香港地鐵直流牽引供電系統(tǒng)鋼軌電位限制裝置的設(shè)計
摘 要：在香港地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌對地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負極回流通路。為了保障乘客的安全，在鋼軌和地之間安裝了鋼軌電位限制裝置，當(dāng)鋼軌電位超過預(yù)定的值時，鋼軌電位限制裝置將鋼軌電位鉗制到地電位。本文根據(jù)作者在香港地鐵直流牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中的實際經(jīng)驗，對鋼軌電位限制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理進行介紹。
關(guān)鍵詞：鋼軌電位限制裝置、晶閘管
一、前言
在香港地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌對地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負極回流通路。因此，鋼軌對地有時存在高電位，而列車與鋼軌之間是等電位的，當(dāng)乘客站在站臺時，有可能通過列車車體接觸到這一高電位。特別是在站臺上安裝了站臺屏蔽門之后，由于站臺屏蔽門直接與鋼軌連接，更增加了乘客接觸鋼軌高電位的機會。為了保障乘客的安全，在鋼軌或負母排和地之間安裝了鋼軌電位限制裝置。
二、系統(tǒng)構(gòu)成及裝置特性
鋼軌電位限制裝置安裝在牽引變電所和車站內(nèi)，用來將鋼軌的電位限制在預(yù)定的范圍內(nèi)。同時，在接觸導(dǎo)線對故障電流回流線或地短路時，鋼軌電位限制裝置還可提供故障電流的回流通路，使得相應(yīng)的直流饋線斷路器可以識別故障并快速分?jǐn)嘁郧宄收稀Ｏ到y(tǒng)構(gòu)成如圖一所示。
鋼軌電位限制裝置監(jiān)視鋼軌與地之間的電壓，如果該電壓超過預(yù)定的值，鋼軌電位限制裝置動作，將鋼軌通過鋼軌電位限制裝置接地，同時，鋼軌電位限制裝置監(jiān)視鋼軌與地之間的電流，當(dāng)該電流低于預(yù)定的值時，鋼軌電位限制裝置將自動復(fù)位，斷開鋼軌對地的連接。
在香港地鐵工程中，鋼軌電位限制裝置的設(shè)計主要采用了晶閘管加接觸器的技術(shù)，如圖一所示。在鋼軌對地方向和地對鋼軌方向設(shè)置兩組晶閘管，利用電壓檢測電路和觸發(fā)脈沖電路來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖和控制信號去觸發(fā)兩組晶閘管的導(dǎo)通以及控制接觸器的閉合。通過控制電路來調(diào)節(jié)預(yù)定的電壓值和相應(yīng)的延時時間。通過電流檢測電路，當(dāng)電流低于預(yù)定值時使鋼軌電位限制裝置自動復(fù)位，電流值也可以在一定范圍內(nèi)進行設(shè)置。此外，該裝置還提供了工作狀態(tài)、報警信號、操作次數(shù)等信號用來完成當(dāng)?shù)刂甘竞瓦h方顯示功能。
三、設(shè)計原理分析
由于采用了晶閘管技術(shù)，確保了當(dāng)鋼軌上出現(xiàn)高電位時，晶閘管可在極短的時間內(nèi)被觸發(fā)導(dǎo)通并能承受很大的初始故障電流，使得整個系統(tǒng)更加安全、可靠。接觸器在設(shè)計上主要考慮能承受長時間的電流而不發(fā)生過熱并能確保晶閘管可靠地斷開。
