10轨道交通电力牵引传动及其开关设备的发展[兼容模式]

2013轨道交通电力牵引传动高压开关技及其开关设备的发展技术研讨会中国科学院电工研究所王珂2013年10月22日2013年10月22日内内容容提提要要内内容容提提要要‡一、轨道交通概述‡二、城轨交通电力牵引传动及供电系统‡三、城轨交通电力牵引开关设备‡四、干线铁路交通电力牵引及供电系统线铁路交电力牵关设备‡五、干线铁路交通电力牵引开关设备中国科学院电工研究所第2页轨道交通的定义轨道交通的定义„轨道交通9定义：运载人和物的车辆在“特定”的轨道上行走，是一种9定义：运载人和物的车辆在特定的轨道上行走，是种利用轨道和列车进行交通运输的方式。9分类：按照应用场合不同可主要分为城市轨道交通干线铁9分类：按照应用场合不同可主要分为城市轨道交通、干线铁路交通（城际铁路、货运铁路交通）。城市轨道交通交通地铁列车轻轨列车有轨电车单轨车辆干线铁路交通中国科学院电工研究所第3页高速列车重载列车普通电力机车内燃机车电力牵引概述电力牵引概述„轨道交通车辆驱动方式„蒸汽机车„内燃机车„内燃机车9机械传动9液压传动蒸汽机车9液压传动9电力传动（交直、直流、交直交）„电力机车9直流（城市地铁、有轨、无轨、工矿）内燃机车流城市铁有轨无轨矿9低频单相交流(25Hz,16.7Hz)9工频单相交流中国科学院电工研究所第4页9工频单相交流电力机车电力牵引概述电力牵引概述„电力牵引：采用电能，通过牵引电动机将电能转换成机械能驱动车辆运行。又可分为集中动力型和分散动力型。„优点：能驱动车辆运行。又可分为集中动力型和分散动力型。9牵引功率大；9四象限运行；9牵引效率高集中动力型分散动力型9牵引效率高；9过载能力强；9运营费用低0.80.91120014001600扭矩集中动力型分散动力型9运营费用低；9无环境污染：„缺点0.30.40.50.60.760080010001200输出功率效率„缺点：9存在谐波污染；9电气化投资大00.10.2020040001000200030004000中国科学院电工研究所第5页9电气化投资大；内燃机特性电动机特性城市轨道交通的起源与发展城市轨道交通的起源与发展1827，纽约百老汇1863，伦敦地铁中国科学院电工研究所第6页1888，里士满1909，大连我国城市轨道交通发展概况我国城市轨道交通发展概况„20世纪60年代，北京地铁1号线的动工，20世纪末，内地共有北京、天津、上海、广州7条线路建成，里程146公里。„截至2012年底，中国内地共有17个城市运营线路总计达67条，总里程达到2042公里。此外，共有28个城市在建线路63条段，里程里程达到2042公里。此外，共有28个城市在建线路63条段，里程1399公里。2010至2015年地铁建设投资规划额将达11568亿元，中国已成为世界上规模昀大、发展昀快的轨道交通建设市场。„大力发展轨道交通运输系统是解决城市交通拥堵、交通能耗与污染交通安全三大热点问题的必然选择中国科学院电工研究所第7页耗与污染、交通安全三大热点问题的必然选择。城轨交通车辆分类城轨交通车辆分类中国科学院电工研究所第8页城轨交通车辆分类城轨交通车辆分类„按运量分：9地铁：单向高峰小时3-7万人，轴重普遍大于13吨。突破“地下”概念，延伸到地面、高架。9轻轨：单向高峰小时1-3万人，中等运量，小半径转向架，编组灵活，车辆过曲线能力强。9有轨电车：单向高峰小时1-1.5万人，中小运量，无需站台，线路灵活„按牵引传动类型分：9直流电机传动：北京地铁1，2号线，上海1号线（已完成直改交）。9交流旋转电机传动：绝大部分车辆。9直线电机传动：北京首都机场线，广州地铁4、5、6号线。其他中低速磁悬浮系统9其他：中低速磁悬浮系统。„按受电类型分：第三轨或架空线受电，电压750VDC或1500VDC。