CN110525230A - 双流制车辆交直流切换高压系统 - Google Patents

双流制车辆交直流切换高压系统 Download PDF

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CN110525230A CN201910841861.5A CN201910841861A CN110525230A CN 110525230 A CN110525230 A CN 110525230A CN 201910841861 A CN201910841861 A CN 201910841861A CN 110525230 A CN110525230 A CN 110525230A
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李雪飞
张玉光
赵志强
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Abstract

本发明公开了一种双流制车辆交直流切换高压系统，包括交直流受电弓、网压互感器、真空断路器，网压互感器根据监测到的电压幅值和频率以识别交直流受电弓接收交流电或直流电，真空断路器是接通或分断电源的总开关；该系统还包括交流电路、直流电路、交直流转换开关和避雷器；该系统的供电输出端连接有牵引变压器、牵引变流器。本发明的交直流切换系统将交流电路和直流电路集成为一体，并在总电路、交流电路和直流电路设计了电路保护器件，对交直流供电切换过程实现了过电保护，提高安全性；同时，本发明系统的受电弓、网压互感器、真空断路器、牵引变流器和牵引电机均为共用器件，极大地节约了制造成本和使用成本。

Description

双流制车辆交直流切换高压系统
技术领域
本发明涉及轨道交通供电系统技术领域，尤其涉及一种双流制车辆交直流切换高压系统。
背景技术
目前，国内轨道交通一般采用两种供电制式，城轨线路通常线路较短、站间距较小，结合经济效益以及车辆快起快停等特点，故一般城轨车辆采用DC1500V供电；反之，国铁线路较长、站间距较长、线损较大，故国铁车辆采用AC25kV供电。
随着城乡建设的发展，急需建立连接“中心城市”与“郊区城市”的快速通道，城市轨道交通范畴不断扩大，用于连接中心城市与卫星城、以及卫星城之间的市域铁路应运而生。若供电制式不能统一，车辆将无法实现贯穿运行，则人们只能通过换乘的方式解决从市区到市郊的乘车问题，给人们的出行带来了很大的不便。
传统的城铁车采用DC750V或DC1500V供电，技术已经十分成熟，且我国拥有多年运用经验，同样AC25kV在高铁线路上成功应用，技术已经达到国际领先水平，但是在同一列车上集成既能满足直流供电、又能满足交流供电的牵引系统，不是单纯的将两种制式的部件安装在车辆上，需要将两套系统部分部件实现共用，而能够共用的部件越多，则制造成本和使用成本就越低。
基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种实现较多共用部件的双制式供电系统以降低制造成本和使用成本，并能够提高安全性。
发明内容
本发明的目的是在于解决现有技术中双制式供电系统制造成本高、使用成本高、且安全性较差的技术问题，提供了一种安全可靠、降低使用成本的双流制车辆交直流切换高压系统。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的双流制车辆交直流切换高压系统，该系统集成于轨道交通上，所述系统包括：
交直流受电弓，所述交直流受电弓与外部接触网接触，所述外部接触网为交流接触网或直流接触网；所述交直流受电弓与所述交流接触网接触以接收交流接触网的高电压、或与所述直流接触网接触以接收直流接触网的大电流；
网压互感器，所述网压互感器连接于所述交直流受电弓的输出母线上，且所述网压互感器根据监测到的电压幅值和频率以识别所述交直流受电弓接收交流电或直流电；
该系统还包括：
交流电路；
直流电路；
真空断路器，所述真空断路器通过接通或分断从而使车辆获得电源的总开关；以及
交直流转换开关，该交直流转换开关与所述真空断路器的输出端连接以接收所述交直流受电弓输出的交流电或直流电；
该系统具有控制器，所述控制器接收所述网压互感器识别的供电信号、并控制所述交直流转换开关的连接状态；
所述网压互感器识别所述交直流受电弓接收到的是直流电时，所述交直流转换开关接收所述控制器的指令信号与所述直流电路的输入端连接，并对牵引变流器提供直流供电，牵引变流器驱动牵引电机；
