磁浮交通地面牵引供电系统及其安全开关设备的制作方法

1.本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种磁浮交通地面牵引供电系统及其安全开关设备。


背景技术：

2.目前，地面交通运输主要以公路和铁路交通为主，随着社会的发展，其快捷性越来越跟不上时代的步伐。在这两大地面运输系统中，只有铁路运输系统能够进一步提高运输的快捷性，而常规铁路轮轨系统由于其自身无法克服的粘着力和机械上的原因，其最高速度受到很大限制。
3.磁悬浮列车在人类地面交通技术史上第一次实现了车辆与路面之间的无接触、无摩擦、无磨损的运行，克服了传统机车车辆必须通过轮轨机械接触实行列车牵引的许多弊端。
4.磁悬浮列车的最高运行速度可达600km/h以上，而且它的振动、噪声要比常规轮轨系统小得多，以线性电力驱动是它的优势之一，因此对环境的污染少。从经济性的角度来看，磁悬浮列车每个座位的投资是飞机的1/2，而它的速度比轮轨式交通工具快得多，比较适合长远距离的跨省运输。
5.而且，随着磁悬浮列车示范线的成功建设和顺利运营，磁悬浮交通系统的建设成本低、运行噪声小、运行速度快等优势得到全面体现。因此，磁悬浮列车被称为21世纪最理想的交通工具。
6.其中，磁悬浮交通长定子牵引供电系统是将来自电网的三相交流电进行降压整流后，逆变成电压、频率连续可调的(vvvf)三相交流电，再经过一系列的开关设备后，将电源馈出至长定子直线电机，从而驱动磁悬浮列车运行。
7.牵引供电系统主电路主要由功率器件(将进线电源经降压整流逆变(升压)后输出电压、电流、频率可调的三相交流电)、与功率器件配套控制的输入侧、输出侧开关以及长定子直线电机等设备构成，其中每套牵引供电单元的功率器件数量与牵引控制方式相关(例如，两步法为两套功率器件，三步法为三套功率器件)。
8.目前，为了保证磁悬浮列车的安全制动和线路的安全运行，同时需满足一定的安全等级，每套安全开关设备配置两台串联连接的安全开关柜，构成冗余配置，确保其中一台安全开关柜出现故障的状态也能安全断开。
9.安全开关设备受运控系统控制，当列车速度超过速度限制范围，运控系统向其他系统发出的控制指令因故未执行或失效时，运控系统可直接执行牵引供电单元的电气切断操作，直接切断与功率器件连接的输入侧、输出侧安全开关设备。
10.但是，目前的磁悬浮交通牵引供电系统的安全开关设备主要存在以下缺点：
11.1、每套安全开关设备(输入侧或输出侧)均由两套或以上冗余设计的安全开关柜串联组成，导致设备数量多，占用空间大，设备成本高；
12.2、安全开关设备的内部控制器及继电器数量较多，控制电路及控制接口复杂。
13.因此，现有技术中亟需一种改进型磁悬浮交通牵引供电系统的安全开关设备。


技术实现要素：

14.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
15.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中磁悬浮交通牵引供电系统的安全开关设备的设备数量多，占用空间大，设备成本高的缺陷，提供一种磁浮交通地面牵引供电系统及其安全开关设备。
16.本发明是通过下述技术方案来解决所述技术问题：
17.一种磁浮交通地面牵引供电系统的安全开关设备，其包括：
18.安全开关柜体；
19.安全控制电路，设置于所述安全开关柜体内；
20.第一断路器控制电路，设置于所述安全开关柜体内，并且与所述安全控制电路电连接，所述第一断路器控制电路被配置为控制第一断路器的执行动作；以及，
21.第二断路器控制电路，设置于所述安全开关柜体内，并且与所述安全控制电路电连接，所述第二断路器控制电路被配置为控制第二断路器的执行动作，
22.所述安全控制电路被配置为响应于获取安全控制信号，分别控制所述第一断路器控制电路及所述第二断路器控制电路，以使所述第一断路器及所述第二断路器执行对应的动作。
23.可选地，所述安全控制电路包括安全控制器、合闸控制回路及分闸控制回路；
24.所述安全控制器被配置为响应于获取所述安全控制信号，输出合闸信号至所述合闸控制回路，或输出分闸信号至所述分闸控制回路；
25.所述合闸控制回路被配置为响应于获取所述合闸信号，分别控制所述第一断路器控制电路及所述第二断路器控制电路，以使所述第一断路器及所述第二断路器分别执行合闸动作；
