對磁浮交通直流牽引供電系統有關技術的探討

張興昭

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 問題的由來

中低速磁浮交通是在我國正在興起的一種新型軌道交通方式,它具有許多與常規軌道交通所不同的優異性能,如快速通過小半徑曲線和長大坡道的牽引性能，低噪聲、低污染的環保性能，開放式的觀光性能等,特別適合在因地形和周圍建筑條件造成選線困難的城市中心區、山區及旅游觀光區運行,是城市軌道交通網中交通方式的一種補充。

磁浮交通的牽引供電系統是為磁浮列車提供電能的唯一來源,性質極為重要。它的結構和設施配置與其他城市軌道交通有很多相同之處,但又有其獨特的一面,不能完全簡單地照搬。由于目前國內外磁浮交通的商業運營和試驗線路很少,可資借鑒的經驗不多,通過對當前國內外各種應用模式的調研,側重于總結磁浮試驗線和重慶輕軌2號線膠輪車系統的工程經驗,對磁浮牽引供電系統中的直流接地系統和保護配置方案進行了探討和分析,力求對今后中低速磁浮牽引供電系統的工程設計有所幫助。

2 磁浮交通供電系統的構成及功能

磁浮交通的整個供電系統結構與其他城市軌道交通相似,即主要由外部電源、主變電所(或電源開閉所)、中壓供電網絡、牽引供電系統、動力照明供電系統和電力監控系統構成,其中牽引供電系統中包括牽引變電所與接觸軌；動力照明供電系統中包括降壓變電所與動力照明配電系統。

外部電源主要由城市電網變電站和與磁浮交通主變電所連接的高壓輸電線路組成,磁浮交通通過外部電源從城市電網取得電能；主變電所從城市電網引入高壓電源,經降壓和分配,給磁浮交通沿線的牽引變電所、降壓變電所及牽引降壓混合變電所提供中壓電源；中壓供電網絡是縱向把主變電所與牽引變電所、降壓變電所聯系起來,橫向把各牽引變電所和降壓變電所聯系起來的中壓電纜線路；牽引變電所是將中壓交流電能轉變為直流電能,通過接觸軌向磁浮列車供電的專用變電所；降壓變電所是將中壓交流電能轉變為低壓交流電能,向除牽引負荷以外的其他負荷供電的變電所；接觸軌是通過受流器向磁浮車輛提供牽引電能和進行回流的導電軌；動力照明配電系統是由降壓變電所低壓側饋出,連接到各用電負荷處的配電線路及相關設備的集合；電力監控系統是由控制中心內的電力調度、沿線通信網絡及受控單元組成,對磁浮交通各種供電設施、設備進行控制、信息采集、數據分析處理等工作的網絡控制系統。

3 磁浮交通牽引供電系統與其他軌道交通系統的比較

直流牽引供電系統的主要功能是向磁浮列車供電,供電電壓制也遵循統一的軌道交通電壓標準,即直流750 V或1 500 V。1 500 V系統的供電能力強,損耗小,可減少供電設施,降低投資,已成為軌道交通發展的方向。中低速磁浮列車在我國已研制成功,兩種電壓制式的車輛都有產品應用,鑒于我國大多數城市的軌道交通采用1 500 V電壓制,今后磁浮車輛發展應當以1 500 V的車型為主。

中低速磁浮交通的供電系統結構與其他軌道交通并無明顯區別,牽引變電所內的接線及設備配置也大體相似,磁浮交通牽引供電系統與其他軌道交通最大的差異是接觸軌結構、回流系統和接地系統的不同。需要研究的技術層面有：

