城市轨道交通车辆主型电器的研究与发展-大学论文.doc

城市轨道交通车辆主型电器的研究与发展
学生姓名：程浩
学 号：1332310
专业班级：城市轨道交通车辆P1602班
指导老师：柴贵兰
5

摘要

目录
1 断路器...........................................................
1.1断路器的概述.................................................
1.2 UR6型高速直流断路器.........................................
1.3直流开关柜..............
1.4断路器维护...................................................
2 受电弓...........................................................
2.1受电弓的概述.................................................
2.2 QGM-100型受电弓的结构.......................................
2.3主要技术参数指标及相关试验...................................
2.4受电弓的特性.................................................
2.5 QGM-100型受电弓控制原理.....................................
2.6受电弓试验...................................................
3 司机控制器
3.1司机控制器的概述.............................................
3.2司机控制器的主要电气性能指标.................................
3.3司机控制器的联锁方式.........................................
3.4司机控制器的结构.............................................
3.5司机控制器的发展趋势.........................................
引言
1.1断路器的概述
断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。[1]断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。 断路器按其使用范围分为高压断路器，和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。
1.2UR6型高速直流断路器

UR型高速直流断路器
型号名称
UR 36 M 110 D 8 310 E 6 4 TDS 00

高速断路器 UR

额定发热电流 1000 A 6
1200 A 12
2600 A 26
3600 A 36
4000 A 40
6000 A 236

电保持 E
磁保持 M

操作线圈的额定电压（直流） 24V（直流） 24
32V（直流） 32
36V（直流） 36
48V（直流） 48
64V（直流） 64
72V（直流） 72
110V（直流）110
220V（直流）220

直接瞬时过电流释放 D
直接过电流和间接电容器释放 I

整定范围 600 – 1200 A 1
900 – 1800 A 2
1200 – 2400 3
1250 – 2700 A 4
2000 – 5000 A 5
2000 – 8000 A 6
4000 – 10000 A 7
4000 – 15000 A 8
4000 – 16000 A 9
8000 – 30000 A 10

过电流释放整定值×10（A） 310
例如：310×10＝3100 A
电动 E
气动 P

灭弧罩类型 2
3
6
7

额定电压 1000 V 1
2000 V 2
4000 V 4
实施形式：
- 静止 S
牵引（机车） T
- 垂直放置机车上 TDP
- 垂直悬置机车上 TDS
- 水平放置机车上 TCP
- 水平悬置机车上 TCS

