直流开关柜的结构与原理

    

    地铁变电所中的直流开关柜包括750 V、1 500 V两种电压等级。工作状态如图5.1所示。大多数地铁工程所需开关柜设备主要由以下5种柜体或箱体组成：进线柜、馈线柜、负极柜、端子柜及钢轨电位限制装置。本章以镇江大全赛雪龙牵引电气有限公司生产的KMB金属封闭式直流开关柜为例进行介绍。

    

图5.1　直流开关柜工作状态图

    一、直流开关柜的基本结构

    直流开关柜是一种空气绝缘、金属封闭式、户内成套的设备，由一系列标准化单元组成，如低压室、断路器（手车）室、母线室、电缆室等，如图5.2所示（左侧为正面、右侧为背面）。

    

图5.2　直流开关柜柜体结构图

    1. 断路器室

    断路器室包含抽出式断路器手车、机械闭锁机构、手车导轨、手车接地触点等几部分，其中抽出式断路器手车上安装了直流断路器、分流器、线路测试装置、断路器控制装置等设备。

    直流快速断路器安装在可以很方便拉出的手车上，如图5.3所示。该手车上的动触头与母线室的静触头可以实现一次主电路的断开或接通，同样可以利用航空插头来断开或接通二次回路。直流断路器小车有三个位置，分别是工作位、试验位和隔离位。在“工作”位置，无论是一次电缆还是二次电缆都与相应的接口完全连接，并且断路器处于正常工作状态；在“试验”位置，一次电缆断开，并与相应的母排保持一个特定的安全距离，活门被关闭，只有二次回路仍然接通；在“隔离”位置，手车、断路器及其控制线路被完全从手车室中拉出来，所有线路均被切断。当断路器处于合闸位置时禁止断路器手车被移出“工作”位置，这是通过电气及机械互锁来实现的。

    在直流开关柜的正面，位置指示器“ON”（红）或“OFF”（绿）表明了断路器的状态，如图5.4所示。在柜子正前方既可以对直流断路器（HSCB）进行各种电气控制操作，也可进行手动分闸操作。

    断路器手车在“工作”位置和“试验”位置的变换是通过一个机械机构实现的。当拔掉航空插头后，无需专用工具即可将断路器手车从柜体中抽出并移开，使手车移出开关柜，移出开关柜后的断路器手车与开关柜失去所有联系（电路连接、机械联锁等）。

    断路器室门是手车抽出（进入）断路器室的出入口，与手车位置联锁。当手车在“工作”位置或在“工作”位置和“试验”位置之间的中间位置时，门将被闭锁在关闭位；当断路器处于“试验”位置时，柜门可打开并可抽出手车（这里必须强调，只有当断路器处于分闸状态时，才可将手车拉出至柜体外部）。移出的手车再推入开关柜时，首先移动至“试验”位置，此时须关闭柜门才能旋转手车操作手柄移动手车，使之到达“工作”位置。

    断路器室内还设置了一个自启动的活门，当手车处于“试验”位置时，活门关闭并闭锁，使直流断路器（HSCB）手车触头不能插入，防止活门因误操作而从柜前碰到断开的电缆室固定触头。

    测量线路馈线电压的电压变送器装置安装在柜体的固定部分，与手车是分离状态，便于手车抽出时能继续保持测量。

    断路器手车推出状态如图5.3所示。

    

图5.3　断路器手车拉出示意图

    2. 母线室

    母线室位于柜体后部，母线室包含有与手车上部动触头相接触的静触头和母排。

    母线室与断路器室之间用绝缘隔板隔开，为了方便维护人员进入母线室维护，绝缘隔板都配有手柄。

    3. 低压室

    低压室位于直流开关柜上部，安装有控制设备（二次系统，包括测量、控制电路等）。低压室有一个单独的隔离门，测量电路后面也安装有绝缘板，实现与1 500 V（或750 V）主电路的隔离，保护操作人员安全；低压室不包含任何潜在的主电路（无馈线电压/无负回流电压）；一次主回路电压总是通过适当的额定电压变换器与二次回路隔离；就地控制装置（分合闸控制开关等）安装在低压室门板上。

    4. 电缆室

    电缆室位于柜体后部，它包括主回路的电缆连接排、固定触头（与可抽出的手车下部触头相接触）、馈线电缆接地固定点。电缆室通过绝缘板与断路器室隔开，为了方便维护人员进入电缆室维护，绝缘隔板都装配有手柄。

    直流开关柜的正面布置情况如图5.4所示。通过断路器室门上的观察窗可清楚地看到断路器手车的位置。直流断路器、直流隔离开关代号（如“201、202、211、2111、212、2121”等）是该断路器、隔离开关在电气主接线中的代码；直流断路器、隔离开关位置指示器“ON”（红）或“OFF”（绿）表明了其工作位置为合闸或者分闸；电气及机械互锁用来防止当断路器合闸时断路器手车被移出“工作”位置；直流断路器、隔离开关的分合闸控制开关可以实现就地电动控制；控制模式的选择开关提供“远方”“当地”两种控制模式；在“手柄解锁”允许的情况下，通过“手柄操作孔”可以实现对直流断路器的手动控制；安装在断路器手车上的脉冲计数器装置（不可复位）能记录断路器的合闸次数。

    

图5.4　直流开关柜正面视图
1—直流断路器代号；2—直流断路器位置指示器；3—手车解锁按钮；4—故障复位按钮；
5—直流断路器分合闸控制开关；6—显示单元；7—正极母线；8—直流隔离开关代号；
9—直流隔离开关位置指示器；10—控制模式选择开关；
11—直流隔离开关分合闸控制开关；12—紧急分闸按钮；
13—手柄解锁；14—机械解锁；
15—手柄操作孔