中国科学院电工研究所第9页按受电类型分第轨或架空线受压或城轨交通车辆分类城轨交通车辆分类城轨交通车辆分类城轨交通车辆分类„按车型分：参数A型车B型车C型车车辆尺寸m（长*宽）22.8*319.6*2.818.9*2.6最大轴重最大轴重／t161411单向高峰小时运量4.5万～7.5万3.0万～5.5万1.0万～3.0万平均运行速度km/h34～4032～4025～35平均运行速度km/h344032402535典型线路：上海地铁1,2号线（8编组）广州地铁1,2号线（6编组）北京地铁8,10,13号线（6编组）长春轻轨（3编组）中国科学院电工研究所第10页A型车B型车C型车城轨交通电力牵引总体框图城轨交通电力牵引总体框图接触网/三轨接触网/三轨受电弓/受流靴城市电网110kV/220kV牵引电机主变电所10kV/35kV牵引变电所整流1500/750VDC变流器车轮中国科学院电工研究所第11页钢轨城轨城轨交通供电系统交通供电系统——供电系统结构供电系统结构„集中式供电9主变电所有两路独立的110/220kV进线电源，经降压后变成35kV或经降压后变成35kV或10kV，供牵引变电所与降压变电所使用。„分散式供电9沿线直接由城市电网引入多路电源，一般为10kV电压级。要求沿线有足够的电源引集中式供电沿线有足够的电源引入点及容量。„混合式供电中国科学院电工研究所第12页„混合式供电分散式供电城城轨交通供电系统轨交通供电系统——牵引变电所牵引变电所城城轨交通供电系统轨交通供电系统牵引变电所牵引变电所„牵引变电所牵引变电所9将35kV或10kV电源降压、整流后变成750V或1500V直流电源，再由接触网供电动列车用电。9早期的交直流配电装置为三相桥式整流电路，之后逐步被12脉波和等效24脉逐步被12脉波和等效24脉波整流电路代替。9牵引变电所间距10009牵引变电所间距1000-3000m不等（根据电压等级变化）。中国科学院电工研究所第13页级变化）。城轨牵引变电所主接线城城轨交通轨交通供电电压等级及供电方式对比供电电压等级及供电方式对比城城轨交通轨交通供电电压等级及供电方式对比供电电压等级及供电方式对比„电压等级及供电方式9750VDC—供电轨、集电靴91500VDC—接触网、受电弓接触网供电三轨供电设备投资成本维护成本安全性网损城市景观适合车型750VDC-供电轨变电所成本高、接触轨成本接触轨磨损量小，几乎不需维护略差低(供电截面积大)影响可忽略不计小编组B型车，小运量触轨成本低1500VDC-接触网变电所成本低、接接触网寿命15-20年，较高略高影响城市景观多编组、A型车、接触网本低、接触网成本高1520年，维护成本高景观A型车、大运量中国科学院电工研究所第14页城城轨交通电力牵引概述轨交通电力牵引概述牵引控制系统车络控制系统列车网络控制系统车体制动系统轮轨回流装置牵引电机牵引变流器转向架中国科学院电工研究所第15页转向架城轨交通电力牵引概述城轨交通电力牵引概述„牵引逆变器9容量：1.3MVA9输入电压：DC750V9输出电压：AC0-550V9额定输出电流：892A额定输出电流：892A9昀大输出电流：1320A„牵引电机9昀大转速：4195r/min9额定转速：2061r/min9额定频率：70Hz750VDC城轨牵引变流器主电路图中国科学院电工研究所第16页750VDC城轨牵引变流器主电路图城城轨交通电力牵引概述轨交通电力牵引概述„牵引逆变器9容量16MVA„牵引电机9昀大转速9容量：1.6MVA9输入电压：DC1500V9输出电压AC01100V9昀大转速：4000r/min9额定转速：1800r/min9额定频率608H9输出电压：AC0-1100V9额定输出电流：520A9昀大输出电流：840A9额定频率：60.8Hz9昀大输出电流：840A中国科学院电工研究所第17页1500VDC城轨牵引变流器主电路图城城轨交通供电系统中的开关设备轨交通供电系统中的开关设备„牵引变电所直流配电装置由进线柜、馈线柜和负流柜组成整流机组直馈线柜和负回流柜组成。整流机组直流输出正、负极分别引入进线柜和负回流柜正极由馈线柜送至接触网上回流柜。正极由馈线柜送至接触网上、下行各供电臂，负极由负回流柜送至上、下行走行轨。