选装件：符合特定的说明 01
-99
技术术语根据IEC
主要的技术数据 类型： UR 4 UR 6 UR 12 UR 26 UR 36 UR 40 HPB 45 HPB 60
机型：- 固定 S S S S S S S S
- 牵引垂直放置 TDP TDP TDP TDP TDP - - -
- 牵引垂直悬置 - TDS TDS - - - - -
- 牵引水平放置 - - TCP TCP - - - -
- 牵引水平悬置 - - TCS TCS - - - -
额定发热电流 （A） 500 1000 1200 2600 3600 4000 4500 6000
额定电压Ue （V） - 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000
（V） 1500 - - - - - - -
（V） - 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000
（V） - - 4000 4000 4000 4000 - -
灭弧罩型 3 3 2 6/7/8 6/7/8 6/7/8 8 8
分断能力：Icc/t
灭弧罩1000 VDC 31型 （kA/ms - 30/15 - - - - - -
21型 （kA/ms） - - 30/10 - - - - -
61型 （kA/ms） - - - 100/10 100/10 100/10 - -
71型 （kA/ms） - - - 160/10 160/10 160/10 - -
81型 （kA/ms） - - - 100/10 100/10 100/10 100/10 100/10
灭弧罩 1500VDC 30型 （kA/ms） 20/15 - - - - - - -
灭弧罩 2000VDC 32型 （kA/ms） - 30/15 - - - - - -
22型 （kA/ms） - - 30/10 - - - - -
62型 （kA/ms） - - - 75/10 75/10 75/10 - -
72型 （kA/ms） - - - 110/10 110/10 110/10 - -
82型 （kA/ms） - - - 75/10 75/10 75/10 75/10 75/10
灭弧罩 4000VDC 24型 （kA/ms） - - 15/10 - - - - -
64S型 （kA/ms） - - - 55/15 55/15 55/15 - -
64T型 （kA/ms） - - - 35/15 35/15 - - -
分断过电压×Ue 1.5 - 1.8 1.5 - 2.1 1.5 - 2 1.5 - 2 1.5 - 2 1.5 - 2 1.5 - 2 1.5 - 2
额定范围 IB （kA） 0.35/0.7 - - - - - -
0 （kA） 0.45/0.9 0.45/0.9 - - - - - -
1 （kA） 0.6/1.2 0.6/1.2 0.6/1.2 - - - - -
2 （kA） 0.9/1.8 0.9/1.8 - - - - - -
3 （kA） - 1.2/2.4 1.2/2.4 - - - - -
1A （kA） - 1.5/3.2 - - - - - -
4 （kA - - - 1.25/2.7 1.25/2.7 1.25/2.7 - -
5 （kA） - - - 2/5 2/5 2/5 - -
6 （kA） - - - 2/8 2/8 2/8 - -
7 （kA） - - - 4/10 4/10 4/10 - -
8 （kA） - - - - 4/15 4/15 - -
1D （kA） - - - - - - 3/6 3/6
9 （kA） - - - - - - 6/12 6/12
10 （kA） - - - - - - 8/15 8/15
1C （kA） - - - - - - 12/18 12/18
机械反应时间
- 直流过电流（di/dt≥5.106 A/s） （ms） 2 2 5 3 4 4 4 4
- 间接电容器释放 （ms） <4 <4 <4 <2 <2 <2 <3 <3
- 断电保持线圈 E型 （ms） 5 – 10 5 – 10 25 – 50 40 – 90 40 – 90 40 – 90 8 – 15 8 - 15
- 断磁保持线圈 M型 （ms） 30 30 25 20 20 20 20 20
实验电压（介电强度）：
- 主触头之间 （kV） 8 8 15 15 15 15 15 15
- 主电路至接地 （kV） 10 10 15 15 15 15 15 15
机械寿命（动作） 5×100000 5×100000 5×50000 4×50000 4×50000 4×50000 4×50000·4×50000
双触头开关 6 6 5 – 8 5 5 5 6 6

：电路时间常数
有关更为详细的信息，请参考具体的出版物
允许改进。

1. 概述

UR 6型高速直流断路器是单极、双向装置，具有电磁吹弧，直接瞬时过电释放，自然空气冷却和电气操作系统。
UR6型高速直流断路器的主要特性和保护如下：
- 发热电流额定值1000 A（直流）
- 绝缘水平2000 V（直流）
- 额定电压1000 V和2000 V（直流）
- 限制切断弧电压
- 直接瞬时过电流释放
- 机械和电气强度高
- 触头损耗小
- 高效消弧
- 抗振动和机械冲击
- 耐热性能
- 结构紧凑，重量轻
- 简单的机械结构
- 维修少
- 符合IEC 77标准。

2. 应用

UR6型高速直流断路器是为机车、工业领域半导体流体装置和铁路小型馈电直流装置的分级断路器的保护而设计的。

3. 技术数据

3.1 定义 图1

Îcc ＝瞬态短路电流
Icc ＝稳态短路电流
Ids ＝过电流释放的电流整定值
di/dt ＝电流初始率上升
Îd ＝分断电流
Ud ＝恢复电压
Ûd ＝最大弧电压
Tm ＝机械反应时间
Ttot ＝全分断时间
＝短路电流的时间常数

3.2 额定发热电流和瞬时过载特性

额定发热电流是最大持续电流。
环境温度为40℃时，该电流为1000 A。
UR6在20℃时启动时，可以承受下列电涌电流：
5分钟 1400 A
2分钟 1500A
1分钟 1600 A
20秒 2000 A
周期性和累积过载可以用热阻抗方法计算，计算程序适用于复杂情况。。

