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我公司研发的直流隔离开关在双电源纯电动公交


近年来,随着大中城市内汽车的大量普及,尾气排放占废气排放比重越来越高,造成城市严重的环境问题和交通堵塞。其中,城市空气污染尤为严重,雾霾几乎席卷了大半个中国,全国多个大中城市重度“沦陷”。在当前严峻的环保形势下,国家大力推行新能源汽车的发展,以缓解日益严重的大气污染问题。

考虑到纯电驱动作为新能源汽车发展的主要战略取向,纯电驱动车辆已经在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域得到了广泛运用。作为一种“零排放”纯电驱车辆,双源纯电动公交在新能源公共交通中扮演着越来越重要的作用。以北京公交集团为例,当前运营的双源纯电动公交超过1200辆,供电线网200公里以上,公交线路24条。其中,快速公交BRT1、BRT2和BRT3线路已经全部实现电动化,并采用18m长双源纯电动公交运营;上海于2017年初在延安路开通了中运量71路无轨电车,同样采用了18m长电车运营,有效缓解了公共交通的运营压力。

为双源纯电动公交提供动力的主要是道路上方架设的供电线网,供电站将交流10KV电能转换为直流电能,通过馈线电缆传输到馈电隔离开关,由隔离开关将电能输送到供电线网。供电线网可为双源纯电动公交提供直接驱动车辆行驶的电能,也能够为车载储能设备提供持续稳定的充电电流。因此,由供电站、馈线电缆、馈电隔离开关和供电线网构成了双源纯电动公交供电系统的关键要素。

图1 双源纯电动公交供电系统示意

双源纯电动公交供电系统不仅要为车辆提供动力负荷和充电负荷,还要给车辆上装设的空调(暖气)、气泵等设备提供电能,在电车数量的持续增加下,供电系统的负荷压力大幅度上升,容易导致电站供电设备、地下电缆接头出现过热,绝缘老化等问题,在维修和保养时无法给线网提供电能。同时,城市中存在的地下施工作业也容易导致供电电缆被截断、损坏接地等问题,同样对车俩的正常供电早成不利影响。当出现上述问题时,需要断开馈电隔离开关,将对应线网和电缆进行隔离,然后使用相邻线网进行联络应急供电,保证该线网为车辆正常供电。

供电线网作为双源纯电动公交的动力来源,其电压分布也会影响车辆电机的正常工作。当长距离供电线网下出现车辆密集行驶时,其线网末端电压普遍偏低。一般来说,对于标称电压为600V的供电系统,车辆正常行驶的最小驱动电压在400V左右,750V供电系统则需要500V。同时,线网还作为电车的充电网络,其电压的波动情况也会影响车载储能装置的正常充电,以750V供电系统为例,车载锂电池至少需要600V电压才能正常充电。因此,对线网电压特别是末端电压的测量监视尤为重要,当发现供电电压偏低时,可进行末端均压等操作,以提高线网末端供电电压。

图2 双源纯电动公交在线网下行驶

但是,当前供电线网的管理如隔离、联络以及末端电压测量等操作依然停留在现场人工方式。由于馈电隔离开关设置在供电线网附近,联络应急供电和末端电压测量也必须到线网末端完成,操作人员必须迅速赶到现场进行操作,以尽快对线网进行隔离并恢复供电。对于一个城市而言,供电线网分布的范围较广,人员和架线车辆到达现场的时间较长,当遇到城市早晚高峰时,恢复供电的时间更长。以北京为例,高峰期人员和车辆到达现场的时间有时超过2个小时,严重影响了车辆的正常行驶供电和充电。

事实上,双源纯电动公交供电系统的供电站已经完成了技术革新,智能化的箱式电站、远程后台系统、全新的故障检测技术和信息交互技术已经让供电站实现了无人值守。智能化的箱式和房式电站已经实现了各类电量与非电量的数字化远程监测,故障自动识别,供电自动恢复,设备可远程操作等,在保证电站安全的前提下,极大地提高了电站的工作效率。相比之下,供电线网的管理还停留在上世纪90年代的技术,主要依靠人工到现场完成各类操作,不仅操作效率较低,而且导致线网在较长时间内无法正常供电。

