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我公司研發(fā)的直流隔離開關(guān)在雙電源純電動公交
近年來，隨著大中城市內(nèi)汽車的大量普及，尾氣排放占廢氣排放比重越來越高，造成城市嚴(yán)重的環(huán)境問題和交通堵塞。其中，城市空氣污染尤為嚴(yán)重,霧霾幾乎席卷了大半個(gè)中國，全國多個(gè)大中城市重度“淪陷”。在當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)保形勢下，國家大力推行新能源汽車的發(fā)展，以緩解日益嚴(yán)重的大氣污染問題。
考慮到純電驅(qū)動作為新能源汽車發(fā)展的主要戰(zhàn)略取向，純電驅(qū)動車輛已經(jīng)在公交、出租、公務(wù)、環(huán)衛(wèi)和郵政等公共服務(wù)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。作為一種“零排放”純電驅(qū)車輛，雙源純電動公交在新能源公共交通中扮演著越來越重要的作用。以北京公交集團(tuán)為例，當(dāng)前運(yùn)營的雙源純電動公交超過1200輛，供電線網(wǎng)200公里以上，公交線路24條。其中，快速公交BRT1、BRT2和BRT3線路已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)電動化，并采用18m長雙源純電動公交運(yùn)營；上海于2017年初在延安路開通了中運(yùn)量71路無軌電車，同樣采用了18m長電車運(yùn)營，有效緩解了公共交通的運(yùn)營壓力。
為雙源純電動公交提供動力的主要是道路上方架設(shè)的供電線網(wǎng)，供電站將交流10KV電能轉(zhuǎn)換為直流電能，通過饋線電纜傳輸?shù)金侂姼綦x開關(guān)，由隔離開關(guān)將電能輸送到供電線網(wǎng)。供電線網(wǎng)可為雙源純電動公交提供直接驅(qū)動車輛行駛的電能，也能夠?yàn)檐囕d儲能設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的充電電流。因此，由供電站、饋線電纜、饋電隔離開關(guān)和供電線網(wǎng)構(gòu)成了雙源純電動公交供電系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。
圖1 雙源純電動公交供電系統(tǒng)示意
雙源純電動公交供電系統(tǒng)不僅要為車輛提供動力負(fù)荷和充電負(fù)荷，還要給車輛上裝設(shè)的空調(diào)(暖氣）、氣泵等設(shè)備提供電能，在電車數(shù)量的持續(xù)增加下，供電系統(tǒng)的負(fù)荷壓力大幅度上升，容易導(dǎo)致電站供電設(shè)備、地下電纜接頭出現(xiàn)過熱，絕緣老化等問題，在維修和保養(yǎng)時(shí)無法給線網(wǎng)提供電能。同時(shí)，城市中存在的地下施工作業(yè)也容易導(dǎo)致供電電纜被截?cái)唷p壞接地等問題，同樣對車倆的正常供電早成不利影響。當(dāng)出現(xiàn)上述問題時(shí)，需要斷開饋電隔離開關(guān)，將對應(yīng)線網(wǎng)和電纜進(jìn)行隔離，然后使用相鄰線網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)應(yīng)急供電，保證該線網(wǎng)為車輛正常供電。
供電線網(wǎng)作為雙源純電動公交的動力來源，其電壓分布也會影響車輛電機(jī)的正常工作。當(dāng)長距離供電線網(wǎng)下出現(xiàn)車輛密集行駛時(shí)，其線網(wǎng)末端電壓普遍偏低。一般來說，對于標(biāo)稱電壓為600V的供電系統(tǒng)，車輛正常行駛的最小驅(qū)動電壓在400V左右，750V供電系統(tǒng)則需要500V。同時(shí)，線網(wǎng)還作為電車的充電網(wǎng)絡(luò)，其電壓的波動情況也會影響車載儲能裝置的正常充電，以750V供電系統(tǒng)為例，車載鋰電池至少需要600V電壓才能正常充電。因此，對線網(wǎng)電壓特別是末端電壓的測量監(jiān)視尤為重要，當(dāng)發(fā)現(xiàn)供電電壓偏低時(shí)，可進(jìn)行末端均壓等操作，以提高線網(wǎng)末端供電電壓。
圖2 雙源純電動公交在線網(wǎng)下行駛
但是，當(dāng)前供電線網(wǎng)的管理如隔離、聯(lián)絡(luò)以及末端電壓測量等操作依然停留在現(xiàn)場人工方式。由于饋電隔離開關(guān)設(shè)置在供電線網(wǎng)附近，聯(lián)絡(luò)應(yīng)急供電和末端電壓測量也必須到線網(wǎng)末端完成，操作人員必須迅速趕到現(xiàn)場進(jìn)行操作，以盡快對線網(wǎng)進(jìn)行隔離并恢復(fù)供電。對于一個(gè)城市而言，供電線網(wǎng)分布的范圍較廣，人員和架線車輛到達(dá)現(xiàn)場的時(shí)間較長，當(dāng)遇到城市早晚高峰時(shí)，恢復(fù)供電的時(shí)間更長。以北京為例，高峰期人員和車輛到達(dá)現(xiàn)場的時(shí)間有時(shí)超過2個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重影響了車輛的正常行駛供電和充電。
事實(shí)上，雙源純電動公交供電系統(tǒng)的供電站已經(jīng)完成了技術(shù)革新，智能化的箱式電站、遠(yuǎn)程后臺系統(tǒng)、全新的故障檢測技術(shù)和信息交互技術(shù)已經(jīng)讓供電站實(shí)現(xiàn)了無人值守。智能化的箱式和房式電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各類電量與非電量的數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)測，故障自動識別，供電自動恢復(fù)，設(shè)備可遠(yuǎn)程操作等，在保證電站安全的前提下，極大地提高了電站的工作效率。相比之下，供電線網(wǎng)的管理還停留在上世紀(jì)90年代的技術(shù)，主要依靠人工到現(xiàn)場完成各類操作，不僅操作效率較低，而且導(dǎo)致線網(wǎng)在較長時(shí)間內(nèi)無法正常供電。