3.3 直接瞬时过电流释放
整定范围：
600 A – 1200 A
900 A – 1800 A
1200 A – 2400 A

3.4 电压额定值
UR6型高速直流断路器的额定电压如下：
- 带31型灭弧罩的额定电压为1000 V
- 带32型灭弧罩的额定电压为2000 V

3.5 分断过电压
分断操作期间，过电压达到下列峰值：
UR6…31 Ûd＝2100 V
UR6…32 Ûd＝4000 V

3.6 机械反应时间

3.6.1 直接过电流释放
图2显示机械反应时间与电流初速上升率之间的关系。
当电流上升率为2KA/ms时，机械反映时间是3ms。

3.6.2 切断命令的操作
机械反映时间取决于保持形式，辅助电源电压和控制方式：
E型电保持：5-10 ms
M型磁保持：30-60 ms

3.7 分断总时间
图3显示在电流初始上升率与分断总时间的相互关系。
电流上升速度为2 kA/ms时，分断总时间大约为15 ms。

3.8 分断能力
分断能力是最高允许短路电流，在额定电压时快速断路器可以断开。

Ud（V）
Icc（kA）
（ms）
UR6…31
UR6…32
1000
2000
30
30
15
15
如果UR6安装在保护罩（参阅第6节）或间隙符合第5节考虑的间隙，则上述值是有效的。

3.9 分断特性（图4a和4b）
短路电流îd取决于下列参数：
- 电流初始上升速度di/dt
- 过电流释放的整定值
- 负载特性îcc、Icc、
图5：示波图：UR6…32

3.10 低电流分断

UR6型高速直流断路器的可以分断电流低至0 A。特殊的吹弧装置能够综合改善完成在两个方向切断小安培电流（图6）。

3.11 实验电压（介电强度）

UR6型高速直流断路器的实验是电压为：
- 主电路接地和控制电路：10 kV，50 Hz，1 min
- 主触头之间：8 kV，50 Hz，1 min
- 控制电路接地：2 kV，50 Hz，1 min

3.12 机械寿命

UR6型高速直流断路器的机械寿命是5X105（没有电流）与正常的清洁和润滑所不同的是不需维修。在105次以后，磨损零件可以更换 。

3.13 机械强度

UR6型高速直流断路器可承受1 g的振动和±3 g的冲击，符合IEC 77标准。

3.14 辅助触头，图7

UR6型高速直流断路器装有6对双转换开关的触头。
开关容量：220 V（交流）时为10 A，110 V（直流）时为1 A。每次换向可通过带3条导线的双路开关接线并桥接，或使用4条导线，提供独立的断开/接通触头。
接线：闭合线圈：2.5 mm2导线。开关：1.5 mm2导线。

3.15 控制电路和闭合装置

闭合装置线圈可适用于下列直流电压：
24-32-36-48-64-72-110 V和220 VDC，误差为＋25％－30％。
可提供交流或直流辅助电源给线圈。
根据不同的保持形式，控制电路不同：

E型 M型
－ 额定闭合功率 835 W 835 W
－ 闭合脉冲持续时间 0.5至1秒 0.5至1秒
－ 机械闭合时间 150 ms 150 ms
－ 额定保持功率 2.5 W 0 W
－ 额定断开功率 0 W 35 W
－ 断开脉冲持续时间 - 0.5至1秒


Af：辅助触头
Bs：吹弧线圈
F ：保险丝
R ：电阻
K ：接触器
V ：自由轮转式二极管
Ua：辅助电压

A 闭合接触器（M型具有延时断开）
B 保持接触器（具有延时闭合）
C 转换接触器
D1 二极管（仅用于交流）
D2 二极管
E 断路器闭合和保持线圈
I 闭合（ON）按钮
O 断开（OFF）按钮
R1 节能电阻器（E型）
R2 串联切断电阻（M型）
R3 并联切断电阻（M型）
S 自动断路器

图8a、b、c和d提供了控制电路示例。
图a：E型交流接线图
图b：E型直流接线图
图c：M型交流接线图
图d：M型直流接线图

1.3直流开关柜
⑴轨道交通的变电系统
典型的牵引变电所的主变电所来的交流高电压（典型值：33kV）经整流机组(包括变压器及整流器)降压丶整流为直流1500V，再经直流开关柜向接触网供电。我国上海和广州地铁的直流牵引供电系统均是如此，北京地铁采用的是第三轨受流器(上海和广州地铁则是架空接触网)其馈电压为750V。由于750V馈电电压供电距离短、杂散电流大，现在多采用1500V。一个供电区由相邻的2个牵引变电所同时供电，这种双边供电的方式提高了供电的可靠性， 同时分区段的方式使故障被隔离在某个区段以内，而不致影响其它供电区段，因而被广泛采 用。运用广泛的是基于 1500V 架空接触网双边供电方式。
通常轨道交通的供电系统是将 5KV-38KV 高压交流电通过变压器和高负荷牵引整流器转换为 1500V 直流电压，然后将 1500V 直流电压引入直流开关柜，通过开关柜分配到各个输电轨或 者顶部接触供电系统对机车进行供电，示意图如图 1：

