直流開關柜機械保護裝置的設計分析

陽興

（株洲中車時代電氣股份有限公司裝備事業部，湖南 株洲412001）

近年來，為緩解出行交通壓力，大力發展城市軌道交通。直流牽引供電系統越來越被廣泛的應用，直流開關柜作為直流供電系統中最核心的直流開關設備，對其配套保護裝置的技術研究，對實現直流開關柜的安全運行、故障維護等有著極其重要的作用。直流開關柜的保護裝置主要分為機械和電氣兩大類，其中機械聯鎖保護作為直流開關柜成套設備的關鍵技術，應積極研發掌握其保護設計原理并且推廣應用，實現直流供電設備國產化。本文以國內常用的直流快速斷路器為例，結合實際運用經驗，對直流開關柜中機械聯鎖保護進行結構設計思路分析，提出一套可行性高的保護裝置。

1 直流供電設備特點及現狀

1.1 直流供電設備

國內城市軌道交通（簡稱城軌）車輛牽引全部采用直流供電模式，通常采用直流1500V和750V電壓等級供電，直流開關柜包括進線柜（又稱正極柜）、饋線柜、負極柜、端子柜（又稱聯跳柜）等系列組成直流供電設備。其中直流開關柜機械保護裝置主要在帶直流快速斷路器的設備中，其示意圖如圖1所示，分為控制室、手車室、母線室3個區域，其中控制室中包含有電氣控制元件，母線室中有主母線，手車室中為直流快速斷路器、斷路器手車，其中手車室與其他區域均有絕緣板隔離，確保安全。

1.2 國產化現狀

我國處于軌道交通的快速發展時期，國產化方面，主要有上海拓及軌道交通設備有限公司，中船重工第712研究所和株洲中車時代電氣股份有限公司，均能實現直流開關柜的自主設計，國產化程度高，并且實現正線運營的成熟方案。國外成套設備價格昂貴，后期維護成本高。為了保證中國軌道交通設備的可持續發展，打破國外壟斷，提升國內裝備制造水平，對直流開關柜中的核心裝置進行研究，在已有的國產化成果的基礎上，推廣自主設計的相關經驗，對推進軌道交通直流供電設備的發展具有重要意義。

圖1 手車柜整柜示意圖

2 機械保護裝置原理

直流開關柜結構設計中，為有效的保護供電及操作人員安全，機械保護原則對于不同的地鐵牽引供電系統，保護裝置的結構形式可能不相同，但是保護的作用是相同的。其核心保護原則是具備廣義上“五防”的保護功能，設備才能安全投入運行。高壓開關柜中要求的“五防”中，明確要求隔離開關、斷路器（負荷開關、接觸器）與接地開關及柜門四者之間的聯鎖關系。對于直流開關設備，所需要的保護原理基本相同，但由于直流快速斷路器在分合閘時會噴弧，且需要滅弧裝置才能工作，且各個廠家所采用的直流快速斷路器均不一樣，實現的方式也各不相同，但對其機械保護裝置要求均相同，因此各個直流開關設備廠家均有自主設計的聯鎖機構。通過機械聯鎖結構，結構簡單，可操作性好，安全性高。

直流開關柜中的直流快速斷路器，均設計有特定的固定裝置，統稱為斷路器手車。通常直流快速斷路器，通過上部插頭、下部插頭與主母線進行連接，下部布置有電氣控制元件，且能單獨移開到柜外進行操作和維護。手車式開關柜中的保護裝置原理可具體描述為：（1）防止帶負荷拉、合手車，即直流斷路器合閘時，不能推拉手車。（2）當斷路器手車在工作位置時；低壓插頭不能拔出，在低壓插頭未撥出前，斷路器手車不能從開關柜中拉出。（3）只有當斷路器手車處于試驗位置時，才能推拉斷路器手車和抽出插入柜體。（4）防止誤分直流快速斷路器。（5）防止誤入帶電隔室。

3 保護裝置的設計需要考慮的幾個問題

（1）機械保護裝置要充分考慮各種保護機構之間的相互配合關系，在機械保護過程中，通過一系列的機械保護機構，實現保護的功能，尤其是柜門與直流斷路器及手車三者相互配合的機械聯鎖結構，以保證在直流供電過程中發生故障時，能可靠安全的進行直流快速斷路器的分合閘，切除故障。（2）保護裝置在設計時需要考慮直流快速斷路器是否配置強制脫扣器及其具體位置，針對性的進行機械急停保護裝置的方案設計。（3）機械保護裝置需要充分考慮各種特殊故障的保護，如手車室的柜門必須參與聯鎖，因為它是一個帶電間隔，在帶電的情況下是不允許打開柜門，防止發生短路事故對電弧不至于噴出柜外傷人。另需要有斷路器手車自鎖保護裝置，以防止直流快速斷路器手車長時間工作過程中，由于振動或者其它原因導致手車發生移動，拉弧或供電中斷等故障。