圖4 北京公交現(xiàn)場運(yùn)行的箱式供電站
圖5 北京公交遠(yuǎn)程后臺系統(tǒng)
為了減小線網(wǎng)停電時(shí)間，提高隔離開關(guān)的操作效率，利用通信手段實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的遠(yuǎn)程操作和線網(wǎng)電壓數(shù)值的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測是最為便捷可行的方式。由于供電線網(wǎng)廣泛分散在城市的街道，采用有線通信方式必然會導(dǎo)致重新鋪設(shè)通信電纜，對各個(gè)城市而言很難做到。面對這個(gè)難題，可借助當(dāng)前迅猛發(fā)展的基于無線通信的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)，英文名稱IoT（Internet of things），簡單地說就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)方向很多，如3G/4G，GPRS，NB-IoT，Lora，Sigfox等?？紤]到供電線網(wǎng)在城市中的覆蓋面很廣，而且開關(guān)操作和電壓測量的數(shù)據(jù)交互量不大，可選擇覆蓋面較廣且應(yīng)用成熟的GPRS技術(shù)。
對于隔離開關(guān)的遠(yuǎn)程操作以及末端電壓的測量，無軌電車相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CJT_1-1999城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》已經(jīng)提到：
8.3.2饋線、觸線網(wǎng)遠(yuǎn)動裝置
a. 低壓區(qū)觸線網(wǎng)末端電壓的監(jiān)測
b. 饋電箱刀開關(guān)的遠(yuǎn)控操作
從標(biāo)準(zhǔn)描述的內(nèi)容來看，隔離開關(guān)的操作和末端電壓的監(jiān)測完全可以由遠(yuǎn)程后臺完成，這也解決了城市中廣泛分布的供電線網(wǎng)電氣管理問題，為雙源純電動公交供電系統(tǒng)的智能化奠定了基礎(chǔ)。
圖6 新一代隔離開關(guān)和遠(yuǎn)程后臺通信
這種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新一代隔離開關(guān)應(yīng)具有如下功能特點(diǎn)：
>>借助運(yùn)營商成熟的網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程后臺進(jìn)行連接，在幾十秒內(nèi)即可完成開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)兩側(cè)電壓，開關(guān)箱內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)更新，可由后臺下發(fā)指令對開關(guān)進(jìn)行分合操作。
>>可支持現(xiàn)場WIFI連接，考慮到隔離開關(guān)經(jīng)常安裝在人員不易操作的位置，通過WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互可大大減輕現(xiàn)場操作與維護(hù)的工作量。
>>隔離開關(guān)操作時(shí)能自動實(shí)現(xiàn)電壓互鎖，防止開關(guān)帶電壓和負(fù)荷操作。
>>具備全面的診斷功能，如：開關(guān)狀態(tài)診斷，儲能設(shè)備工作參數(shù)診斷，環(huán)境溫度診斷等。
圖7 現(xiàn)場運(yùn)行的饋電隔離開關(guān)和聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)
新一代隔離開關(guān)能夠針對雙源純電動公交供電系統(tǒng)的工作要求完成多種應(yīng)用。通過了解線網(wǎng)的電壓分布情況，特別是在早晚高峰車輛擁堵密集的時(shí)候，可以評估接觸網(wǎng)能否為車輛行駛提供足夠的動力和充電電壓。后臺系統(tǒng)還可以對所采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為線網(wǎng)的布局和配置提供大數(shù)據(jù)依據(jù)。
圖8 供電線網(wǎng)電壓分布測量
當(dāng)這種隔離開關(guān)和供電站結(jié)合起來時(shí)，即可高效率地完成針對地下電纜的絕緣檢測。通過后臺系統(tǒng)閉合供電站內(nèi)某條直流饋線的斷路器，并斷開其余直流饋線回路，然后將該直流饋線對應(yīng)的隔離開關(guān)斷開，再通過供電站內(nèi)的絕緣檢測設(shè)備即可評估該饋線電纜對地的絕緣泄漏情況，由于后臺系統(tǒng)對隔離開關(guān)操作的高效性，可以定期對所有直流饋線電纜進(jìn)行絕緣泄漏評估，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對比了解饋線電纜對地泄漏的變化。
圖9 電纜絕緣檢測原理
雙源純電動公交車輛的動力技術(shù)、電池技術(shù)以及集電桿取電方式近年來都發(fā)生了日新月異的變化。同時(shí)，北京、濟(jì)南、青島等多個(gè)城市的雙源純電動公交的供電站已經(jīng)完成了全面的自動化和無人值守，在大幅度提高電站工作效率和各類判斷的準(zhǔn)確率時(shí)，還顯著降低了人力成本。供電線網(wǎng)作為供電系統(tǒng)服務(wù)車輛的“最后一公里”，其供電質(zhì)量與持續(xù)供電時(shí)間等數(shù)據(jù)已經(jīng)成為影響車輛正常運(yùn)作的關(guān)鍵要素。借助當(dāng)前高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，新一代隔離開關(guān)能夠顯著提高供電線網(wǎng)的工作效率，并為整個(gè)供電系統(tǒng)的智能化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。