所述网压互感器识别所述交直流受电弓接收到的是交流电时，所述交直流转换开关接收所述控制器的指令信号与所述交流电路的输入端连接，并对牵引变压器提供交流电，牵引变压器输出的交流电供给牵引变流器，牵引变流器驱动牵引电机；
该系统的供电输出端连接有牵引变压器、牵引变流器以及牵引电机。
进一步的，所述系统还包括电路保护器件；
所述电路保护器件分为总电路保护器件、交流电路保护器件和直流电路保护器件；
所述交流电路保护器件包括连接于所述交直流受电弓输出端的第一交流避雷器、连接于所述交流电路并靠近所述交直流转换开关与所述交流电路连接端的第二交流避雷器、以及连接于所述交流电路与所述牵引变压器连接线路的交流熔断器；
所述直流电路保护器件包括连接于所述直流电路并靠近所述交直流转换开关与所述直流电路连接端的直流避雷器、连接于所述直流电路上的直流熔断器、以及连接于所述直流电路与所述变流器连接线路的高速断路器；
所述总电路保护器件包括连接于所述交直流受电弓输出端的真空断路器，所述真空断路器在交流供电时可以直接分断电路，所述真空断路器在直流供电时在高速断路器分断直流电路后再进行分断。
进一步的，所述交直流受电弓为DC1500V受电弓和AC25kV受电弓；
所述交流熔断器为AC25kV熔断器；
所述直流熔断器为DC1500V熔断器。
进一步的，所述牵引变压器的输入端和输出端分别连接有电流互感器。
进一步的，该双流制车辆交直流切换高压系统的供电方法主要包括如下步骤：
S101、交直流受电弓与外部接触网接触，以接收交流电或直流电；
S102、网压互感器监测电压幅值和频率以识别所述交直流受电弓接收交流电或直流电；
S103、网压互感器识别交直流受电弓的受电情况后，向控制器发送识别指令，控制器根据接收到的识别指令对交直流转换开关发送指令信号；
S104、如果控制器接收到的识别指令为交流电，控制器控制交直流转换开关与交流电路连通，并对牵引变压器提供交流电，牵引变压器输出的交流电供给牵引变流器，牵引变流器驱动牵引电机；
S105、如果控制器接收到的识别指令为直流电，控制器控制交直流转换开关与直流电路连通，并对牵引变流器提供直流供电，牵引变流器驱动牵引电机。
进一步的，所述交直流转换开关为单刀双掷开关。
进一步的，所述直流电路与所述变流器的连接端安装有直流电抗器。
在上述技术方案中，本发明提供的一种双流制车辆交直流切换高压系统，具有以下有益效果：
1、本发明的交直流切换系统将交流电路和直流电路集成为一体，并在总电路、交流电路和直流电路设计了电路保护器件，对交直流供电切换过程实现了过电保护，提高安全性；同时，本发明的系统网压互感器、真空断路器、网流互感器、牵引变压器和牵引变流器均为共用器件，极大地节约了制造成本和使用成本。
2、本发明的交直流切换系统为了尽可能减小高压箱内部设备的间隙、增加车顶真空熔断器、交直流转换开关、交流避雷器、直流避雷器的电气间隙和爬电距离，减轻设备重量，同时通过保护器件保证在交直流转换过程中高压系统的可靠性以及使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的双流制车辆交直流切换高压系统的原理拓扑图；
图2为本发明实施例公开的双流制车辆交直流切换高压系统的控制方法原理框图。
附图标记说明：
1、接触网；2、交直流受电弓；3、交流电路；4、直流电路；
201、网压互感器；202、真空断路器；203、交直流转换开关；204、牵引变压器；205、牵引变流器；206、牵引电机；
301、第一交流避雷器；302、电流互感器；303、交流熔断器；304、第二交流避雷器；
401、直流避雷器；402、直流熔断器；403、高速断路器；404、直流电抗器。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1所示；
其中，图1示出了本实施例公开的一种双流制车辆交直流切换高压系统的原理拓扑图；
本发明实施例公开的一种双流制车辆交直流切换高压系统，该系统集成于轨道交通上，且该系统包括：
交直流受电弓2，交直流受电弓2与外部接触网1接触，外部接触网1为交流接触网或直流接触网；交直流受电弓2与交流接触网接触以接收交流接触网的高电压、或与直流接触网接触以接收直流接触网的大电流；
网压互感器201，网压互感器201连接于交直流受电弓2的输出母线，且网压互感器201根据监测到的电压幅值和频率以识别交直流受电弓2接收交流电或直流电；
该系统还包括：
交流电路3；
直流电路4；
真空断路器202，所述真空断路器202通过接通或分断从而使车辆获得电源的总开关；以及