(1)接觸軌系統的結構及各種輔助設施；

(2)磁浮列車對接觸軌的特殊要求及解決方式；

(3)直流牽引供電系統的接地方式；

(4)直流設備的保護配置與各種保護間的配合；

(5)雜散電流的防護理念和防護方式。

本文將重點探討由于磁浮列車對接地系統的特殊要求,從而引起的直流接地方式、保護配置及雜散電流防護方面的問題。

4 磁浮交通牽引供電系統接地方式及保護的研究

4.1 軌道交通中雜散電流的危害

我國現有的軌道交通(除重慶輕軌2號線的膠輪車系統外)基本采用走行軌回流系統,牽引電流主要經過走行軌返回牽引變電所的整流機組負極,從而構成完整的供電回路。由于走行軌無法做到與大地絕緣,因此會有一定量的漏泄電流進入大地,并經由大地或處于地下的金屬設施返回牽引變電所,這部分漏泄電流稱為雜散電流,也簡稱迷流。迷流的傳播路徑見圖1。

圖1 牽引回流沿走行軌、大地和地下設施流動示意

當走行軌電流由B點(負荷位置)流向A點(牽引變電所位置)時,由于走行軌壓降所造成的電位移,在走行軌上形成了兩個極區。負荷附近稱為走行軌陽極區,此范圍內電流由走行軌流向大地；牽引變電所附近稱為陰極區,電流由大地返回走行軌。

迷流腐蝕屬于電腐蝕類型。迷流強度與走行軌對地的絕緣水平和周圍環境的污穢狀況相關,數值可由數安至數十安,在環境和運行條件惡劣的區段甚至達到上百安,而一般腐蝕源電池的電流只有毫安級。由此可知，迷流電腐蝕所造成的損失和危害遠大于一般自然腐蝕。

迷流對與軌道交通線路平行埋設的地下金屬設施特別是金屬管線危害最大,這是因為金屬管線的電阻率遠小于土壤電阻率。當管線的絕緣防腐層有破損時,迷流很容易經由管線周圍的電解質(土壤、混凝土結構、水、潮濕空氣等)進入管線,并在牽引變電所附近流出。在迷流流出的地方,管線將會發生嚴重的電解腐蝕。

4.2 直流系統接地方式及框架保護配置

鑒于一般軌道交通的直流牽引供電系統存在這一嚴重的迷流問題,因此整流機組的直流正負極必須對地絕緣設置。倘若令負極直接接地,由圖1可看出,地中迷流將更容易通過地網回到直流電源負極,也就是迷流回路的電阻會大幅度降低,迷流量將成倍增長,對地中金屬設施危害極大。另外在負極直接接地時，若發生正極與直流設備框架間的短路故障,則相當于直流電源出口直接金屬性短路,將產生幾十千安甚至上百千安的強大沖擊電流。短路若發生在直流饋線快速斷路器之前,保護裝置很難在瞬間將故障切除,直流設備的安全將受到嚴重威脅。

由于上述原因,一般軌道交通的直流系統的正負極設計為對地絕緣設置,這種方式減小了迷流的威脅并消除了強大短路電流的危害,但又產生了其他問題。在正極與框架短路時,走行軌(相當于直流負極)與地(此時相當于直流正極)之間將出現750 V(或1 500 V)的高壓,由于利用走行軌回流的列車車體與走行軌處于等電位,此時對上下車乘客的安全產生了威脅,是一種嚴重的故障狀態。從保護方面看,由于軌地之間沒有通路,只存在過渡電阻,此時的短路電流相對不大,各種保護都難于動作,只能靠軌電位限制器GDX動作來消除軌地電位,并使正負極直接短路后產生巨大的短路電流,再由直流進線、饋線等保護跳閘消除故障。這種利用軌電位限制器作為保護的條件是不好的,譬如短路電流在十幾千安時,直流保護裝置切除故障將有一定延時,最少也要15～30 ms,甚至會延長至100 ms。而一般軌電位限制器內接觸器的技術指標是50 ms承受的浪涌電流僅為幾千安,這說明軌電位限制器不能承受大短路電流,主觸點可能燒熔。

