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我公司研發的直流隔離開關在雙電源純電動公交
近年來，隨著大中城市內汽車的大量普及，尾氣排放占廢氣排放比重越來越高，造成城市嚴重的環境問題和交通堵塞。其中，城市空氣污染尤為嚴重,霧霾幾乎席卷了大半個中國，全國多個大中城市重度“淪陷”。在當前嚴峻的環保形勢下，國家大力推行新能源汽車的發展，以緩解日益嚴重的大氣污染問題。
考慮到純電驅動作為新能源汽車發展的主要戰略取向，純電驅動車輛已經在公交、出租、公務、環衛和郵政等公共服務領域得到了廣泛運用。作為一種“零排放”純電驅車輛，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。以北京公交集團為例，當前運營的雙源純電動公交超過1200輛，供電線網200公里以上，公交線路24條。其中，快速公交BRT1、BRT2和BRT3線路已經全部實現電動化，并采用18m長雙源純電動公交運營；上海于2017年初在延安路開通了中運量71路無軌電車，同樣采用了18m長電車運營，有效緩解了公共交通的運營壓力。
為雙源純電動公交提供動力的主要是道路上方架設的供電線網，供電站將交流10KV電能轉換為直流電能，通過饋線電纜傳輸到饋電隔離開關，由隔離開關將電能輸送到供電線網。供電線網可為雙源純電動公交提供直接驅動車輛行駛的電能，也能夠為車載儲能設備提供持續穩定的充電電流。因此，由供電站、饋線電纜、饋電隔離開關和供電線網構成了雙源純電動公交供電系統的關鍵要素。
圖1 雙源純電動公交供電系統示意
雙源純電動公交供電系統不僅要為車輛提供動力負荷和充電負荷，還要給車輛上裝設的空調(暖氣）、氣泵等設備提供電能，在電車數量的持續增加下，供電系統的負荷壓力大幅度上升，容易導致電站供電設備、地下電纜接頭出現過熱，絕緣老化等問題，在維修和保養時無法給線網提供電能。同時，城市中存在的地下施工作業也容易導致供電電纜被截斷、損壞接地等問題，同樣對車倆的正常供電早成不利影響。當出現上述問題時，需要斷開饋電隔離開關，將對應線網和電纜進行隔離，然后使用相鄰線網進行聯絡應急供電，保證該線網為車輛正常供電。
供電線網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的正常工作。當長距離供電線網下出現車輛密集行駛時，其線網末端電壓普遍偏低。一般來說，對于標稱電壓為600V的供電系統，車輛正常行駛的最小驅動電壓在400V左右，750V供電系統則需要500V。同時，線網還作為電車的充電網絡，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，對線網電壓特別是末端電壓的測量監視尤為重要，當發現供電電壓偏低時，可進行末端均壓等操作，以提高線網末端供電電壓。
圖2 雙源純電動公交在線網下行駛
但是，當前供電線網的管理如隔離、聯絡以及末端電壓測量等操作依然停留在現場人工方式。由于饋電隔離開關設置在供電線網附近，聯絡應急供電和末端電壓測量也必須到線網末端完成，操作人員必須迅速趕到現場進行操作，以盡快對線網進行隔離并恢復供電。對于一個城市而言，供電線網分布的范圍較廣，人員和架線車輛到達現場的時間較長，當遇到城市早晚高峰時，恢復供電的時間更長。以北京為例，高峰期人員和車輛到達現場的時間有時超過2個小時，嚴重影響了車輛的正常行駛供電和充電。
事實上，雙源純電動公交供電系統的供電站已經完成了技術革新，智能化的箱式電站、遠程后臺系統、全新的故障檢測技術和信息交互技術已經讓供電站實現了無人值守。智能化的箱式和房式電站已經實現了各類電量與非電量的數字化遠程監測，故障自動識別，供電自動恢復，設備可遠程操作等，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，供電線網的管理還停留在上世紀90年代的技術，主要依靠人工到現場完成各類操作，不僅操作效率較低，而且導致線網在較長時間內無法正常供電。
圖4 北京公交現場運行的箱式供電站
圖5 北京公交遠程后臺系統
為了減小線網停電時間，提高隔離開關的操作效率，利用通信手段實現隔離開關的遠程操作和線網電壓數值的遠程實時監測是最為便捷可行的方式。由于供電線網廣泛分散在城市的街道，采用有線通信方式必然會導致重新鋪設通信電纜，對各個城市而言很難做到。面對這個難題，可借助當前迅猛發展的基于無線通信的物聯網技術。物聯網，英文名稱IoT（Internet of things），簡單地說就是“物物相連的互聯網”，物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中。物聯網的技術方向很多，如3G/4G，GPRS，NB-IoT，Lora，Sigfox等。考慮到供電線網在城市中的覆蓋面很廣，而且開關操作和電壓測量的數據交互量不大，可選擇覆蓋面較廣且應用成熟的GPRS技術。
對于隔離開關的遠程操作以及末端電壓的測量，無軌電車相關行業標準《CJT_1-1999城市無軌電車和有軌電車供電系統》已經提到：
8.3.2饋線、觸線網遠動裝置
a. 低壓區觸線網末端電壓的監測
b. 饋電箱刀開關的遠控操作
從標準描述的內容來看，隔離開關的操作和末端電壓的監測完全可以由遠程后臺完成，這也解決了城市中廣泛分布的供電線網電氣管理問題，為雙源純電動公交供電系統的智能化奠定了基礎。
圖6 新一代隔離開關和遠程后臺通信
這種基于物聯網技術的新一代隔離開關應具有如下功能特點：
>>借助運營商成熟的網絡與遠程后臺進行連接，在幾十秒內即可完成開關狀態，開關兩側電壓，開關箱內溫度等數據更新，可由后臺下發指令對開關進行分合操作。
>>可支持現場WIFI連接，考慮到隔離開關經常安裝在人員不易操作的位置，通過WIFI進行數據交互可大大減輕現場操作與維護的工作量。
>>隔離開關操作時能自動實現電壓互鎖，防止開關帶電壓和負荷操作。
>>具備全面的診斷功能，如：開關狀態診斷，儲能設備工作參數診斷，環境溫度診斷等。
圖7 現場運行的饋電隔離開關和聯絡隔離開關
新一代隔離開關能夠針對雙源純電動公交供電系統的工作要求完成多種應用。通過了解線網的電壓分布情況，特別是在早晚高峰車輛擁堵密集的時候，可以評估接觸網能否為車輛行駛提供足夠的動力和充電電壓。后臺系統還可以對所采集的電壓數據進行分析，為線網的布局和配置提供大數據依據。
圖8 供電線網電壓分布測量
當這種隔離開關和供電站結合起來時，即可高效率地完成針對地下電纜的絕緣檢測。通過后臺系統閉合供電站內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的隔離開關斷開，再通過供電站內的絕緣檢測設備即可評估該饋線電纜對地的絕緣泄漏情況，由于后臺系統對隔離開關操作的高效性，可以定期對所有直流饋線電纜進行絕緣泄漏評估，并記錄相關數據，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、電池技術以及集電桿取電方式近年來都發生了日新月異的變化。同時，北京、濟南、青島等多個城市的雙源純電動公交的供電站已經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確率時，還顯著降低了人力成本。供電線網作為供電系統服務車輛的“最后一公里”，其供電質量與持續供電時間等數據已經成為影響車輛正常運作的關鍵要素。借助當前高速發展的物聯網技術，新一代隔離開關能夠顯著提高供電線網的工作效率，并為整個供電系統的智能化打下堅實基礎。