直流开关柜机械保护装置的设计分析

阳兴

（株洲中车时代电气股份有限公司装备事业部，湖南 株洲412001）

近年来，为缓解出行交通压力，大力发展城市轨道交通。直流牵引供电系统越来越被广泛的应用，直流开关柜作为直流供电系统中最核心的直流开关设备，对其配套保护装置的技术研究，对实现直流开关柜的安全运行、故障维护等有着极其重要的作用。直流开关柜的保护装置主要分为机械和电气两大类，其中机械联锁保护作为直流开关柜成套设备的关键技术，应积极研发掌握其保护设计原理并且推广应用，实现直流供电设备国产化。本文以国内常用的直流快速断路器为例，结合实际运用经验，对直流开关柜中机械联锁保护进行结构设计思路分析，提出一套可行性高的保护装置。

1 直流供电设备特点及现状

1.1 直流供电设备

国内城市轨道交通（简称城轨）车辆牵引全部采用直流供电模式，通常采用直流1500V和750V电压等级供电，直流开关柜包括进线柜（又称正极柜）、馈线柜、负极柜、端子柜（又称联跳柜）等系列组成直流供电设备。其中直流开关柜机械保护装置主要在带直流快速断路器的设备中，其示意图如图1所示，分为控制室、手车室、母线室3个区域，其中控制室中包含有电气控制元件，母线室中有主母线，手车室中为直流快速断路器、断路器手车，其中手车室与其他区域均有绝缘板隔离，确保安全。

1.2 国产化现状

我国处于轨道交通的快速发展时期，国产化方面，主要有上海拓及轨道交通设备有限公司，中船重工第712研究所和株洲中车时代电气股份有限公司，均能实现直流开关柜的自主设计，国产化程度高，并且实现正线运营的成熟方案。国外成套设备价格昂贵，后期维护成本高。为了保证中国轨道交通设备的可持续发展，打破国外垄断，提升国内装备制造水平，对直流开关柜中的核心装置进行研究，在已有的国产化成果的基础上，推广自主设计的相关经验，对推进轨道交通直流供电设备的发展具有重要意义。

图1 手车柜整柜示意图

2 机械保护装置原理

直流开关柜结构设计中，为有效的保护供电及操作人员安全，机械保护原则对于不同的地铁牵引供电系统，保护装置的结构形式可能不相同，但是保护的作用是相同的。其核心保护原则是具备广义上“五防”的保护功能，设备才能安全投入运行。高压开关柜中要求的“五防”中，明确要求隔离开关、断路器（负荷开关、接触器）与接地开关及柜门四者之间的联锁关系。对于直流开关设备，所需要的保护原理基本相同，但由于直流快速断路器在分合闸时会喷弧，且需要灭弧装置才能工作，且各个厂家所采用的直流快速断路器均不一样，实现的方式也各不相同，但对其机械保护装置要求均相同，因此各个直流开关设备厂家均有自主设计的联锁机构。通过机械联锁结构，结构简单，可操作性好，安全性高。

直流开关柜中的直流快速断路器，均设计有特定的固定装置，统称为断路器手车。通常直流快速断路器，通过上部插头、下部插头与主母线进行连接，下部布置有电气控制元件，且能单独移开到柜外进行操作和维护。手车式开关柜中的保护装置原理可具体描述为：（1）防止带负荷拉、合手车，即直流断路器合闸时，不能推拉手车。（2）当断路器手车在工作位置时；低压插头不能拔出，在低压插头未拨出前，断路器手车不能从开关柜中拉出。（3）只有当断路器手车处于试验位置时，才能推拉断路器手车和抽出插入柜体。（4）防止误分直流快速断路器。（5）防止误入带电隔室。

3 保护装置的设计需要考虑的几个问题

（1）机械保护装置要充分考虑各种保护机构之间的相互配合关系，在机械保护过程中，通过一系列的机械保护机构，实现保护的功能，尤其是柜门与直流断路器及手车三者相互配合的机械联锁结构，以保证在直流供电过程中发生故障时，能可靠安全的进行直流快速断路器的分合闸，切除故障。（2）保护装置在设计时需要考虑直流快速断路器是否配置强制脱扣器及其具体位置，针对性的进行机械急停保护装置的方案设计。（3）机械保护装置需要充分考虑各种特殊故障的保护，如手车室的柜门必须参与联锁，因为它是一个带电间隔，在带电的情况下是不允许打开柜门，防止发生短路事故对电弧不至于喷出柜外伤人。另需要有断路器手车自锁保护装置，以防止直流快速断路器手车长时间工作过程中，由于振动或者其它原因导致手车发生移动，拉弧或供电中断等故障。