因為當(dāng)直流牽引供電系統(tǒng)中接觸導(dǎo)線對鋼軌或地短路時，會有很大的初始故障電流流過鋼軌電位限制裝置，而此時晶閘管首先被觸發(fā)導(dǎo)通來承受該電流，如何考慮晶閘管的額定值就成為鋼軌電位限制裝置設(shè)計中的關(guān)鍵問題。
考慮鋼軌電位限制裝置中地對鋼軌方向這一組晶閘管。首先根據(jù)直流牽引供電系統(tǒng)參數(shù)，計算出接觸導(dǎo)線對地短路時通過鋼軌電位限制裝置的故障電流，如圖二所示。注意到同一供電區(qū)間有相鄰兩個牽引變電所供電，曲線C1為近端牽引變電所貢獻的故障電流，曲線C2為遠端牽引變電所貢獻的故障電流，曲線S為通過鋼軌電位限制裝置的故障電流總和。
圖一 系統(tǒng)構(gòu)成
再考慮工程中所用直流斷路器分?jǐn)嗵匦裕鐖D三所示曲線。當(dāng)發(fā)生接觸導(dǎo)線對地短路時，近端直流斷路器中通過較大的短路電流，使得該斷路器首先跳閘，將再Tm時間內(nèi)機械分?jǐn)啵⒃赥tot時間內(nèi)完全熄弧從而電氣分?jǐn)唷９收想娏饔捎谥绷鲾嗦菲鞯姆謹(jǐn)喽幌拗茷門tot時間內(nèi)峰值為id的饅頭波，而不再如圖二中C1曲線所示情況。因此，在Ttot時間內(nèi)流過晶閘管回路的電流可近似為峰值id的半正弦波。
考慮最壞情況，即近端斷路器分?jǐn)嗪蟀l(fā)出聯(lián)跳信號使得遠端斷路器跳閘，此時由近端牽引變電所貢獻的故障電流已被清除，只有遠端牽引變電所貢獻的故障電流流過晶閘管回路。近似認(rèn)為端斷路器將在隨后的另外Ttot時間內(nèi)遠分?jǐn)啵瑒t該組引變電所貢獻的故障電流穩(wěn)態(tài)值的半正弦波。
因此，對于鋼軌電位限制裝置中地對鋼軌方向這一組晶閘管而言，它實際承受的故障電流近似為Ttot時間內(nèi)峰值id的半正弦波加上隨后的另外Ttot時間內(nèi)峰值為遠端牽引變電所貢獻的故障電流穩(wěn)態(tài)值的半正弦波。
圖二：接觸導(dǎo)線對地短路時通過鋼軌電位限制裝置的故障電流
對于鋼軌電位限制裝置中鋼軌對地方向這一組晶閘管，同樣可根據(jù)直流牽引供電系統(tǒng)參數(shù)，計算出接觸導(dǎo)線對鋼軌短路時流過鋼軌電位限制裝置的故障電流值。由計算結(jié)果得知，此時故障電流將主要以鋼軌作為回流通路流回牽引變電所，鋼軌電位限制裝置分流的故障電流很小。考慮到在2倍Ttot時間內(nèi)近、遠端的直流斷路器全部分?jǐn)嗲宄收想娏鳎瑒t該組晶閘管的額定值可按承受2倍Ttot時間內(nèi)峰值為故障電流峰值的半正弦波近似考慮。
由于晶閘管導(dǎo)通后承受通過鋼軌電位限制裝置中的故障電流，近、遠端的直流斷路器將在幾十毫秒內(nèi)分?jǐn)嗖⑶宄收想娏鳎佑|器的接點機械動作時間遠遠大于晶閘管的導(dǎo)通時間和斷路器的動作時間，故接觸器的接點容量設(shè)計不需要考慮承受故障電流。當(dāng)接觸器接點閉合后，鋼軌與地之間的電流將主要通過接觸器，直到該電流降至預(yù)設(shè)電流值以下時鋼軌電位限制裝置復(fù)位，接觸器接點才打開。接觸器的選擇應(yīng)考慮接點長時間承受通過電流的能力及接點的機械動作次數(shù)，可通過進行列車運行模擬計算，根據(jù)鋼軌電位水平模擬計算結(jié)果決定接觸器接點動作次數(shù)的要求。
圖三：直流斷路器分?jǐn)嗵匦郧€
四、結(jié)論
按照該原理設(shè)計的鋼軌電位限制裝置已成功地在鋼軌電位相對較高的香港機場鐵路試運行，并取得了令人 滿意的結(jié)果。
文章出處：中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會首屆中青年專家論文集