為了解決這些問題,直流保護系統中專門設置了框架保護(圖2),當正極與框架短路時,保護的電流元件感受到的接地電流或電壓元件感受到的軌地間電壓超過整定值,保護將聯跳整流機組中壓側饋線開關及本站內所有直流開關,還將聯跳相鄰牽引變電所的直流饋線開關,從而使本變電所內的直流牽引供電系統完全斷電隔離。設置框架保護要注意電壓元件與軌電位限制器整定值的配合,以免在正常軌電位升高只需軌電位限制器動作時引起框架保護的誤動。

圖2 框架保護示意

4.3 磁浮系統接地方式及漏電保護的探討

中低速磁浮交通的直流接地方式與一般軌道交通有明顯的不同,首先由于磁浮車輛的結構特點和牽引需求,走行軌作為直線電機的一極,將不再承擔牽引負荷回流的作用,而需要另設負極軌回流。負極軌沿線路敷設,用與供電軌相同絕緣等級的支座固定,完全與地絕緣,因此沿線不再有電流的漏泄,將從根本上解決一般軌道交通所存在的雜散電流問題,這是中低速磁浮交通的一大優點。但從另一方面說,也正是因為磁浮車體與走行軌或地無連接,車輛的電氣設備因運行中產生的靜電無處釋放,電荷積累及引起的高壓對車上設備特別是有電磁兼容要求的設備十分不利,必須設法克服。根據分析,目前解決的方法有3種。

(1)在車站范圍內架設接地軌。接地軌與橋體結構連接實現了良好接地,列車進入車站后車體即可靠接地,將運行中積累的電荷釋放,保證了人身和設備安全。目前重慶輕軌2號線和日本磁浮線路即采用此種方式,它的優點是工程簡易,投資小,接地可靠；缺點是運行中的電荷無法消除,當車站站距較長時,靜電積累雖不會對人員造成危害,但對車上設備的影響則要看設備自身的防護手段,對車輛的設計和制造要求較高。

(2)全線架設接地軌。此做法優點是磁浮列車在運行中始終處于接地狀態,靜電電荷不易積累,對列車設備的防護最好；缺點是列車在區間高速運行時對接地軌的接觸要求較高,因此軌的材質和安裝的標準也高,投資較大。

(3)將車體與負極軌連接,負極軌在牽引變電所處接地。此做法優點也是靜電電荷不易積累,且節省了接地軌；缺點是軌地間會產生一定的電位,為了上下車時乘客的安全,應考慮在車站設置軌電位限制器或站臺邊緣加裝絕緣層。另外由于接地與負荷回流直接發生了關系,對列車的電氣絕緣以及保護裝置的要求均較高。

除了消除靜電的作用之外,實際上所有負極軌(回流軌)在沿線不接地的軌道交通系統都必須在牽引變電所處接地,這主要是為解決直流供電系統中正極接地短路的保護問題。正極接地短路可分為兩種情況：

①在牽引變電所內部,電源正極與直流設備框架之間短路。由于框架是接地的,此時相當于正極金屬性接地,對于正負極均懸空的直流系統來說,直接結果是軌地電位上升到750 V(或1 500 V)的高壓,對人身和設備安全威脅極大,必須利用框架保護迅速切除故障,而且不再重合閘。

②在牽引變電所外部,因線路絕緣子閃絡、車輛電氣故障或外部環境引起的接地短路，此時也相當于正極接地,但大部分屬于非金屬性接地,由于接地過渡電阻很高,接地電流可能很小。這種情況下牽引變電所內的保護難于動作,原因是：在直流饋線的各種保護中,保護遠端小接地電流故障的裝置主要是電流上升率輔助電流增量(即di/dt+ΔI)保護,其動作原理見圖3。

注：1.E—di/dt保護起動值；2.F—di/dt保護返回值；3.Tmax—保護延時時間；4.DeltaImin(ΔImin)—電流增量保護ΔI低限值；5.DeltaImax(ΔImax)—電流增量保護ΔI高限值。