„断路器（DL）:用来在电路正常工作上、下行走行轨。和发生故障时关合和开断电路。„隔离开关（G）：主要用于将高压设备与电源隔离以保证检修安全备与电源隔离，以保证检修安全。„熔断器（RN）：用来在电路发生过载或短路时依靠熔件熔断开断电路。中国科学院电工研究所第18页载或短路时依靠熔件熔断开断电路牵引变电所中的开关设备城城轨交通供电系统中的开关设备轨交通供电系统中的开关设备直流断路„直流断路器9直流断路器设备是直流供电系统的一次电流开断保护装置，是直流供电系统供电的核心设备电系统供电的核心设备。9分断动作时间只有几个毫秒及时切除故障短毫秒，及时切除故障短路电流，从而降低故障电流所产生的电动效应电流所产生的电动效应和热效应。中国科学院电工研究所直流断路器的应用第19页城轨交通供电系统中的城轨交通供电系统中的开关设备开关设备„直流断路器：空气型断路器„额定工作电流：1000～6000A额定工作电流：10006000A„响应时间：几个毫秒„短路开断能力：80～125kA„额定工作电压：DC900～1800V„绝缘电压：3000V„昀短机械寿命200000次直流断路器外观图„昀短机械寿命：200,000次中国科学院电工研究所第20页直流断路器规格曲线直流断路器断流工作曲线城城轨交通供电系统中的开关设备轨交通供电系统中的开关设备„直流灭弧原理9与交流电弧不同，直流电弧只能靠强制电流为零来熄灭，电弧电压必须高于断路器电压。在中、低压直流回路中使用电磁吹弧断路器，使电电迅速高从达到的的高直流路必电弧电压迅速提高，从而达到灭弧的目的。对高压直流回路，必须相应地降低和创造人工电流零点(加LC谐振回路)来灭弧。分断程„分断过程9当断路器断开后，主回路磁场将动、静触头之间产生的电弧吹入灭弧室。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，总的电弧电压便大大增加，从而电弧迅速熄灭。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电离断开时的过电压由出，并在位于金属灭弧板上部的绝缘板之间电离。断开时的过电压由金属栅片的数量来加以限制。对要求断开更快的断路器，通过加接LC谐振电路产生人工电流零点来灭弧。中国科学院电工研究所第21页谐振电路产生人工电流零点来灭弧。城城轨交通供电系统中的开关设备轨交通供电系统中的开关设备„SW隔离&接地开关直流隔离开关外观图„SW隔离&接地开关9绝缘电压：DC3000～4800V9额定电流9额定电流：2000A～8000A9室内安装中国科学院电工研究所第22页9手动操作和电动控制操作模式城轨交通供电系统中的开关设备城轨交通供电系统中的开关设备„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。设备。„直流开关柜分固定式和移式定式和移开式。中国科学院电工研究所第23页直流开关柜示意图城城轨车辆牵引系统中的开关设备轨车辆牵引系统中的开关设备„隔离开关隔离开关„高速断路器„接触器„接触器„接地开关中国科学院电工研究所第24页城轨车辆电力牵引系统中的开关设备城城轨轨车辆车辆牵引系统中的开关设备牵引系统中的开关设备„直流接触器„额定工作电压：9003600V„额定工作电压：900-3600V„额定工作电流：200～1500A„短路开断能力：2000-4000A„断开响应时间：15ms以上„机械寿命：2，000，000次机械寿命：2，000，000次中国科学院电工研究所第25页城城轨交通核心轨交通核心开关设备开关设备技术现状技术现状„直流断路器、接触器、直流开关柜技术现状„国外厂商9瑞士赛雪龙（镇江）9瑞士赛雪龙（镇江）9德国西门子（上海）占据国内大部分市场份额占据国内大部分市场份额9德国保富（天津）9法国Saft分市场份额分市场份额法国Saft„国内厂商9武汉长海电器---中船重工7129广州白云电器中国科学院电工研究所第26页广州白云电器干线铁路电力牵引系统干线铁路电力牵引系统四纵四横四纵四横中国