摘 要：在香港地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌對地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負極回流通路。為了保障乘客的安全，在鋼軌和地之間安裝了鋼軌電位限制裝置，當(dāng)鋼軌電位超過預(yù)定的值時，鋼軌電位限制裝置將鋼軌電位鉗制到地電位。本文根據(jù)作者在香港地鐵直流牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中的實際經(jīng)驗，對鋼軌電位限制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理進行介紹。
關(guān)鍵詞：鋼軌電位限制裝置、晶閘管
一、前言
在香港地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌對地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負極回流通路。因此，鋼軌對地有時存在高電位，而列車與鋼軌之間是等電位的，當(dāng)乘客站在站臺時，有可能通過列車車體接觸到這一高電位。特別是在站臺上安裝了站臺屏蔽門之后，由于站臺屏蔽門直接與鋼軌連接，更增加了乘客接觸鋼軌高電位的機會。為了保障乘客的安全，在鋼軌或負母排和地之間安裝了鋼軌電位限制裝置。
二、系統(tǒng)構(gòu)成及裝置特性
鋼軌電位限制裝置安裝在牽引變電所和車站內(nèi)，用來將鋼軌的電位限制在預(yù)定的范圍內(nèi)。同時，在接觸導(dǎo)線對故障電流回流線或地短路時，鋼軌電位限制裝置還可提供故障電流的回流通路，使得相應(yīng)的直流饋線斷路器可以識別故障并快速分?jǐn)嘁郧宄收稀Ｏ到y(tǒng)構(gòu)成如圖一所示。
鋼軌電位限制裝置監(jiān)視鋼軌與地之間的電壓，如果該電壓超過預(yù)定的值，鋼軌電位限制裝置動作，將鋼軌通過鋼軌電位限制裝置接地，同時，鋼軌電位限制裝置監(jiān)視鋼軌與地之間的電流，當(dāng)該電流低于預(yù)定的值時，鋼軌電位限制裝置將自動復(fù)位，斷開鋼軌對地的連接。
在香港地鐵工程中，鋼軌電位限制裝置的設(shè)計主要采用了晶閘管加接觸器的技術(shù)，如圖一所示。在鋼軌對地方向和地對鋼軌方向設(shè)置兩組晶閘管，利用電壓檢測電路和觸發(fā)脈沖電路來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖和控制信號去觸發(fā)兩組晶閘管的導(dǎo)通以及控制接觸器的閉合。通過控制電路來調(diào)節(jié)預(yù)定的電壓值和相應(yīng)的延時時間。通過電流檢測電路，當(dāng)電流低于預(yù)定值時使鋼軌電位限制裝置自動復(fù)位，電流值也可以在一定范圍內(nèi)進行設(shè)置。此外，該裝置還提供了工作狀態(tài)、報警信號、操作次數(shù)等信號用來完成當(dāng)?shù)刂甘竞瓦h方顯示功能。
三、設(shè)計原理分析
由于采用了晶閘管技術(shù)，確保了當(dāng)鋼軌上出現(xiàn)高電位時，晶閘管可在極短的時間內(nèi)被觸發(fā)導(dǎo)通并能承受很大的初始故障電流，使得整個系統(tǒng)更加安全、可靠。接觸器在設(shè)計上主要考慮能承受長時間的電流而不發(fā)生過熱并能確保晶閘管可靠地斷開。
