基于超高速无弧开断技术的新型城市轨道交通直流断路器研究

0    引言

“十四五 ”规划指出 ,轨道交通运营里程预计将超过13 000 km。直流断路器及直流保护装置是整个系统的关键核心设备之一 。

直流断路器是近年来直流电源系统中重要的故障排除手段 ,其相关技术研究一直是直流电源系统保护领域研究热点 。

当前我国城市轨道交通直流断路器多为空气式断路器产品 , 开断时间较长 , 无法快速抑制短路电流 ,短路冲击较大^[1]。

ABB公司于2012年采用电阻过零换相方法 , 开发了世界上第一台320 kV混合直流断路器^[2] 。2015年 ,  清华大学基于创新的换相原理和电力电子开关技术开发了一种耦合负压混合直流断路器^[3]。2018年 ,南瑞开发了500 kV整流器混合高压直流断路器原型 ^[4] 。直流断路器技术的发展对地铁直流牵引供电系统的安全运行具有重要意义。

本文分析了混合式直流断路器的拓扑结构和工作原理 ,研究了一种基于超高速无弧开断技术的混合式1 500 V直流断路器 ,可实现快速故障排除 , 降低直流系统短路时对牵引系统及机车等设备的短路冲击 ,保证地铁直流牵引供电系统的安全稳定运行。

1    电路拓扑结构设计

根据地铁直流断路器技术参数 , 为解决行业痛点 , 实现开断速度快、无弧以及免维护等 ,提出基于电弧电压强制转移型超高速混合电磁操作机构的新型轨道交通直流断路器 ,整个拓扑包括通流支路、转移支路和耗能支路 ,其电路拓扑原理如图1所示。

通流支路采用弧压增强型真空超高速机械开关 ,主要负责直流断路器合闸状态下长期稳态通流 ,并在故障时短时耐受故障电流。

转移支路由一级二极管桥式整流阀组串联构成 , 负责直流负荷开关开断过程中短时承载电流以及开断功能。

耗能支路主要包括多级氧化锌避雷器(MOV),用于抑制关断电压及吸收系统感性元件储存的能量 ,负责吸收耗散开断后的系统残余能量。

同时配置有综合保护装置 , 实现包括直流断路器分、合闸控制和系统保护的功能。 

2   工作原理

分位状态下 ,通流支路的真空超高速机械开关处于分闸状态 ,转移支路IGBT处于闭锁状态。

2.1    合闸过程

当直流断路器接收到合闸动作指令后 , 首先控制转移支路IGBT导通 ,立即接通系统电流 ,并经过一段延时后控制通流支路真空超高速机械开关闭合 ,导通承载系统稳态运行时的电流 ,如图2所示。

2.2    分闸过程

当直流断路器大电流脱扣接收到保护分闸或分闸动作指令后 ,主要分闸过程如下:

1)超高速机械开关分闸:直流断路器大电流脱扣收到保护分闸或者分闸动作指令后 , 发送超高速机械开关分闸指令 ,超高速机械开关机械触头开始分离并燃弧 ,此时转移支路IGBT仍处于闭锁状态 ,系统电流仍流过超高速机械开关 ,如图3所示。

2)转移支路导通: 当超高速机械开关触头分离达到一定开距后 ,控制转移支路IGBT导通 , 电流在超高速机械开关真空电弧电压作用下向转移支路转移 ,如图4所示。

3)转移支路闭锁: 当系统电流完全转移至转移支路后 ,控制转移支路IGBT闭锁。此时超高速机械开关中无电流 ,且已经达到了绝缘开距 ,IGBT闭锁后 ,产生的过电压将系统电流向耗能支路转移 , 如图5所示。

4)MOV耗能:耗能支路MOV动作 , 系统电流完全转移至耗能支路 。系统电流经过MOV消耗并逐渐降低至零 ,如图6所示 ,完成整个开断过程。

3   新型直流断路器设计

3.1    超高速机械开关设计

根据地铁混合式直流断路器的拓扑结构与工作原理 ,通流支路采用弧压增强型真空超高速机械开关 ,主要负责直流断路器合闸状态下长期稳态通流、稳态或故障电流下的快速换流与绝缘建立 , 并在故障时短时耐受故障电流^[5]。

超高速机械开关采用基于电磁斥力的机构 ,单相电磁斥力机构原理如图7所示 ,主要工作原理是预先充电的储能电容向分闸或合闸线圈放电 , 线圈脉冲电流在金属盘中感应出涡流 , 涡流产生的磁场与线圈脉冲电流产生的磁场相互作用产生电磁斥力 ,推动斥力盘以及连杆运动 ^[6] ,实现机构的快速运动 ,完成分合闸动作。