    直流开关柜的安装如图5.5所示。作为杂散电流防护的一种重要措施，直流开关柜必须绝缘安装，推荐最小绝缘阻值为1兆欧（1 000 V）。具体措施包括：在将直流开关柜固定在地面期间，务必避免框架和属于电气接地部分的任何接触；在直流开关柜与变电所地坪之间，通过厚度为2～5 mm的绝缘垫来确保绝缘；为便于断路器手车自由进出柜体，绝缘垫一般伸出直流开关柜周围2 cm；同时，若直流开关柜中设有避雷器，则避雷器应与大地或负极直接相连。此外，为保证框架泄漏的保护功能的实现，直流开关柜柜体还要通过一个低阻抗继电器接地。

    

图5.5　直流开关柜安装示意图
1—直流开关柜；2—低阻抗继电器；3—对地绝缘；4—大地或接地网

    各个直流开关柜的操作均须遵循已确定好的联锁关系进行。任何情况下隔离开关不能带负荷操作，由于负极柜中仅有隔离开关，因此通常情况下直流牵引侧送电先后顺序依次为负极柜、正极柜、交流断路器，最后是馈线柜，直流牵引侧停电顺序则相反。

    二、直流断路器

    断路器手车上安装的直流断路器，其外观结构如图5.6、图5.7所示，原理如图5.8所示。它是一种双向、单极单元电器元件，采用了电磁吹弧、电动操作系统、直接瞬时过流脱扣、间接快速脱扣（用户可选项）和空气自然冷却方式等技术。间接脱扣器由一个线圈和一个电子控制装置组成，线圈固定在断路器上，电子控制装置（由放电电容和电子开关组成）单独安装。1 000～6 000 A的断路器，其响应时间仅为几毫秒。

    

图5.6　HPB45系列断路器和HPB60系列断路器

    

图5.7　UR26/36/40系列断路器

    

图5.8　直流断路器UR36原理图
1—合闸装置；2—拨叉；3—动触头（主触头）；4—动推杆；5—辅助触头；
6—止动器；7—过流释放杆；8—举起力；9—静触头（主触头）；
10—灭弧室；11—角板；12、13—灭弧栅

    1. 直流电弧熄灭原理

    与有自然过零点的交流电弧不同，直流电弧只能靠强制使电流为零来熄灭，在电弧能量不变的前提下，促使电弧电流接近于零，意味着必须提高电弧电压，使之高于断路器的工作电压。可以通过合理的措施迅速提高电弧电压，如在中、低压直流回路中使用电磁吹弧断路器，从而达到灭弧的目的。对高压直流回路，必须相应地降低电压和电流，对要求分闸更快的断路器，通过加接LC谐振电路产生人工电流零点来灭弧，如图5.9所示，这需要非常精确和可靠的电子技术。

    以瑞士赛雪龙公司生产的UR系列直流断路器为例，当断路器跳闸后，主回路磁场将动、静触头之间产生的电弧吹入灭弧室，灭弧室采用冷阴极设计，由许多相互绝缘的灭弧板（金属栅片）组成，一旦电弧进入灭弧室，就被金属栅片分裂为许多串联的小弧段。因为每两块灭弧板之间的电压降约为40 V，所以总的电弧电压便大大增加（电弧电压取决于灭弧板的数量，一般不超过额定电压的2倍），电弧电流大大减少，从而使电弧得以迅速熄灭。燃烧的气体从上端逸出，并在位于金属灭弧板上部的绝缘板之间被强化去游离而熄灭。

    鉴于直流电弧熄灭比较困难，应当尽量避免直流断路器盲目合闸。当直流断路器合闸送电时，必须预先进行线路测试，即首先通过线路测试装置对将要合闸送电的线路进行绝缘性能测试，绝缘合格，则给断路器送出合闸命令；绝缘测试不合格，则闭锁断路器，禁止合闸。当运行的线路跳闸后，禁止盲目重合闸，只有通过线路测试，确认短路清除，断路器才能自动重合闸。

    

图5.9　直流灭弧原理
t1—短路发生时刻；t2—触头分离时刻

    2. 直流断路器分合闸工作原理

    直流断路器根据其维持合闸状态（合闸保持）原理及分闸控制原理的不同，分为电保持型（E型）和磁保持型（M型）两种。

    （1）合闸

    如图5.8所示，当直流开关柜的二次系统接收到一个合闸脉冲，合闸装置1推动拨叉2使动触头3合上并且使动触头3压紧主触头3和9。动触头3带动推杆4移动并使辅助触头5变位。合闸时的震动力会被止动器6所吸收。

    （2）合闸保持

    一旦主触头合上，动触头压紧触头的压力将由合闸装置1提供。电保持型（E型）断路器通过在合闸线圈所在的回路中串入电阻以使合闸电流降低5%，该电流足以维持动触头压紧触头的合闸状态；磁保持型（M型）断路器依靠永久电磁铁维持动触头压紧触头的合闸状态。

    （3）分闸

    断路器分闸可通过两种方式实现。

    其一，通过安装于断路器本体上的大电流脱扣保护装置的过流脱扣命令。过流脱扣命令的实现方法是：某个电流超过了最大电流设定值，过流释放杆7产生一个向上的举起力8举起拨叉2，从而释放动触头3。

    其二，常规分闸命令。实现方法是：电保持型（E型）断路器是通过分闸命令切断合闸装置的保持电流；磁保持型（M型）断路器是施加一个逆向脉冲电流（分闸电流是合闸电流的20%）导致拨叉2缩回来，于是推杆4打开动触头3并使辅助触头5变位。产生在主触头间3和9的电弧通过角板11向上移动至灭弧室10内，并被灭弧栅12分割，电离气体在灭弧栅13间被中和，直流电弧熄灭。