由圖3可知,當發生小電流接地故障時,di/dt元件一般能夠感受到這一變化,保護可以啟動,但為了與一些干擾信號相區分避免誤動作(干擾信號也可能造成di/dt超出整定值),必須還要電流增量ΔI達到一定值時保護才能動作,ΔI的整定值根據不同電壓制式為3～6 kA不等,當接地電流增量小于此值時保護不會動作。這表明在接地電流較小時有可能保護都不動,而使正極接地故障長期存在,這是很危險的。因此對于磁浮交通來說,必須在負極接地回路中串接接地漏電保護裝置,這樣即使接地電流不大,保護也能感受到,將可靠地聯跳直流饋線開關切除故障。需要說明的是,由于線路或車輛上的故障有可能是瞬時的,因此該保護允許重合閘。

通過上面的分析可以得出以下結論。

(1)在以走行軌作為回流通路的軌道交通系統中,短路故障時的接地電流可以通過走行軌與地之間的過渡電阻構成回路,直流饋線保護動作的可靠性取決于短路電流的量值。在采用接觸網授流方式的供電系統中,一般在絕緣支座接地側設置了貫通接地線,絕緣子閃絡時可以形成較大的短路電流,故障切除更可靠；而以接觸軌授流的供電系統,往往支座接地端并未加接地線,在接地短路時由于軌地過渡電阻較大,直流饋線保護的可靠性不很高,可以看出在這些軌道交通中,接地保護是存在一定隱患的。

(2)中低速磁浮交通系統和重慶輕軌2號線這樣的膠輪車系統,回流軌與地完全絕緣,普通的保護很難切除接地故障,因此必須采用負母線接地方式,并在負母線接地回路中接入漏電保護裝置。

(3)接地漏電保護不能取代框架漏泄保護。從表面看框架漏泄電流也經過接地保護回路,但兩者的保護范圍與處理方式均不同。框架保護主要保護變電所范圍內的正極與設備外殼接地故障,該故障必須無延時地迅速切除；接地漏電保護主要保護變電所范圍以外,即線路及車輛上的接地故障,保護動作有延時,允許重合閘。

5 接地漏電保護的工作原理簡介

接地漏電保護裝置主要由接地電阻、逆流二極管、電壓繼電器、阻尼電阻、高壓轉換開關、電壓傳感器、電流傳感器、電源及微機控制系統組成。

在正常運行條件下,漏電流在接地電阻上產生的壓降遠小于繼電器的整定值,接地電阻相當于將負極電位拉到接近地電位。只有供電線網或車輛電控系統絕緣受到損傷,而且形成的漏電流在電阻上形成的壓降達到漏電預警值時,微機系統發出報警信號,供操作人員注意；當電阻上壓降達到繼電器的整定值時,接地保護裝置動作并發出故障報警,在顯示器上將顯示故障電流、故障電壓、時間等參數,并將上述參數送至變電所綜合自動化系統,操作人員可根據故障時間、故障區段、故障電流及車輛運行圖,判斷出故障車輛。

接地漏電保護與車輛及變電所內的其他保護配合的情況大致有以下幾種。

(1)正常工作狀態：各牽引變電所直流電源正極通過供電軌(正極軌)輸送直流電能給磁浮車輛,牽引回流經回流軌(負極軌)返回變電所負極,供電回路各部分絕緣良好,接地保護裝置檢測的電壓、電流為正常數值,量值很小。

(2)正、負極軌短路故障狀態：由于線路上正、負極軌的安裝位置較遠,極間的短路事故一般不會出現,唯一的可能是由于列車前端擋板內卷入了雪或雜物,并堵塞于正、負極的導電弓間導致極間短路,此故障所產生的短路電流一般較大,可由變電所饋線保護動作,直流快速斷路器跳閘,并報警。

