基于軌道交通雜散電流防護(hù)系統(tǒng)的單向?qū)ㄑb置設(shè)計(jì)

黃　飛 張　磊

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

基于軌道交通雜散電流防護(hù)系統(tǒng)的單向?qū)ㄑb置設(shè)計(jì)

黃飛 張磊

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

軌道交通主體結(jié)構(gòu)鋼、附近的埋地金屬管線、電氣設(shè)備經(jīng)常遭受軌道交通雜散電流的電化學(xué)腐蝕。這種雜散電流會(huì)破壞混凝土結(jié)構(gòu)，腐蝕埋地金屬管線，干擾通訊設(shè)備甚至?xí)＜叭梭w安全造成災(zāi)難性的事故。該單向?qū)ㄑb置主要有控制器模塊、二極管支路、消弧支路、隔離開(kāi)關(guān)、過(guò)電壓保護(hù)支路、溫濕度控制、浪涌保護(hù)及電源模塊組成。其內(nèi)部還設(shè)置了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)主回路的運(yùn)行狀態(tài)。

軌道交通；雜散電流；單向?qū)ㄑb置

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)現(xiàn)代化、城鎮(zhèn)化持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)資源環(huán)境壓力日益加大，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保的“綠色軌道交通”提高城鎮(zhèn)承載力是緩解資源環(huán)境壓力提高經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展質(zhì)量和效率的新方向。中國(guó)城市軌道交通已進(jìn)入快速發(fā)展的新時(shí)期，同時(shí)軌道交通雜散電流防護(hù)問(wèn)題越來(lái)越引起社會(huì)各界的重視。在軌道交通系統(tǒng)中，牽引供電系統(tǒng)一般采用直流方式，會(huì)產(chǎn)生雜散電流。地鐵中，很多鐵路采用走行軌、走行軌連接件以及電纜組成回流系統(tǒng)。走行軌與地之間并非絕對(duì)絕緣，存在多個(gè)電流泄漏點(diǎn)，流經(jīng)走行軌的電流不能全部經(jīng)由走行軌流回牽引變電所的負(fù)極，有一部分電流會(huì)泄漏進(jìn)入大地，然后再流回變電所，這部分泄漏到大地中去的電流就是雜散電流也稱作迷流。

1.總體性能

1.1功能介紹

單向?qū)ㄑb置通過(guò)電纜與絕緣結(jié)兩端回流軌相連，使回流軌中電流僅能單方向流通，以利于雜散電流防護(hù)，減少雜散電流影響。其內(nèi)部除設(shè)置二極管支路外，還設(shè)有隔離開(kāi)關(guān)和消弧支路，隔離開(kāi)關(guān)用于特殊運(yùn)行方式下，將絕緣結(jié)兩端回流軌直接電氣連接；消弧支路用于車(chē)輛再生制動(dòng)導(dǎo)致單向?qū)ㄑb置附近回流軌電位升高時(shí)，該支路電氣導(dǎo)通，降低走行軌電位，限制絕緣結(jié)兩端放電和保證回流軌附近人員的安全。

1.2單向?qū)ㄑb置電氣原理圖

單向?qū)ㄑb置電氣原理圖如圖1所示。

圖1　單向?qū)ㄑb置電氣原理圖

2.系統(tǒng)組成

2.1控制單元模塊

單向?qū)ㄑb置控制單元分為以下幾個(gè)部分：CPU模塊、開(kāi)入量輸入模塊（DI）、開(kāi)出量輸出模塊（DO）、模擬量輸入模塊（AI）、PWM驅(qū)動(dòng)模塊、HMI人機(jī)接口模塊以及通訊模塊等。包括16路開(kāi)入量輸入，其中14路共用公共端，另外2路為互相獨(dú)立的開(kāi)入量輸入；每路開(kāi)入量輸入采用光耦隔離，支持DC+24V輸入；6路開(kāi)出量輸出，每路開(kāi)出最大支持5A、220VAC或5A、30VDC；12路模擬量輸入，每路模擬量最大支持±5V輸入；支持2路可控硅驅(qū)動(dòng)；1路RS-485，1路CAN以及7個(gè)LED指示各二極管支路及可控硅支路故障狀態(tài)。

2.2二極管支路

每個(gè)二極管支路均由二極管、快速熔斷器、霍爾電流傳感器等組成。該裝置采用了永濟(jì)機(jī)電的ZP4400-30二極管，額定電壓3000V，額定電流是4400A。首先要滿足額定電流3000A設(shè)計(jì)要求并且預(yù)留一定裕量來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。按額定容量的1.5倍來(lái)設(shè)計(jì)，則主回路實(shí)際額定電流容量為ITa=1.5×3000A=4500A。均流系數(shù)Kp取0.90，主回路實(shí)際電流為IT=ITa/Kp=4500A/0.90=5000A。按自然冷卻條件下電流取風(fēng)冷條件下的25%，ZP4400-30二極管實(shí)際可通電流為：IP=4400A×25%=1100A。則需并聯(lián)元件數(shù)為：Np=IT/IP=5000A/1100A≈5（取整），故設(shè)置5路二極管并聯(lián)，由于已考慮到1.5倍冗余度要求，且當(dāng)一支二極管損壞造成斷路時(shí)，單向?qū)ㄑb置仍可滿足3000A的額定電流。