4 直流开关柜的机械保护装置

本文结合国内各直流开关柜成套设备厂家的直流快速断路器手车，对不同厂家保护功能的联锁结构，对实现方式进行功能阐述，并提供一定的设计思路。

4.1 柜门-手车互锁保护装置

为了确保在供电过程中，防止人为误操作打开柜门，防止操作人员进入带电区域，又能防止在工作过程中断路器喷弧损害操作人员，需要对柜门与断路器手车进行联锁保护设计，即当断路器在工作状态时，柜门无法打开，只有当直流断路器手车摇到试验位置时，才能打开柜门。其设计思路：在柜门和手车上同时设置能相互锁住的机械结构，在工作状态时处于锁住状态，在试验位时能自行解锁。

4.2 手车自锁及操作允许保护装置

断路器手车在设计时通常以丝杠传动方式，能满足直流快速断路器在柜内往返工作位和试验位，且在丝杠前端有四角或六角螺母头，通过专用操作手柄进行操作。本联锁装置分为两部分联锁保护装置，其保护作用是：当柜门打开时，不能操作断路器手车，必须关门才能操作手车；断路器手车丝杠传动装置能够在不操作情况下处于自锁状态。其设计思路：可以利用丝杠前端的四角或六角螺母进行联锁设计，可设置能与之相咬合的正多边形自锁块，在操作时能解锁，操作结束后，能自行回复自锁状态；另设计与柜门联锁的机构，在开门状态时不能将自锁块进行解锁，只有在柜门关闭时能解锁自锁块，才能操作手车。

4.3 机械分闸保护装置

通常直流快速断路器的本体结构中，底部有机械脱扣机构，底部为半球形的凸杆连杆结构，往上顶开凸杆就能使直流快速断路器跳闸并闭锁，起到紧急分闸作用。其设计思路为在柜门上装有急停按钮，手车底部设置分闸杆，分闸杆前段设置有分闸块，且分闸块刚好在断路器凸杆下方。通过操作急停按钮，推动分闸杆及分闸块，对直流快速断路器进行分闸，且在分闸杆中设置复位弹簧，操作完可以进行复位。

4.4 活门保护装置

直流开关柜的保护结构设计中，活门保护装置为关键的保护装置，使直流快速断路器在离开工作位置时与母线室的主母线中的绝缘隔离，确保直流快速断路器手车不带电荷，确保安全。其设计思路：联锁结构需要与直流快速断路器手车相互配合，在手车上设置推动装置，活门机构为绝缘隔板和连杆装置组成，绝缘隔板上开有连接窗口，通过连杆装置实现直流快速断路器与主母线的连接窗口打开和关闭。

5 机械保护装置的可靠性

直流开关柜机械保护装置作为直流开关柜中一系列特殊机械机构，与开关柜、断路器手车存在着一定的内在关联，它们之间的配合程度决定着直流开关柜电器的性能和安全，在实际制造过程中，加工的精度和现场的使用环境均能导致其配合情况发生变化，导致机械式结构配合不到位发生卡滞或脱落等情况，使保护失效从而造成故障，因此需要对机械联锁机构的可靠性予以高度的重视。加强各个联锁机构零件的强度及制造精度，以确保其在配合过程中不偏差，不变形。加强柜门和手车上联锁机构的配合，对需要联锁的机构加强检验及验证，确保在长时间使用过程中不卡滞，不脱落。在进行结构设计过程中，确保结构的合理性以及操作的连贯性，可充分考虑安全性和人性化操作。

6 结语

设计和制造直流开关柜机械联锁保护装置，尤其是多重联锁结构设计时，需要充分考虑直流快速断路器的运行要求，在联锁结构设计过程中，通过精确的计算和仿真，模拟其联锁动作，在调试过程中进一步得到验证和优化，使产品的性能和质量进一步得到提升，确保联锁机构灵活可靠，最大限度的确保直流开关柜在实际使用过程中具备高安全可靠性。

[1] 成大先等.机械设计手车[M].北京：化学工业出版社，2002：第2卷.

[2] 秦峰.轨道交通的直流供电系统的开关设备简述[J].电气时代，2010年01月.

[3] 邓晓刚.新型SErapid牵引配电开关柜[J].低压电器，2010年，8期：29-32.