⑵直流开关柜的组成
直流开关柜按照用途可以分为：进线柜（又称正极柜）、馈线柜、负极柜和轨电位保护柜四 种基本类型。目前主流的直流开关柜的额定工作电压 DC750V 及 DC1500V，额定工作电流为

6000A 及 6000A 以下。
直流系列开关设备按结构分类，可分为两大类：

1.由断路器手车组成的抽出式开关柜；

直流开关柜主要由4大部件组成：

1.断路器（主要由意大利Microelettrica Scientifica提供）

2.隔离开关（主要由法国Ferrze Shawmut提供）

3.隔离器变送器（又称隔离器放大器，主要由德国KNICK公司提供）

4.终端保护（又称继保、主要由北京四方、南瑞等公司提供）
除此之外开关柜内还需要框架电流继电器（Techno-elec）、接地装置（Horstman）、电源单元 （FG Elektronik）等等其他元件组成，关键的部件基本上全是国外进口。
直流开关柜属于快速开断设备它是空气绝缘、户内安装的封闭分隔式成套设备。开关柜由一 系列标准化单元组合，开关柜内按用户要求可隔成不同的功能小室，功能小室通常有低压控 制室、断路器手车室、主母线室。一次电缆室、隔离开关室等。
⑶直流高压隔离放大器的作用
继电保护装置是直流开关柜关键装置之一，它集成了测控、保护、自诊断、故障录波、事件 顺序记录和总线通讯等功能，可实现对馈线柜、进线柜、负极柜等设备的全面监控和保护。
轨道交通使用的直流电压高达上千伏，这对二次仪表或其他检测设备带了危险。所以必须将 上千伏的电压安全隔离转换成可以接收和测量的标准模拟信号，完成对低压设备的保护。 此时就非常需要能将高压信号转换成标准信号的隔离器放大器，同时还应该具备强大的耐压 能力和截止频率。隔离器的可靠性和稳定性对轨道交通的供电系统故障的监控和数据分析及 其的重要。
1.4断路器维护
一、 高压断路器在运行中的检查项目
二、 （1）检查油位指示是否正常。
（2）检查油色。
（3）检查断路器是否渗油。
检查断路器各位置的瓷瓶是否有污垢、裂纹、破损及闪络现象。
（
5
）检查断路器各部接头是否松动和过热。
（
6
）检查油箱内是否有
“
吱吱
”
的放电声。
（
7
）检查断路器的
“
分、合闸
”
的机械指示是否准确。
（
8
）夜间检查断路器有无放电和电晕现象。
9
）检查
SF6
断路器的气体压力是否正常。
10
）检查真空断路器的真空室是否正常，有无漏气声。
二、高压断路器的维护
结合变配电所预防性试验每年进行一次。
1
、断路器接点检查及松动处理。
2
、断路器外观清扫及渗油处理。
3
、断路器换油及解体检修或更换断路器。
4
、断路器操作机构缺陷处理。
5
、更换断路器位置指示灯和合闸接触器。
三、高压断路器的异常运行
1.
油断路器常见异常运行
（
1
）油断路器声音异常
（
2
）油断路器油位异常
（
3
）油断路器油质发黑
（
4
）断路器过热
（
5
）跳合闸线圈冒烟
（
6
）断路器跳合闸不同期
2
．真空断路器常见异常运行

（
1
）电动合不上闸
（
2
）合闸合空
（
3
）电动不脱扣
（
4
）分合闸不可靠
（
5
）合闸线圈烧毁
（
6
）分闸线圈烧毁
（
7
）辅助开关烧毁
3
．六氟化硫断路器常见异常运行
（
1
）泄漏气体
（
2