交直流转换开关203，该交直流转换开关203与真空断路器202的输出端连接以接收交直流受电弓2输出的交流电或直流电；
该系统具有控制器(图中未示出)，控制器接收网压互感器201识别的供电信号、并控制交直流转换开关203的连接状态；
网压互感器201识别交直流受电弓2接收到的是直流电时，交直流转换开关203接收控制器的指令信号与直流电路4的输入端连接，并对牵引变流器205提供直流供电，牵引变流器205驱动牵引电机206；
网压互感器201识别交直流受电弓2接收到的是交流电时，交直流转换开关203接收控制器的指令信号与交流电路3的输入端连接，并对牵引变压器204提供交流电，牵引变压器204输出的交流电供给牵引变流器205，牵引变流器205驱动牵引电机206；
该系统的供电输出端连接有牵引变压器204、牵引变流器205以及牵引电机206。
具体的，本实施例公开了一种将交流供电电路和直流供电电路集成为一体的供电系统，即为交直流切换高压系统，该系统主要分为交流电路3、直流电路4和共用电路，其中，为了能够顺利接收交流电和直流电，在车顶安装了与外部接触网1接触的交直流受电弓2，其中，根据行驶区域的不同，外部接触网1会随时转换，具体为由交流接触网转化为直流接触网、或由直流接触网转化为交流接触网，而交直流受电弓2与交流接触网1接触时，接收到的就是交流电，而与直流接触网接触时，接收到的就是直流电。通过交直流受电弓2接触的接触网1的类别不同实现接收供电的转化，同时，为了监测交直流受电弓2接收的直流电或交流电，在交直流受电弓2的输出端连接了网压互感器201，该网压互感器201主要是用来采集测量线路的电压，从而可以计算出车辆的消耗的功率和电能，同时用来为车载控制系统和牵引变流器205提供检测数据，使得在供电线路发生过压或者欠压故障时保护线路中的重要设备，如牵引变压器、牵引变流器和牵引电机。通过与交直流受电弓2的输出端连接，监测和识别交直流受电弓2接收的是交流电还是直流电，并为后续交直流转换开关203切换做准备。
由于存在交流电路3和直流电路4，其根据交直流受电弓2接收的交流电和直流电完成交直流转换开关203的电路切换，最终实现对牵引变压器204或者牵引变流器205输出对应的直流供电或交流供电，最终驱动牵引电机206。
由于存在交流电路3和直流电路4，且在供电状态下需要根据接收到的供电信号时刻切换交直流转换开关203的连接状态，考虑到电路转化时的保护，系统还包括电路保护器件；
其中，本实施例中的电路保护器件分为总电路保护器件、交流电路保护器件和直流电路保护器件；
交流电路保护器件包括连接于交直流受电弓2输出端的第一交流避雷器301、连接于交流电路3并靠近交直流转换开关203与交流电路3连接端的第二交流避雷器304、以及连接于交流电路3与牵引变压器204连接线路的交流熔断器303；
直流电路保护器件包括连接于直流电路4并靠近交直流转换开关203与直流电路4连接端的直流避雷器402、连接于直流电路4上的直流熔断器402、以及连接于直流电路4与变流器205连接线路的高速断路器403；
总电路保护器件包括连接于交直流受电弓2输出端的真空断路器202，所述真空断路器202在交流供电时可以直接分断电路，直流供电时在高速断路器403分断直流电路后再进行分断。
本实施例公开的交直流切换高压系统中的交直流受电弓2、网压互感器201、真空断路器202、牵引变流器205以及牵引电机206通过交直流转换开关203选择交流供电或直流供电。
当交流供电时，牵引系统由牵引变压器204、牵引变流器205和牵引电机206组成，其中通过牵引变压器204前端的交流熔断器303(高压熔断器)实现故障状态下当直流电串入交流电路3中的保护；
当直流供电时，牵引系统由高速断路器403、直流电抗器404、牵引变流器205和牵引电机206组成，其中通过直流避雷器401间隙放电实现故障工况下当交流电串入直流电路4中的保护。
通过上述的各电路保护器件在单独保护交流电路3或直流电路4供电的同时，还能够对交直流电路转化过程中避免非指定供电电流串入供电电路的保护，提高了安全性和可靠性。
实施例一：
本实施例以直流供电为DC1500V、交流供电为AC25kV为例，其中，直流供电的DC1500V，通过为牵引变流器205提供直流电，最终驱动牵引电机206，而交流供电的AC25kV，通过牵引变压器204降压后为牵引变流器205提供交流电，最终驱动牵引电机206。
以上述的直流供电为DC1500V、交流供电为AC25kV为例，本实施例中的交直流受电弓2为DC1500V受电弓和AC25kV受电弓；