26.所述分闸控制回路被配置为响应于获取所述分闸信号，分别控制所述第一断路器控制电路及所述第二断路器控制电路，以使所述第一断路器及所述第二断路器分别执行分闸动作。
27.可选地，所述第一断路器控制电路包括第一合闸线圈及第一分闸线圈，所述第二断路器控制电路包括第二合闸线圈及第二分闸线圈；
28.所述第一合闸线圈及所述第二合闸线圈分别与所述合闸控制回路电连接，所述第一分闸线圈及所述第二分闸线圈分别与所述分闸控制回路电连接；
29.响应于所述第一合闸线圈带电，所述第一断路器执行合闸动作；
30.响应于所述第一分闸线圈带电，所述第一断路器执行分闸动作；
31.响应于所述第二合闸线圈带电，所述第二断路器执行合闸动作；
32.响应于所述第二分闸线圈带电，所述第二断路器执行分闸动作。
33.可选地，所述安全控制电路还包括跳闸控制回路；
34.响应于检测到故障(或失电)，所述安全控制器还被配置为输出跳闸信号至所述跳闸控制回路；
35.所述跳闸控制回路被配置为响应于获取所述跳闸信号，控制所述第一断路器控制电路及所述第二断路器控制电路，以使所述第一断路器及所述第二断路器分别跳闸。
36.可选地，所述第一断路器控制电路还包括第一跳闸线圈；
37.响应于所述第一跳闸线圈失电，所述第一断路器跳闸；
38.第二断路器控制电路还包括第二跳闸线圈；
39.响应于所述第二跳闸线圈失电，所述第二断路器跳闸。
40.可选地，所述第一断路器包括真空断路器和/或sf6(六氟化硫)断路器；
41.所述第二断路器包括真空断路器和/或sf6断路器。
42.可选地，所述安全控制电路被配置为从运控系统和/或牵引控制设备获取所述安全控制信号。
43.可选地，所述安全开关设备包括功率器件输入侧安全开关设备或功率器件输出侧安全开关设备。
44.一种磁浮交通地面牵引供电系统，其包括如上述的安全开关设备。
45.可选地，所述安全开关设备包括功率器件输入侧安全开关设备或功率器件输出侧安全开关设备。
46.在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。
47.本发明的积极进步效果在于：
48.本发明提供的磁浮交通地面牵引供电系统及其安全开关设备，有效地简化了安全开关设备的结构，从而减少了安全开关数量及成本，缩减了设备安装空间，而且有效地简化了控制电路及控制接口，提升了系统的可用性及安全开关动作的可靠性。
附图说明
49.在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的所述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
50.图1为根据本发明一实施例的磁浮交通地面牵引供电系统的安全开关设备的结构示意图。
51.图2为根据本发明一实施例的磁浮交通地面牵引供电系统的部分结构示意图。
52.附图标记
53.k1-k6
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继电器
54.hq1
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第一合闸线圈
55.hq2
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第二合闸线圈
56.tq1
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第一分闸线圈
57.tq2
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第二分闸线圈
58.uv1
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第一跳闸线圈
59.uv2
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第二跳闸线圈
60.km1
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断路器控制电源
具体实施方式
61.以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
62.给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。