3.1司机控制器的概述
1.司机控制器的作用
司机控制器是用来操纵轨道车辆运行的主令控制器，是利用控制电路的低压电器间接控制主电路的电器设备，它倍广泛应用于各种轨道交通领域。根据应用环境、牵引系统及操作模式等不同的要求，司机控制器的结构、模式也各不相同。
2.司机控制器的分类
在司机操控器近年的发展中，其操作模式基本上没有什么变化。按控制手柄的操作方式，可分为手轮式、扳把式、平推式等三种；按换向手柄的功能，可分为钥匙式和非钥匙式两种；从司机控制器是否有机械锁机构，可分为有锁机构式和无锁机构式两种；从是否具有警惕装置，可分为有警惕装置和无警惕装置。当然，上述几种操作模式也可能同时出现在一台司机控制器上。比如，一台司机控制器既是扳把形式，又有警惕装置，还有锁机构等等。
3.2司机控制器的主要电气性能指标
根据用途的不同，司机控制器的主要电气性能指标也不相同。
1.开关模式的电气性能参数
（1）直接控制方式（用于控制电磁阀或多个继电器等负载）：其开关模块的额定电流Ie≥5A，额定电压Ue≥110V，并具有灭弧功能。
（2）逻辑控制方法（用于按系统的逻辑控制要求，控制单个继电器等负载）：其开关模式额定电流Ie≤1A，额定电压Ue≤110V，且应有较高的电气寿命；当负载电流小于0.1A时，开关模块应有自净功能。
（3）计算机控制方式（用于按系统的逻辑控制要求，向计算机的输入接口卡提供信号）：其开关模块应在负载电流Ie≥10mA、额定电压Ue≥12V时可靠工作，开关模块必须具备自净功能。
（4）开关模块的防护等级为IP22、IP40、IP60，应根据系统的使用环境选择使用。
2.给定信号的电气性能参数
根据控制系统的要求，给定信号有如下分类。
① 模拟量信号输出模式：根据系统的要求，可输出模拟量电压或电流信号。
方案1：采用电位器分压的方式输出模拟量电压信号。该方式结构简单，价格相对低廉，但因有机构接触，其寿命及精度均不高。
方案2： 采用电压、电流变送器的方式输出模拟量电压、电流信号。该方式无机械接触，其寿命及精度均优于电位器分压方式，但价格较高。
② 编码信号输出模式
方案1：采用开关模块通过司机控制器的凸轮机构输出编码（格雷码）信号。该方式结构简单，且可输出较大的电流，价格相对低廉，但因机械结构限制，最多为5位编码（0～31）。该方式常常用于内燃机车的柴油转速控制。
方案2：采用光电或其他方式的角度编码器，输出编码（格雷码）信号。该方式无机械接触，其寿命、可靠性及精度均较高，现已普遍采用。
③脉宽调制（PWM）信号输出模式
在司机控制器中安装信号转化装置，将电压或编码信号转换成PWM信号输出。该方式在长距离传输时，信号衰减小，常用于地铁车辆及无列车总线控制的动车组上。
3.3司机控制室的联锁方式
联锁是为了保证司机控制器多个操作部分之间的逻辑关系，它从机械结构上保证多个操作部分的操作顺序，并对其他控制电气的设备起到保护作用。一般情况下，根据几个操作部分的位置及操作顺序的不同，联锁部分的结构的结构形式有很多种。这也是造成司机控制器种类繁多的主要原因。司机控制器联锁方式主要有以下两种。
1. 单台司机控制器操作部分的联锁
（1）操作部分之间的联锁：这是司机控制器机械结构中最重要的部分，以满足不同的操作顺序和控制逻辑的需要。
（2）操作部分的防误动联锁：用于区分牵引和制动。制动转换为牵引时需增加额外的操作（HXD2型司机控制器需按下按钮，HXN3型司机控制器需侧向扳动牵引制动手柄）。在牵引制动工况频繁转换的司机控制器（如地铁、轻轨等）较少采用操作部分的防误动联锁。
2.两台司机控制器间的联锁
机械方式：两台司机控制器共用一个可拔出的钥匙式的手柄。钥匙手柄拔出后，本台司机控制器其他的操作机构被锁定。这种方式安全性不是很高，但结构简单、成本低，现普遍采用。
电气方式：司机控制器的钥匙手柄转动后，输出一个开关量，控制另一台司机控制器的所逼线圈，使另一台司机控制器即使有钥匙也无法打开。这种方式安全性很高，但相对结构复杂、成本较高
3.4司机控制器的结构
在每个司机室里，在司机台上都有一个司机控制器。该控制器是手动控制的，并将牵引和速度参考信号送给计算机系统。司机控制器手柄有个位置