而对应电路中的交流熔断器303为AC25kV熔断器；直流熔断器402为DC1500V熔断器。
其中，本实施例中的牵引变压器204的输入端和输出端分别连接有电流互感器302。
实施例二：
参见图2所示，本发明的实施例二还具体公开了该双流制车辆交直流切换高压系统的供电方法，该供电方法主要包括如下步骤：
S101、交直流受电弓2与外部接触网1接触，以接收交流电或直流电；
S102、网压互感器201监测电压幅值和频率以识别交直流受电弓2接收交流电或直流电；
S103、网压互感器201识别交直流受电弓2的受电情况后，向控制器发送识别指令，控制器根据接收到的识别指令对交直流转换开关203发送指令信号；
S104、如果控制器接收到的识别指令为交流电，控制器控制交直流转换开关203与交流电路3连通，并对牵引变压器204提供交流电，牵引变压器204降压输出的交流电供给牵引变流器205，牵引变流器205驱动牵引电机206；
S105、如果控制器接收到的识别指令为直流电，控制器控制交直流转换开关203与直流电路4连通，并对牵引变流器205提供直流供电，牵引变流器205驱动牵引电机206。
在实际列车运行过程中，交直流受电弓2升起，并与外部接触网1接触，根据接触网1的类别(交流接触网或直流接触网)，交直流受电弓2接收到交流电或者直流电，在交直流受电弓2受电时，通过网压互感器201监测到交直流受电弓2的受电状态，并识别是交流电还是直流电，再对控制器发送识别指令，控制器接收到网压互感器201发送的识别指令后，判断发出何种指令信号，当接收到的识别指令为交流电信号时，控制器驱动交直流转换开关203切换至交流电路3，将交流电路3连通，交直流受电弓2接收到的交流电通过交流电路3传输至供电端的牵引变压器204、牵引变流器205并最终驱动牵引电机206，为车辆提供动力，这一过程中万一发生DC1500V串入交流电路3，因此，设计了牵引变压器204输入端的交流熔断器303(高压熔断器)，利用该熔断器实现在故障工况下当直流电串入交流电路3中的保护；
反之，与上述交流电供电的控制方法类似，当交直流受电弓2接收到的是直流电时，通过网压互感器201传输的识别指令，控制器发送给交直流转换开关203切换指令信号，交直流转换开关203将直流电路4连通，对供电端的变流器205和牵引电机206直流供电。这一过程中有可能是由交流电路3切换至直流电路4，因此，在直流电路4上连接了用以放置故障工况下交流电串入直流电路4的直流避雷器401，以保护直流供电电路。
作为优选的实施方式：交直流转换开关203需要根据交直流受电弓2接收到的交流电或直流电时刻切换连通位置，而为了与交流电路3和直流电路4都能够形成连接，本实施例的交直流转换开关203可以选用单刀双掷开关。
优选的，本实施例中直流电路4与变流器205的连接端安装有直流电抗器404。直流电抗器404又称平波电抗器，主要用于变流器205的直流侧，在通用变频器上有较多的应用。电抗器中有流过的具有交流分量的直流电流。主要用途是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值，保持整流电流连续，减小电流脉动值，改善输入功率因数，并可以抑制变流装置产生的谐波。
在上述技术方案中，本发明提供的一种双流制车辆交直流切换高压系统，具有以下有益效果：
本发明的交直流切换系统将交流电路3和直流电路4集成为一体，并在总电路、交流电路3和直流电路4设计了电路保护器件，对交直流供电切换过程实现了过电保护，提高安全性；同时，本发明系统的交直流受电弓2、网压互感器201、真空断路器202、牵引变压器204、牵引变流器205和牵引电机206均为共用器件，极大地节约了制造成本和使用成本。
本发明的交直流切换系统为了尽可能减小高压箱内部设备的间隙、增加车顶真空熔断器202、交直流转换开关203、交流避雷器301、直流避雷器401的电气间隙和爬电距离，减轻设备重量，同时通过保护器件保证在交直流转换过程中高压系统的可靠性以及使用寿命。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.双流制车辆交直流切换高压系统，该系统集成于轨道交通上，其特征在于，所述系统包括：
交直流受电弓(2)，所述交直流受电弓(2)与外部接触网(1)接触，所述外部接触网(1)为交流接触网或直流接触网；所述交直流受电弓(2)与所述交流接触网接触以接收交流接触网的高电压、或与所述直流接触网接触以接收直流接触网的大电流；