(3)正極供電軌接地事故：供電軌的接地事故有時會發生,如軌地之間有金屬物搭接,污穢造成絕緣子閃絡等,此時有接地電流流入至各變電所的接地保護裝置,此值達到漏電預警值時,微機系統發出報警信號；達到保護值時,接地保護裝置動作,將變電所內饋線斷路器斷開,并報警。

(4)列車主線路、高壓輔助線路的短路事故：磁浮列車主線路、高壓輔助線路的短路事故極其稀少,發生事故時,當事故點發生在車載快速斷路器之后,將通過車輛電控系統的快速斷路器切除；若事故點發生在車載斷路器之前,則只能通過變電所內快速斷路器切除。

(5)變電所負極母線絕緣不良：在正常情況下,由于漏電流一定,接地電阻上的壓降變化很小,一旦負極母線絕緣電阻下降,將使接地電阻上的電壓減小,通過檢測該電壓值并與正常值比較,可以判斷該區間負極母線絕緣是否合乎要求。

6 磁浮交通的雜散電流防護理念與構思

在一般軌道交通系統中,由于走行軌回流系統與大地無法完全隔絕,總會有部分回流自走行軌泄漏進入大地中,從而形成了雜散電流。而磁浮交通的牽引負荷回流是通過與大地完全絕緣的回流軌返回牽引變電所,只要支撐回流軌的絕緣件不發生問題,則沿線不會有任何雜散電流產生,從表面看這已從根本上解決了雜散電流腐蝕問題。但由于磁浮交通供電系統的接地方式與一般軌道交通不同,因此有必要從正常運行的電氣回路和特殊故障條件下的接地回路兩個方面對可能產生的雜散電流加以分析并提出防范措施。

6.1 正常運行狀態下的情況

圖4表示出了磁浮列車在某個區段運行時的網絡供電情況。

圖4 牽引變電所電流分配示意

由于直流牽引網在全線范圍內是電氣連通的,因此列車負荷并不僅僅由相鄰的兩座牽引變電所供電,更遠方的變電所也要提供部分電能,此時的網絡結構見圖5(設各變電所直流電源電壓E0及電源內阻r0相同,變電所間距均為L,負荷位于區段中點),為了簡化分析,網絡只取了負荷左邊的一半。

圖5 網絡分析示意

應用支路電流法很容易得出近遠端變電所分別負擔的負荷比例。

式中IA——A變電所分流；

IB——B變電所分流；

r0——直流電源等效內阻；

RL——供電區段牽引網電阻；

r+——正極軌單位電阻；

r-——負極軌單位電阻；

L——變電所間距離。

6.2 某牽引變電所解列的故障情況

圖6 大雙邊供電時電流分配示意

以上兩種情況說明磁浮交通供電系統可基本上不考慮雜散電流影響。

7 小結

(1)中低速磁浮交通供電系統的最大特點是走行軌不再作為回流的通路,且磁浮交通線路基本在地面和高架橋建設,空間為敞開式,周圍環境對其影響較大,由此引起一系列諸如消除接地故障、消除靜電積累這樣的軌地關系問題。為了解決這些技術問題,使磁浮交通真正成為快捷、安全可靠、綠色環保的運輸系統,在供電系統方面來說,設置接地漏電保護,重新調整變電所內各種保護之間的配合關系是十分必要的,可以對各種類型的短路故障加以有效的防護。

(2)雜散電流的防護對任何形式的軌道交通都是一大難題,而磁浮交通采用了專門的負極軌回流,從源頭上杜絕了雜散電流的產生,這是磁浮交通的一大優越性。即使由于負極接地的特殊結構使得在某種故障條件下還可能有雜散電流存在,從文中的分析和提出的防護措施來看,雜散電流仍不難解決。由此可以說,磁浮交通是對城市地下設施和金屬構筑干擾最小的交通形式,在城市中有廣闊的發展前景。

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