4 直流開關柜的機械保護裝置

本文結合國內各直流開關柜成套設備廠家的直流快速斷路器手車，對不同廠家保護功能的聯鎖結構，對實現方式進行功能闡述，并提供一定的設計思路。

4.1 柜門-手車互鎖保護裝置

為了確保在供電過程中，防止人為誤操作打開柜門，防止操作人員進入帶電區域，又能防止在工作過程中斷路器噴弧損害操作人員，需要對柜門與斷路器手車進行聯鎖保護設計，即當斷路器在工作狀態時，柜門無法打開，只有當直流斷路器手車搖到試驗位置時，才能打開柜門。其設計思路：在柜門和手車上同時設置能相互鎖住的機械結構，在工作狀態時處于鎖住狀態，在試驗位時能自行解鎖。

4.2 手車自鎖及操作允許保護裝置

斷路器手車在設計時通常以絲杠傳動方式，能滿足直流快速斷路器在柜內往返工作位和試驗位，且在絲杠前端有四角或六角螺母頭，通過專用操作手柄進行操作。本聯鎖裝置分為兩部分聯鎖保護裝置，其保護作用是：當柜門打開時，不能操作斷路器手車，必須關門才能操作手車；斷路器手車絲杠傳動裝置能夠在不操作情況下處于自鎖狀態。其設計思路：可以利用絲杠前端的四角或六角螺母進行聯鎖設計，可設置能與之相咬合的正多邊形自鎖塊，在操作時能解鎖，操作結束后，能自行回復自鎖狀態；另設計與柜門聯鎖的機構，在開門狀態時不能將自鎖塊進行解鎖，只有在柜門關閉時能解鎖自鎖塊，才能操作手車。

4.3 機械分閘保護裝置

通常直流快速斷路器的本體結構中，底部有機械脫扣機構，底部為半球形的凸桿連桿結構，往上頂開凸桿就能使直流快速斷路器跳閘并閉鎖，起到緊急分閘作用。其設計思路為在柜門上裝有急停按鈕，手車底部設置分閘桿，分閘桿前段設置有分閘塊，且分閘塊剛好在斷路器凸桿下方。通過操作急停按鈕，推動分閘桿及分閘塊，對直流快速斷路器進行分閘，且在分閘桿中設置復位彈簧，操作完可以進行復位。

4.4 活門保護裝置

直流開關柜的保護結構設計中，活門保護裝置為關鍵的保護裝置，使直流快速斷路器在離開工作位置時與母線室的主母線中的絕緣隔離，確保直流快速斷路器手車不帶電荷，確保安全。其設計思路：聯鎖結構需要與直流快速斷路器手車相互配合，在手車上設置推動裝置，活門機構為絕緣隔板和連桿裝置組成，絕緣隔板上開有連接窗口，通過連桿裝置實現直流快速斷路器與主母線的連接窗口打開和關閉。

5 機械保護裝置的可靠性

直流開關柜機械保護裝置作為直流開關柜中一系列特殊機械機構，與開關柜、斷路器手車存在著一定的內在關聯，它們之間的配合程度決定著直流開關柜電器的性能和安全，在實際制造過程中，加工的精度和現場的使用環境均能導致其配合情況發生變化，導致機械式結構配合不到位發生卡滯或脫落等情況，使保護失效從而造成故障，因此需要對機械聯鎖機構的可靠性予以高度的重視。加強各個聯鎖機構零件的強度及制造精度，以確保其在配合過程中不偏差，不變形。加強柜門和手車上聯鎖機構的配合，對需要聯鎖的機構加強檢驗及驗證，確保在長時間使用過程中不卡滯，不脫落。在進行結構設計過程中，確保結構的合理性以及操作的連貫性，可充分考慮安全性和人性化操作。

6 結語

設計和制造直流開關柜機械聯鎖保護裝置，尤其是多重聯鎖結構設計時，需要充分考慮直流快速斷路器的運行要求，在聯鎖結構設計過程中，通過精確的計算和仿真，模擬其聯鎖動作，在調試過程中進一步得到驗證和優化，使產品的性能和質量進一步得到提升，確保聯鎖機構靈活可靠，最大限度的確保直流開關柜在實際使用過程中具備高安全可靠性。

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