图4 北京公交现场运行的箱式供电站

 

图5 北京公交远程后台系统

为了减小线网停电时间,提高隔离开关的操作效率,利用通信手段实现隔离开关的远程操作和线网电压数值的远程实时监测是最为便捷可行的方式。由于供电线网广泛分散在城市的街道,采用有线通信方式必然会导致重新铺设通信电缆,对各个城市而言很难做到。面对这个难题,可借助当前迅猛发展的基于无线通信的物联网技术。物联网,英文名称IoT(Internet of things),简单地说就是“物物相连的互联网”,物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术,广泛应用于网络的融合中。物联网的技术方向很多,如3G/4G,GPRS,NB-IoT,Lora,Sigfox等??悸堑焦┑缦咄诔鞘兄械母哺敲婧芄?,而且开关操作和电压测量的数据交互量不大,可选择覆盖面较广且应用成熟的GPRS技术。

对于隔离开关的远程操作以及末端电压的测量,无轨电车相关行业标准《CJT_1-1999城市无轨电车和有轨电车供电系统》已经提到:

8.3.2馈线、触线网远动装置

a. 低压区触线网末端电压的监测

b. 馈电箱刀开关的远控操作

从标准描述的内容来看,隔离开关的操作和末端电压的监测完全可以由远程后台完成,这也解决了城市中广泛分布的供电线网电气管理问题,为双源纯电动公交供电系统的智能化奠定了基础。

 

图6 新一代隔离开关和远程后台通信

这种基于物联网技术的新一代隔离开关应具有如下功能特点: 

        >>借助运营商成熟的网络与远程后台进行连接,在几十秒内即可完成开关状态,开关两侧电压,开关箱内温度等数据更新,可由后台下发指令对开关进行分合操作。

        >>可支持现场WIFI连接,考虑到隔离开关经常安装在人员不易操作的位置,通过WIFI进行数据交互可大大减轻现场操作与维护的工作量。

        >>隔离开关操作时能自动实现电压互锁,防止开关带电压和负荷操作。

        >>具备全面的诊断功能,如:开关状态诊断,储能设备工作参数诊断,环境温度诊断等。

 

图7 现场运行的馈电隔离开关和联络隔离开关

新一代隔离开关能够针对双源纯电动公交供电系统的工作要求完成多种应用。通过了解线网的电压分布情况,特别是在早晚高峰车辆拥堵密集的时候,可以评估接触网能否为车辆行驶提供足够的动力和充电电压。后台系统还可以对所采集的电压数据进行分析,为线网的布局和配置提供大数据依据。

 

图8 供电线网电压分布测量

当这种隔离开关和供电站结合起来时,即可高效率地完成针对地下电缆的绝缘检测。通过后台系统闭合供电站内某条直流馈线的断路器,并断开其余直流馈线回路,然后将该直流馈线对应的隔离开关断开,再通过供电站内的绝缘检测设备即可评估该馈线电缆对地的绝缘泄漏情况,由于后台系统对隔离开关操作的高效性,可以定期对所有直流馈线电缆进行绝缘泄漏评估,并记录相关数据,通过对比了解馈线电缆对地泄漏的变化。

 

图9 电缆绝缘检测原理

双源纯电动公交车辆的动力技术、电池技术以及集电杆取电方式近年来都发生了日新月异的变化。同时,北京、济南、青岛等多个城市的双源纯电动公交的供电站已经完成了全面的自动化和无人值守,在大幅度提高电站工作效率和各类判断的准确率时,还显著降低了人力成本。供电线网作为供电系统服务车辆的“最后一公里”,其供电质量与持续供电时间等数据已经成为影响车辆正常运作的关键要素。借助当前高速发展的物联网技术,新一代隔离开关能够显著提高供电线网的工作效率,并为整个供电系统的智能化打下坚实基础。

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