63.在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
66.能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
67.磁悬浮交通长定子牵引供电系统是将来自电网的三相交流电进行降压整流后，逆变成电压、频率连续可调的(vvvf)三相交流电，再经过一系列的开关设备后，将电源馈出至长定子直线电机，从而驱动磁悬浮列车运行。
68.牵引供电系统主电路主要由功率器件、与功率器件配套控制的输入侧、输出侧开关以及长定子直线电机等设备构成，其中每套牵引供电单元的功率器件数量与牵引控制方式相关(例如，两步法为两套功率器件，三步法为三套功率器件)。
69.目前，为了保证磁悬浮列车的安全制动和线路的安全运行，同时需满足一定的安全等级，每套安全开关设备配置两台串联连接的安全开关柜，构成冗余配置，确保其中一台安全开关柜出现故障的状态也能安全断开。
70.安全开关设备受运控系统控制，当列车速度超过速度限制范围，运控系统向其他系统发出的控制指令因故未执行或失效时，运控系统可直接执行牵引供电单元的电气切断操作，直接切断与功率器件连接的输入侧、输出侧安全开关设备。
71.但是，目前的磁悬浮交通牵引供电系统的安全开关设备主要存在以下缺点：
72.1、每套安全开关设备(输入侧或输出侧)均由两套或以上冗余设计的安全开关柜
串联组成，导致设备数量多，占用空间大，设备成本高；
73.2、安全开关设备的内部控制器及继电器数量较多，控制电路及控制接口复杂，可用性较差。
74.为了克服目前存在的上述缺陷，本实施例提供一种磁浮交通地面牵引供电系统的安全开关设备，所述安全开关设备包括：安全开关柜体；安全控制电路，设置于所述安全开关柜体内；第一断路器控制电路，设置于所述安全开关柜体内，并且与所述安全控制电路电连接，所述第一断路器控制电路被配置为控制第一断路器的执行动作；以及，第二断路器控制电路，设置于所述安全开关柜体内，并且与所述安全控制电路电连接，所述第二断路器控制电路被配置为控制第二断路器的执行动作，所述安全控制电路被配置为响应于获取安全控制信号，分别控制所述第一断路器控制电路及所述第二断路器控制电路，以使所述第一断路器及所述第二断路器执行对应的动作。
75.在本实施例中，所述安全开关设备主要应用于磁浮交通地面牵引供电系统，并不具体限定所述安全开关设备的应用场景，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
76.参考图2所示，所述安全开关设备主要包括功率器件输入侧安全开关设备或功率器件输出侧安全开关设备，其中，功率器件输出侧安全开关设备可根据功率器件的可靠性指标进行简配。
77.本实施例采用改进型安全开关设备及优化的电路结构，不仅满足了安全开关设备的功能需求，提升了设备可靠性，还减少了安全开关数量及成本，缩减了设备安装空间，从而带来了相关经济价值。
78.具体地，作为一实施例，所述安全控制电路主要包括安全控制器、合闸控制回路及分闸控制回路。
79.所述安全控制器被配置为响应于获取所述安全控制信号，输出合闸信号至所述合闸控制回路，所述合闸控制回路被配置为响应于获取所述合闸信号，分别控制所述第一断路器控制电路及所述第二断路器控制电路，以使所述第一断路器及所述第二断路器分别执行合闸动作。
80.所述安全控制器被配置为响应于获取所述安全控制信号，输出分闸信号至所述分闸控制回路，所述分闸控制回路被配置为响应于获取所述分闸信号，分别控制所述第一断路器控制电路及所述第二断路器控制电路，以使所述第一断路器及所述第二断路器分别执行分闸动作。
81.具体地，所述第一断路器控制电路主要包括第一合闸线圈及第一分闸线圈，所述第二断路器控制电路主要包括第二合闸线圈及第二分闸线圈。
82.所述第一合闸线圈及所述第二合闸线圈分别与所述合闸控制回路电连接，所述第一分闸线圈及所述第二分闸线圈分别与所述分闸控制回路电连接。
83.响应于获取合闸信号，所述第一合闸线圈带电，所述第一断路器执行合闸动作，同时所述第二合闸线圈带电，所述第二断路器执行合闸动作。
84.响应于获取分闸信号，所述第一分闸线圈带电，所述第一断路器执行分闸动作，同时所述第二分闸线圈带电，所述第二断路器执行分闸动作。
85.优选地，所述安全控制电路还包括跳闸控制回路。