另外一個(gè)需要考慮的因素是如何保證很好的均流效果。理想條件下是5路二極管均分?jǐn)?0%電流是最理想的，然而實(shí)際中并不可能那么理想，只能盡量使5路二極管分?jǐn)偟碾娏鞔笾孪嗤乐咕魇龎亩O管。為此首先要對(duì)二極管進(jìn)行嚴(yán)格篩選，進(jìn)行導(dǎo)通壓降測(cè)試必須確保相同規(guī)格的兩只二極管導(dǎo)通壓降偏差不超過(guò)0.2V，其次要保證5路二極管布局合理盡可能對(duì)稱。

同時(shí)每個(gè)二極管支路都應(yīng)串聯(lián)一個(gè)快速熔斷器，當(dāng)二極管發(fā)生反向擊穿或流過(guò)電流超過(guò)系統(tǒng)額定電流使快速熔斷器熔斷時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到故障后，向主監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便及時(shí)檢修。

2.3消弧支路

消弧支路由可控硅、霍爾電壓傳感器、快速熔斷器、霍爾電流傳感器組成。霍爾傳感器采用霍爾器件，能避免常規(guī)分流器的發(fā)熱問(wèn)題，同時(shí)由于霍爾元件輸出的是0～4V的電壓信號(hào)，很好地解決了分流器的mV級(jí)小電壓放大成大信號(hào)電壓時(shí)的信號(hào)延遲及誤差問(wèn)題。

消弧支能熄滅列車(chē)在制動(dòng)情況下產(chǎn)生的電弧，當(dāng)列車(chē)通過(guò)絕緣結(jié)后，檢測(cè)軌道絕緣結(jié)的反向電壓，當(dāng)反向電壓達(dá)到起弧電壓（可手動(dòng)設(shè)置）時(shí)，觸發(fā)可控硅使之導(dǎo)通，熄滅電弧，以保證單向?qū)ㄑb置正常工作，電壓降低后，自動(dòng)關(guān)斷。可控硅回路同時(shí)還需串聯(lián)快速熔斷器，以保護(hù)可控硅。

2.4隔離開(kāi)關(guān)

隔離開(kāi)關(guān)采用寧波耀華G N 2 2-1.5kV/3150A-50（D）開(kāi)關(guān)，額定電壓DC1800V，額定電流3150A，工頻耐壓5.5kV，主要由旋轉(zhuǎn)隔離開(kāi)關(guān)、操動(dòng)機(jī)構(gòu)和操作面板組成。該隔離開(kāi)關(guān)可以方便的裝入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，方便安裝，整體性好。電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，具備電動(dòng)、手動(dòng)兩種操作方式，電動(dòng)操作時(shí)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)控制。

2.5過(guò)電壓保護(hù)支路

二極管與可控硅在開(kāi)通與關(guān)斷瞬間的尖峰脈沖其主要為奇數(shù)倍高次諧波，R、C分壓，頻率越高，電容容抗越小，電容電壓就越低，大部分降落到R上了，RC低通濾波的H（w）=1/（1+jwRC），故直接并聯(lián)RC阻容吸收回路，R取5～10Ω，功率取5～20W，C取0.05～1μF即可。同時(shí)為防止過(guò)電壓，在RC支路上還需并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻，當(dāng)二極管兩端電壓超過(guò)其閥值時(shí)，壓敏電阻將二極管自動(dòng)旁路以防止二極管損壞，當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)，壓敏電阻恢復(fù)正常。

2.6溫濕度控制

為控制單向?qū)ㄑb置內(nèi)溫濕度，可以選用WSK-HS（TH）系列智能溫度控制器，其帶有一路溫濕度傳感器，能隨時(shí)監(jiān)測(cè)柜體內(nèi)的溫濕度變化并通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)柜體內(nèi)部安裝的加熱裝置的工作狀態(tài)及時(shí)改善柜體內(nèi)部的溫濕度環(huán)境。

2.7浪涌保護(hù)

為抑制線路上的浪涌和瞬時(shí)過(guò)電壓、泄放線路上的過(guò)電流，二次回路應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器浪涌保護(hù)器（SPD），可采用科安達(dá)SSLP-385V浪涌保護(hù)器有效保護(hù)二次設(shè)備。

3.安裝防護(hù)

安裝時(shí)二極管、可控硅、隔離開(kāi)關(guān)、過(guò)電壓過(guò)電流保護(hù)裝置應(yīng)安裝在單向?qū)ㄑb置正面，在布置上應(yīng)考慮通風(fēng)散熱、接線方便。單向?qū)ㄑb置為戶外安裝的獨(dú)立式金屬柜，柜體防護(hù)等級(jí)為應(yīng)達(dá)到IP45，考慮到熱輻射和雨水的浸漬，整個(gè)柜體設(shè)計(jì)需有防雨的散熱通道，柜頂應(yīng)裝有防止雨水的頂蓋，既保證有良好的防雨作用，又保證有良好的散熱效果。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)模擬負(fù)載測(cè)試，該單向?qū)ㄑb置二極管支路均流系數(shù)大于0.9，過(guò)載能力強(qiáng)，可達(dá)150%，具有故障自動(dòng)報(bào)警功能，方便維護(hù)。采用可控硅自動(dòng)消弧技術(shù)，可避免電弧燒損鋼軌，隔離開(kāi)關(guān)采用手動(dòng)電動(dòng)兩種操作方式，方便遠(yuǎn)程控制。該裝置可以有效縮小雜散電流影響的范圍，從而減少雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ GB50157-2013，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ CJJ49-1992，鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］ JB/T8949.2-2013，普通整流管第2部分：平板形器件［S］.

［4］ GB/T3859.1-2013，半導(dǎo)體變流器通用要求和電網(wǎng)換相變流器［S］.

［5］ GB4208-2008，外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）［S］.

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