因為當(dāng)直流牽引供電系統(tǒng)中接觸導(dǎo)線對鋼軌或地短路時，會有很大的初始故障電流流過鋼軌電位限制裝置，而此時晶閘管首先被觸發(fā)導(dǎo)通來承受該電流，如何考慮晶閘管的額定值就成為鋼軌電位限制裝置設(shè)計中的關(guān)鍵問題。
考慮鋼軌電位限制裝置中地對鋼軌方向這一組晶閘管。首先根據(jù)直流牽引供電系統(tǒng)參數(shù)，計算出接觸導(dǎo)線對地短路時通過鋼軌電位限制裝置的故障電流，如圖二所示。注意到同一供電區(qū)間有相鄰兩個牽引變電所供電，曲線C1為近端牽引變電所貢獻的故障電流，曲線C2為遠端牽引變電所貢獻的故障電流，曲線S為通過鋼軌電位限制裝置的故障電流總和。
圖一 系統(tǒng)構(gòu)成
再考慮工程中所用直流斷路器分?jǐn)嗵匦裕鐖D三所示曲線。當(dāng)發(fā)生接觸導(dǎo)線對地短路時，近端直流斷路器中通過較大的短路電流，使得該斷路器首先跳閘，將再Tm時間內(nèi)機械分?jǐn)啵⒃赥tot時間內(nèi)完全熄弧從而電氣分?jǐn)唷９收想娏饔捎谥绷鲾嗦菲鞯姆謹(jǐn)喽幌拗茷門tot時間內(nèi)峰值為id的饅頭波，而不再如圖二中C1曲線所示情況。因此，在Ttot時間內(nèi)流過晶閘管回路的電流可近似為峰值id的半正弦波。
考慮最壞情況，即近端斷路器分?jǐn)嗪蟀l(fā)出聯(lián)跳信號使得遠端斷路器跳閘，此時由近端牽引變電所貢獻的故障電流已被清除，只有遠端牽引變電所貢獻的故障電流流過晶閘管回路。近似認(rèn)為端斷路器將在隨后的另外Ttot時間內(nèi)遠分?jǐn)啵瑒t該組引變電所貢獻的故障電流穩(wěn)態(tài)值的半正弦波。
因此，對于鋼軌電位限制裝置中地對鋼軌方向這一組晶閘管而言，它實際承受的故障電流近似為Ttot時間內(nèi)峰值id的半正弦波加上隨后的另外Ttot時間內(nèi)峰值為遠端牽引變電所貢獻的故障電流穩(wěn)態(tài)值的半正弦波。
圖二：接觸導(dǎo)線對地短路時通過鋼軌電位限制裝置的故障電流
對于鋼軌電位限制裝置中鋼軌對地方向這一組晶閘管，同樣可根據(jù)直流牽引供電系統(tǒng)參數(shù)，計算出接觸導(dǎo)線對鋼軌短路時流過鋼軌電位限制裝置的故障電流值。由計算結(jié)果得知，此時故障電流將主要以鋼軌作為回流通路流回牽引變電所，鋼軌電位限制裝置分流的故障電流很小。考慮到在2倍Ttot時間內(nèi)近、遠端的直流斷路器全部分?jǐn)嗲宄收想娏鳎瑒t該組晶閘管的額定值可按承受2倍Ttot時間內(nèi)峰值為故障電流峰值的半正弦波近似考慮。
由于晶閘管導(dǎo)通后承受通過鋼軌電位限制裝置中的故障電流，近、遠端的直流斷路器將在幾十毫秒內(nèi)分?jǐn)嗖⑶宄收想娏鳎佑|器的接點機械動作時間遠遠大于晶閘管的導(dǎo)通時間和斷路器的動作時間，故接觸器的接點容量設(shè)計不需要考慮承受故障電流。當(dāng)接觸器接點閉合后，鋼軌與地之間的電流將主要通過接觸器，直到該電流降至預(yù)設(shè)電流值以下時鋼軌電位限制裝置復(fù)位，接觸器接點才打開。接觸器的選擇應(yīng)考慮接點長時間承受通過電流的能力及接點的機械動作次數(shù)，可通過進行列車運行模擬計算，根據(jù)鋼軌電位水平模擬計算結(jié)果決定接觸器接點動作次數(shù)的要求。
圖三：直流斷路器分?jǐn)嗵匦郧€
四、結(jié)論
按照該原理設(shè)計的鋼軌電位限制裝置已成功地在鋼軌電位相對較高的香港機場鐵路試運行，并取得了令人 滿意的結(jié)果。
文章出處：中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會首屆中青年專家論文集