86.响应于监测到故障(或失电)，所述安全控制器还被配置为输出跳闸信号至所述跳
闸控制回路，所述跳闸控制回路被配置为响应于获取所述跳闸信号，控制所述第一断路器控制电路及所述第二断路器控制电路，以使所述第一断路器及所述第二断路器分别跳闸。
87.所述第一断路器控制电路还包括第一跳闸线圈，第二断路器控制电路还包括第二跳闸线圈。
88.响应于所述第一跳闸线圈失电，所述第一断路器跳闸，响应于所述第二跳闸线圈失电，所述第二断路器跳闸。
89.在本实施例中，优选地，所述第一断路器及所述第二断路器均为真空断路器。安全开关柜体内的关键元器件是真空断路器，以及柜内的控制电路及控制器等。选择真空断路器不仅能通断正常的负荷电流，还能通断一定的短路电流。
90.但是，本实施例并不具体限定所述第一断路器及所述第二断路器的类型，也可以为sf6断路器或其他开关器件，均可根据实际需求进行相应的选择及调整。
91.在本实施例中，所述安全控制电路被配置为从运控系统和/或牵引控制设备获取所述安全控制信号，但并不具体限定所述安全控制电路的控制对象，也可以为其他控制设备，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
92.如图1所示，下面具体说明所述安全开关设备的控制原理。
93.出于运控系统严格的安全防护要求，安全开关柜体内的控制电路及控制单元需专门针对运控系统进行接口设计，采用故障后导向安全的原则进行设计，由安全开关柜体内安全控制器控制，安全控制器接收来自运控系统(或其他控制对象)的控制信号，执行相应的分合闸操作。具体控制原理如下：
94.1、安全控制器控制电源正常且无故障，继电器k1(常开型)、继电器k2(常开型)分别得电；
95.2、控制合闸：合闸回路上的继电器k3(合闸回路上为常开型，分闸回路上为常闭型)、继电器k4(合闸回路上为常开型，分闸回路上为常闭型)得电，第一合闸线圈hq1和第二合闸线圈hq2分别带电，第一断路器及第二断路器分别执行合闸动作；
96.3、控制分闸：分闸回路上的继电器k5(合闸回路上为常闭型，分闸回路上为常开型)、继电器k6(合闸回路上为常闭型，分闸回路上为常开型)得电，第一分闸线圈tq1和第二分闸线圈tq2分别带电，第一断路器及第二断路器分别执行分闸动作；
97.4、断路器控制电源(km)失电，第一跳闸线圈uv1和第二跳闸线圈uv2分别掉电，第一断路器和第二断路器分别跳闸；
98.5、安全控制器控制电源(电源)失电或故障时，继电器k1、继电器k2分别失电，第一跳闸线圈uv1和第二跳闸线圈uv2分别掉电，第一断路器和第二断路器分别跳闸。
99.本实施例提供的安全开关设备主要有如下特点和有益效果：
100.1、简化了安全开关柜体内的安全开关结构，增加了设备可用性(产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力)；
101.2、通过优化安全开关柜体内控制电路，提高了开关执行动作的可靠性；
102.3、通过优化安全开关设备与运控系统控制接口，提高了控制信号输入的可靠性，以使安全开关设备满足运控系统要求的可靠性指标；
103.4、减少了安全开关数量，降低了制造成本，缩减了设备安装空间，同时保证了系统可靠性。
104.本实施例还提供一种磁浮交通地面牵引供电系统，所述磁浮交通地面牵引供电系统包括如上述的安全开关设备。
105.在本实施例中，参考图2所示，所述安全开关设备主要包括功率器件输入侧安全开关设备或功率器件输出侧安全开关设备，其中，功率器件输出侧安全开关设备可根据功率器件的可靠性指标进行简配。
106.结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
107.结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在asic中。asic可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
108.在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多用碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
109.提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。