城市轨道交通直流开关柜的国产化探索

张 刚 袁铎宁

(1.武汉地铁集团有限公司 武汉 430030;2.中国船舶重工集团公司第七一二研究所 武汉 430064)

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 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。

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。

1.2 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。

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，4000 A;

●额定短路电流，125/80 kA;

●系统标称电压，900/1800 V;

●额定绝缘电压，1000/3000 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 μs);

●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尺寸要求。

（1）桥梁布孔。从标准中对于长度预制桥梁结构受力的分析情况可以发现，梁体长度一般需要确认为标准尺寸的98%～102%，此时不需要改变任何结构，尺寸和配筋都不需要改变，只是将桥梁跨中直段部分的长度进行适当地调整，可以使桥梁的结构满足工程的要求。桥梁设计阶段，应该结合曲线半径和桥梁跨径来进行设计，此时应该将桥梁预制长度控制在标准尺寸的98% ～ 102%即为合格[3]；

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。

2.2 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1800 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 50123-1/2—2003、IEC 61992-1/2—2006 及 GB 14048.1—2006、GB 14048.2—2008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，900/1800 V;

●额定绝缘电压，3000 V;

●过负荷能力:3900/4300/4900 A，1 h;6150/6200/8800 A，5 min;8200/8450/9800 A，1 min;

●开断时的过电压，≤2500/4000 V;

●短路开断能力，≥125/80 kA;

●机械寿命，25000次;

●机械特性:固有动作时间(di/dt=5×106A/s)，≤6 ms;全分闸时间(di/dt=5×106A/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 μs);

●保持方式，电保持或磁保持;

●额定合闸功率，1300 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

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。

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。

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;

●事件记录数量，1000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、ΔI、ΔT，热保护、阻抗保护;命令，联跳、ΔU、重合闸及防跳、线路测试。

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 μs/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(fieldprogrammable 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，需要对波形进行甄别，而快速、准确地计算出是波形识别的关键。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，采用合适的数字滤波算法，提高了的准确性。

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。

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。从试验波形可以看出，短路电流上升率0.22 ×106A/s，断路器的总开断时间为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1800、4000 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

通过对国内外直流快速断路器的性能参数对比，可以得出:国内拥有自主知识产权的ZDS3型直流快速断路器的技术指标已经与国外直流快速断路器的整体技术性能处于同一水平，部分技术指标(如短路分断能力)甚至处于国际先进水平。

4 结语

经过了型式试验、现场检查和城市轨道交通线路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。

［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，2008:329-330.

［2］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):22-26.

［3］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):58-59.

［4］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，2010.

［5］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，2010.

［6］董宏宪.直流断路器触头配对材料的研究［J］.船电技术，2002(6):39-44.

［7］张冠生.电器理论基础［M］.西安:西安交通大学出版社，1996.