dǎo)通，立即接通系統(tǒng)電流，并經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后控制通流支路真空超高速機(jī)械開關(guān)閉合，導(dǎo)通承載系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電流，如圖2所示。

2.2 分閘過(guò)程

當(dāng)直流斷路器大電流脫扣接收到保護(hù)分閘或分閘動(dòng)作指令后，主要分閘過(guò)程如下：

1）超高速機(jī)械開關(guān)分閘：直流斷路器大電流脫扣收到保護(hù)分閘或者分閘動(dòng)作指令后，發(fā)送超高速機(jī)械開關(guān)分閘指令，超高速機(jī)械開關(guān)機(jī)械觸頭開始分離并燃弧，此時(shí)轉(zhuǎn)移支路IGBT仍處于閉鎖狀態(tài)，系統(tǒng)電流仍流過(guò)超高速機(jī)械開關(guān)，如圖3所示。

2）轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通：當(dāng)超高速機(jī)械開關(guān)觸頭分離達(dá)到一定開距后，控制轉(zhuǎn)移支路IGBT導(dǎo)通，電流在超高速機(jī)械開關(guān)真空電弧電壓作用下向轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移，如圖4所示。

3）轉(zhuǎn)移支路閉鎖：當(dāng)系統(tǒng)電流完全轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移支路后，控制轉(zhuǎn)移支路IGBT閉鎖。此時(shí)超高速機(jī)械開關(guān)中無(wú)電流，且已經(jīng)達(dá)到了絕緣開距，IGBT閉鎖后，產(chǎn)生的過(guò)電壓將系統(tǒng)電流向耗能支路轉(zhuǎn)移，如圖5所示。

4MOV耗能：耗能支路MOV動(dòng)作，系統(tǒng)電流完全轉(zhuǎn)移至耗能支路。系統(tǒng)電流經(jīng)過(guò)MOV消耗并逐漸降低至零，如圖6所示，完成整個(gè)開斷過(guò)程。

3 新型直流斷路器設(shè)計(jì)

3.1 超高速機(jī)械開關(guān)設(shè)計(jì)

根據(jù)地鐵混合式直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理，通流支路采用弧壓增強(qiáng)型真空超高速機(jī)械開關(guān)，主要負(fù)責(zé)直流斷路器合閘狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)通流、穩(wěn)態(tài)或故障電流下的快速換流與絕緣建立，并在故障時(shí)短時(shí)耐受故障電流[5]。

超高速機(jī)械開關(guān)采用基于電磁斥力的機(jī)構(gòu)，單相電磁斥力機(jī)構(gòu)原理如圖7所示，主要工作原理是預(yù)先充電的儲(chǔ)能電容向分閘或合閘線圈放電，線圈脈沖電流在金屬盤中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁斥力，推動(dòng)斥力盤以及連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的快速運(yùn)動(dòng)，完成分合閘動(dòng)作。

3.2 滅弧室設(shè)計(jì)

滅弧室采用真空設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以真空為熄弧介質(zhì)。在傳統(tǒng)真空滅弧室的基礎(chǔ)上，優(yōu)化觸頭結(jié)構(gòu)和屏蔽筒材料、觸頭與屏蔽筒的距離等參數(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，提高弧壓大小，增強(qiáng)觸頭的耐燒蝕能力。進(jìn)一步優(yōu)化外加磁場(chǎng)的擾動(dòng)強(qiáng)度、介入時(shí)間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在最小的擾動(dòng)能量下達(dá)到高弧壓的設(shè)計(jì)需求，能夠在極短時(shí)間內(nèi)熄滅電弧，避免電弧對(duì)設(shè)備造成損害]。

3.3 電子式脫扣設(shè)計(jì)

電子式脫扣的控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示，直流斷路器的控制板卡通過(guò)電流傳感器采集系統(tǒng)電流，并快速判斷電流值是否達(dá)到動(dòng)作門檻值，同時(shí)控制超高速機(jī)械開關(guān)以及轉(zhuǎn)移支路IGBT閥組等動(dòng)作，完成分合閘操作。

3.4直流斷路器整機(jī)設(shè)計(jì)

混合式地鐵直流斷路器整機(jī)采用緊湊化設(shè)計(jì)方案，集成了超高速機(jī)械開關(guān)、大容量閥組、觸發(fā)控制回路、測(cè)試回路、推進(jìn)機(jī)構(gòu)等。整體布局采用上下結(jié)構(gòu)形式，底盤車布置在手車中間，機(jī)械開關(guān)、閥組放置在手車上半部分，便于檢修和接線。觸發(fā)回路放置在下方外側(cè)，便于安裝檢修。測(cè)試回路單獨(dú)放置在手車內(nèi)側(cè)下半部分，實(shí)現(xiàn)一、二次回路分離。整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖9所示。

4新型直流斷路器開斷性能驗(yàn)證

4.1 新型直流斷路器的開斷試驗(yàn)

根據(jù)IEC61992-2-2014要求，C型斷路器近端故障試驗(yàn)條件如表1所示。

完成新型直流斷路器開斷能力試驗(yàn)平臺(tái)搭建，試驗(yàn)回路原理圖如圖10所示，試驗(yàn)回路滿足 10kA/ms 的上升率需求，最大開斷電流為 60kA 。

完成整機(jī)大電流開斷試驗(yàn)，開斷電流 60kA ，截?cái)鄷r(shí)間 2.0ms ，開斷試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

4.2 新型直流斷路器掛網(wǎng)示范應(yīng)用

研究設(shè)計(jì)的超高速無(wú)弧開斷技術(shù)的新型直流斷路器順利完成型式試驗(yàn)，在廣州地鐵一號(hào)線西塑車輛段變電所進(jìn)行掛網(wǎng)驗(yàn)證，掛網(wǎng)驗(yàn)證變電所主接線圖如圖12所示。掛網(wǎng)示范期間，憑借先進(jìn)的真空滅弧技術(shù)和高效的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)生短路故障時(shí)，新型直流斷路器能迅速切斷電流，全開斷時(shí)間小于 15ms ，極大地降低了短路電流對(duì)設(shè)備的沖擊。

相比傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器，新型直流斷路器在開斷短路電流關(guān)鍵指標(biāo)上性能優(yōu)越。本項(xiàng)目目標(biāo)產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)對(duì)標(biāo)情況如表2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了新型直流斷路器電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圍繞主通流支路、轉(zhuǎn)移支路以及能量耗散支路，分析了直流斷路器的工作原理和工作過(guò)程。其次研究了低壓大電流真空滅弧室、混合型電磁超高速操作機(jī)構(gòu)以及脈沖電流觸發(fā)單元，提出了無(wú)弧真空型直流斷路器核心部件的設(shè)計(jì)方法。新型直流斷路器實(shí)現(xiàn)了短路發(fā)生時(shí)觸發(fā)吹弧電路，短路電流從主機(jī)械開關(guān)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移支路，電磁能量在MOV回路耗散，主機(jī)械開關(guān)過(guò)零熄弧。

掛網(wǎng)示范表明，本文研究的超高速無(wú)弧開斷技術(shù)的新型直流斷路器可以在毫秒級(jí)完成故障切斷，切斷過(guò)程中電壓和電流穩(wěn)定，沒(méi)有突變，具有良好的故障切斷性能。新型直流斷路器的成功研發(fā)與掛網(wǎng)示范，將會(huì)推動(dòng)軌道交通直流斷路器技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)一步提高直流牽引供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

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