3.2    灭弧室设计

灭弧室采用真空设计结构 , 以真空为熄弧介质 。在传统真空灭弧室的基础上 ,优化触头结构和屏蔽筒材料 、触头与屏蔽筒的距离等参数 , 进行试验验证 ,提高弧压大小 ,增强触头的耐烧蚀能力 。进一步优化外加磁场的扰动强度、介入时间等参数 ,实现在最小的扰动能量下达到高弧压的设计需求 , 能够在极短时间内熄灭电弧 ,避免电弧对设备造成损害^[7]。

3.3    电子式脱扣设计

电子式脱扣的控制系统架构如图8所示 ,直流断路器的控制板卡通过电流传感器采集系统电流 , 并快速判断电流值是否达到动作门槛值 , 同时控制超高速机械开关以及转移支路,GBT阀组等动作 ,完成分合闸操作。

3.4    直流断路器整机设计

混合式地铁直流断路器整机采用紧凑化设计方案 ,集成了超高速机械开关、大容量阀组、触发控制回路、测试回路、推进机构等 。整体布局采用上下结构形式 ,底盘车布置在手车中间 ,机械开关、阀组放置在手车上半部分 ,便于检修和接线。触发回路放置在下方外侧 ,便于安装检修。测试回路单独放置在手车内侧下半部分 ,实现一、二次回路分离 。整机结构设计图如图9所示。

4   新型直流断路器开断性能验证

4.1    新型直流断路器的开断试验

根据,EC 61992—2—2014要求 ,C型断路器近端故障试验条件如表1所示。

完成新型直流断路器开断能力试验平台搭建 ,试验回路原理图如图10所示 ,试验回路满足10 KA/ms的上升率需求 ,最大开断电流为60 KA。

完成整机大电流开断试验 ,开断电流60 KA ,截断时间2.0 ms ,开断试验结果如图11所示。

4.2    新型直流断路器挂网示范应用

研究设计的超高速无弧开断技术的新型直流断路器顺利完成型式试验 ,在广州地铁一号线西望车辆段变电所进行挂网验证 ,挂网验证变电所主接线图如图12所示。挂网示范期间 ,凭借先进的真空灭弧技术和高效的操动机构 ,发生短路故障时 ,新型直流断路器能迅速切断电流 ,全开断时间小于15 ms , 极大地降低了短路电流对设备的冲击。

相比传统机械式断路器 ,新型直流断路器在开断短路电流关键指标上性能优越 。本项目 目标产品与国内外同类产品技术对标情况如表2所示。

5    结束语

本文首先介绍了新型直流断路器电气拓扑结构 , 围绕主通流支路、转移支路以及能量耗散支路 ,分析了直流断路器的工作原理和工作过程 。其次研究了低压大电流真空灭弧室、混合型电磁超高速操作机构以及脉冲电流触发单元 ,提出了无弧真空型直流断路器核心部件的设计方法 。新型直流断路器实现了短路发生时触发吹弧电路 ,短路电流从主机械开关转移到转移支路 , 电磁能量在MOV回路耗散 ,主机械开关过零熄弧。

挂网示范表明 ,本文研究的超高速无弧开断技术的新型直流断路器可以在毫秒级完成故障切断 ,切断过程中电压和电流稳定 ,没有突变 ,具有良好的故障切断性能 。新型直流断路器的成功研发与挂网示范 ,将会推动轨道交通直流断路器技术的快速发展 ,进一步提高直流牵引供电系统的可靠运行。

[参考文献]

[1]  王华清.城市轨道交通混合式直流断路器高速分断关键技术研究[D].郑州:郑州大学 ,2019.

[2]  陈宁.柔性直流电网电力电子装备过电压仿真模型及其应用[D].北京:华北电力大学(北京),2019.

[3]  余占清 , 曾嵘 ,屈鲁 ,等.混合式直流断路器的发展现状及展望[J].高电压技术 ,2020 ,46(8):2617-2626.

[4]  石巍 ,曹冬明 ,杨兵 ,等.500  kv整流型混合式高压直流断路器[J]. 电力系统自动化 ,2018 ,42(7): 102-107.

[5]  裘鹏 ,黄晓明 ,陆翌 ,等.混合型直流断路器中高速开关的研究[J]. 电工电气 ,2015(12): 10-14.

[6]  辛业春 ,孙浩然 ,王威儒 ,等.混合式高压直流断路器开断过程整机应力特性研究[J].高压电器,2023,59(6):40-47.

[7]  轨道交通  地面装置  直流开关设备  第2部分:直流断路器:GB/T  25890.2—2010[S].

《机电信息》第14期第14篇