轨道交通牵引供变电技术第2章第8节 直流快速断路器

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di dt
为电感
式（2.43）是预期短路电流的表达式，它是按 指数增长的曲线，如图2.52（b）中曲线1所示。 短路故障发生后，短路电流开始按指数增长， 经过时间t0，短路电流达到断路器的电流动作值（ 整定值）Iop，断路器中保护装置作出反应，经过固 有分闸时间t1，短路电流达到Ik1， 断路器的触头开始分离，经过燃弧时间 t2，断 路器将电路断开，电流变化如图2.52（b）曲线2 所示，断路器的全分断时间为 T。当断路器的固有 分闸时间比较长时（如 t1 ），相应的短路电流按指 数迅速增加到Ik2，如图2.52（b）中曲线3所示，断 路器的触头开始分离，再经过燃弧时间 t 2 ，电路被 断开，这种情况下断路器的全分断时间为 T 。
第二章
高压电器与开关设备
直流快速断路器
第八节
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第八节
直流快速断路器
直流快速断路器（ High-Speed DC Circuit Breaker）是一种在直流电路中作为电路开合和 电流保护的电器，能对直流额定电压600～3 600 V、额定电流1 000～6 000 A电路中的整流机组 、直流电机、馈电线路等进行分合闸操作，并在 短路、过载、逆流（反向）时起保护跳闸作用。 直流快速断路器可分为正向、反向、双向快 速断路器3种。 正向快速断路器：当检测到与正常电流是同 一方向的过电流时，断路器快速动作，常被用 作对馈电回路或设备等进行保护，如用于馈电 回路、正极、负极、滤波装置等。
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（a）接线图
（b）电流和电压特性
图2.53 地铁供电系统短路及快速断路器特性
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如图 2.53 （ c ） 所示为固有分闸时 间 t1 与 直 流 主 电 路 初始电流突变率 di/dt的关系，当直 流主电路电流突变 率 di/dt 为 3×106 A/s 时 , 对应直流快 速断路器的固有分 闸 时 间 t1 为 4.7 ms ，而全分断时间T为 15～30 ms，开断能 力可达100 kA。
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（c）t1与初始di/dt关系
图2.53 地铁供电系统短路及 快速断路器特性
二、直流快速断路器的结构和工作原理
直流快速断路器的类型较多，现以国产 DS 系列和进口 UR 系列为例，说明其结构与各个 组成部件的作用和工作原理。 （一）DS系列直流快速断路器 DS 系 列 直 流 快 速 断 路 器 有 DS12 、 DS14 、 DS19 等型号（见附录中附表 7 ），其中 DS12 额 定电压为 800 V ， DS14 和 DS19 额定电压分别为 1 500 V 和 1 600 V ， DS12 与 DS14 的结构基本相同 ，而 DS19 的结构与 UR 系列类似。下面以 DS1230/08为例进行阐述。
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一、直流系统短路电流分析及断路器断路电气特性
直流回流开断短路电流的理想等值电路如图 2.52（a）所示，其电压方程式为
di E iR L uarc dt
L 式中，E为电源电压；iR为电阻压降；
压降；uarc为快速断路器DQF的电弧压降。 断路器DQF分闸前，电弧压降为零，假定回路电流 也为零，解方程得 R t E i (1 e L ) R
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图 2.53（b）中，ik1表示牵引网近端 k1 点 短路时的预期短路电流； i k3 表示牵引网远端 k3 点短路时的预期短路电流；k2点的短路电流曲线 与 k3 点的相似，位于曲线 i k1 和 i k3 之间； I k·s 是 近端短路电流的稳态值，也是最大的稳态值； I k·pk 是近端短路电流的峰值； I op 是断路器的动 作电流；Ico为断路器的开断电流；Ik是断路器开 断过程中的电流曲线； d i /dt 是远端短路电流的 初始上升率；uarc和Uarc·max分别是断路器的电弧 电压和在开断过程中的最大电弧电压；UN是线路 的额定电压； t 1 、 t 2 、 T 分别是断路器的固有分 闸 时 间 、 燃 弧 时 间 、 全 分 断 时 间 。
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反向快速断路器：当检测到与正常电流是 相反方向的过电流时，断路器快速动作，常被 用作切断从直流侧逆向而来的电流，如用于正 极、阳极等电路。 双向快速断路器：当检测到正向或反向的 过电流时，断路器都将快速动作，主要用于切 断地铁上下行线之间的连接线路。 直流快速断路器适用于直流电气化铁路、 城市地铁与轻轨交通、工矿运输、轧钢工业等 重要工业领域。
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（a）等值电路
（b）电流特性曲线
图2.52 直流系统短曲线 3 可知，快速动作的断路器开 断较小短路电流（如Ik1），慢速动作的断路器将开 断很大的短路电流（如Ik2）。研究结果表明，短路 电流经过0.1 s时，即达预期短路电流稳态值的90% 左右。因此，动作速度较慢的断路器将造成电气设 备流过很大的短路电流，为了避免电气设备造成损 坏，必须在其达到危险值之前快速断开电路，直流 断路器快速动作的必要性就在于此。 直流快速断路器在地铁供电系统中作为馈电线 路的开关，接线如图 2.53（a）所示，图中交流电 源电压经直流牵引变电所的整流机组变换为直流电 压并向牵引网供电，k1、k2、k3分别为牵引网中近 端、中间、远端的典型短路点。短路电流、断路器 电气特性如图2.53（b）所示。
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DS12-30/08直流快速断路器是一种双向电流、自然 冷却电弧、直动双断点主弧两挡触头的开关，主要 部件由导电与接触系统、灭弧室与弧罩、分合闸电 磁铁操作系统、操作传动机构以及机架等组成。其 整体结构如图2.54所示。
1—弧静触头； 3—主静触头； 5—吸引磁铁； 7—出线排； 9—保持磁铁； 11—脱扣杠杆； 13—弯板； 15—锁片； 17—半圆轴； 19—杠杆； 21—合闸电磁铁； 23—分闸弹簧； 25—出线排； 27—弧角 2—弧动触头； 4—主动触头； 6—指示盘； 8—冲击衔铁； 10—附加电感； 12—螺钉； 14—杠杆； 16— 电动脱扣线圈； 18—拉杆； 20—连杆； 22—直角杠杆； 24—动触头杆； 26—灭弧室；