网压互感器(201)，所述网压互感器(201)连接于所述交直流受电弓(2)的输出母线上，且所述网压互感器(201)根据监测到的电压幅值和频率以识别所述交直流受电弓(2)接收交流电或直流电；
该系统还包括：
交流电路(3)；
直流电路(4)；
真空断路器(202)，所述真空断路器(202)通过接通或分断从而使车辆获得电源的总开关；以及
交直流转换开关(203)，该交直流转换开关(203)与所述真空断路器(202)的输出端连接以接收所述交直流受电弓(2)输出的交流电或直流电；
该系统具有控制器，所述控制器接收所述网压互感器(201)识别的供电信号、并控制所述交直流转换开关(203)的连接状态；
所述网压互感器(201)识别所述交直流受电弓(2)接收到的是直流电时，所述交直流转换开关(203)接收所述控制器的指令信号与所述直流电路(4)的输入端连接，并对牵引变流器(205)提供直流供电，牵引变流器(205)驱动牵引电机(206)；
所述网压互感器(201)识别所述交直流受电弓(2)接收到的是交流电时，所述交直流转换开关(203)接收所述控制器的指令信号与所述交流电路(3)的输入端连接，并对牵引变压器(204)提供交流电，牵引变压器(204)输出的交流电供给牵引变流器(205)，牵引变流器(205)驱动牵引电机(206)；
该系统的供电输出端连接有牵引变压器(204)以及变流器(205)以及牵引电机(206)。
2.根据权利要求1所述的双流制车辆交直流切换高压系统，其特征在于，所述系统还包括电路保护器件；
所述电路保护器件分为总电路保护器件、交流电路保护器件和直流电路保护器件；
所述交流电路保护器件包括连接于所述交直流受电弓(2)输出端的第一交流避雷器(301)、连接于所述交流电路(3)并靠近所述交直流转换开关(203)与所述交流电路(3)连接端的第二交流避雷器(304)、以及连接于所述交流电路(3)与所述牵引变压器(204)连接线路的交流熔断器(303)；
所述直流电路保护器件包括连接于所述直流电路(4)并靠近所述交直流转换开关(203)与所述直流电路(4)连接端的直流避雷器(401)、连接于所述直流电路(4)上的直流熔断器(402)、以及连接于所述直流电路(4)与所述变流器(205)连接线路的高速断路器(403)；
所述总电路保护器件包括连接于所述交直流受电弓(2)输出端的所述真空断路器(202)，所述真空断路器(202)在交流供电时可以直接分断电路，所述真空断路器(202)在直流供电时在高速断路器(403)分断直流电路后再进行分断。
3.根据权利要求2所述的双流制车辆交直流切换高压系统，其特征在于，所述交直流受电弓(2)为DC1500V受电弓和AC25kV受电弓；
所述交流熔断器(303)为AC25kV熔断器；
所述直流熔断器(402)为DC1500V熔断器。
4.根据权利要求2所述的双流制车辆交直流切换高压系统，其特征在于，所述牵引变压器(204)的输入端和输出端分别连接有电流互感器(302)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的双流制车辆交直流切换高压系统，其特征在于，该双流制车辆交直流切换高压系统的供电方法主要包括如下步骤：
S101、交直流受电弓(2)与外部接触网(1)接触，以接收交流电或直流电；
S102、网压互感器(201)监测电压幅值和频率以识别所述交直流受电弓(2)接收交流电或直流电；
S103、网压互感器(201)识别交直流受电弓(2)的受电情况后，向控制器发送识别指令，控制器根据接收到的识别指令对交直流转换开关(203)发送指令信号；
S104、如果控制器接收到的识别指令为交流电，控制器控制交直流转换开关(203)与交流电路(3)连通，并对牵引变压器(204)提供交流电，牵引变压器(204)输出的交流电供给牵引变流器(205)，牵引变流器(205)驱动牵引电机(206)；
S105、如果控制器接收到的识别指令为直流电，控制器控制交直流转换开关(203)与直流电路(4)连通，并对牵引变流器(205)提供直流电，牵引变流器(205)驱动牵引电机(206)。
6.根据权利要求5所述的双流制车辆交直流切换高压系统，其特征在于，所述交直流转换开关(203)为单刀双掷开关。
7.根据权利要求5所述的双流制车辆交直流切换高压系统，其特征在于，所述直流电路(4)与所述变流器(205)的连接端安装有直流电抗器(404)。
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