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(jì)
摘 要：在香港地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌對(duì)地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負(fù)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(guò)預(yù)定的值時(shí)，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(jì)中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼軌電位限制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理進(jìn)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(duì)地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負(fù)極回流通路。因此，鋼軌對(duì)地有時(shí)存在高電位，而列車(chē)與鋼軌之間是等電位的，當(dāng)乘客站在站臺(tái)時(shí)，有可能通過(guò)列車(chē)車(chē)體接觸到這一高電位。特別是在站臺(tái)上安裝了站臺(tái)屏蔽門(mén)之后，由于站臺(tái)屏蔽門(mén)直接與鋼軌連接，更增加了乘客接觸鋼軌高電位的機(jī)會(huì)。為了保障乘客的安全，在鋼軌或負(fù)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(chē)站內(nèi)，用來(lái)將鋼軌的電位限制在預(yù)定的范圍內(nèi)。同時(shí)，在接觸導(dǎo)線對(duì)故障電流回流線或地短路時(shí)，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(shí)別故障并快速分?jǐn)嘁郧宄收?。系統(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(guò)預(yù)定的值，鋼軌電位限制裝置動(dòng)作，將鋼軌通過(guò)鋼軌電位限制裝置接地，同時(shí)，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(shí)，鋼軌電位限制裝置將自動(dòng)復(fù)位，斷開(kāi)鋼軌對(duì)地的連接。
在香港地鐵工程中，鋼軌電位限制裝置的設(shè)計(jì)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(duì)地方向和地對(duì)鋼軌方向設(shè)置兩組晶閘管，利用電壓檢測(cè)電路和觸發(fā)脈沖電路來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖和控制信號(hào)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(guò)控制電路來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)定的電壓值和相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間。通過(guò)電流檢測(cè)電路，當(dāng)電流低于預(yù)定值時(shí)使鋼軌電位限制裝置自動(dòng)復(fù)位，電流值也可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。此外，該裝置還提供了工作狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)、操作次數(shù)等信號(hào)用來(lái)完成當(dāng)?shù)刂甘竞瓦h(yuǎn)方顯示功能。
三、設(shè)計(jì)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(shí)，晶閘管可在極短的時(shí)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(gè)系統(tǒng)更加安全、可靠。接觸器在設(shè)計(jì)上主要考慮能承受長(zhǎng)時(shí)間的電流而不發(fā)生過(guò)熱并能確保晶閘管可靠地?cái)嚅_(kāi)。
因?yàn)楫?dāng)直流牽引供電系統(tǒng)中接觸導(dǎo)線對(duì)鋼軌或地短路時(shí)，會(huì)有很大的初始故障電流流過(guò)鋼軌電位限制裝置，而此時(shí)晶閘管首先被觸發(fā)導(dǎo)通來(lái)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(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。
考慮鋼軌電位限制裝置中地對(duì)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(jì)算出接觸導(dǎo)線對(duì)地短路時(shí)通過(guò)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(gè)牽引變電所供電，曲線C1為近端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流，曲線C2為遠(yuǎn)端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流，曲線S為通過(guò)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?，如圖三所示曲線。當(dāng)發(fā)生接觸導(dǎo)線對(duì)地短路時(shí)，近端直流斷路器中通過(guò)較大的短路電流，使得該斷路器首先跳閘，將再Tm時(shí)間內(nèi)機(jī)械分?jǐn)啵⒃赥tot時(shí)間內(nèi)完全熄弧從而電氣分?jǐn)?。故障電流由于直流斷路器的分?jǐn)喽幌拗茷門(mén)tot時(shí)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(shí)間內(nèi)流過(guò)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(hào)使得遠(yuǎn)端斷路器跳閘，此時(shí)由近端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流已被清除，只有遠(yuǎn)端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流流過(guò)晶閘管回路。近似認(rèn)為端斷路器將在隨后的另外Ttot時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)分?jǐn)?，則該組引變電所貢獻(xiàn)的故障電流穩(wěn)態(tài)值的半正弦波。
因此，對(duì)于鋼軌電位限制裝置中地對(duì)鋼軌方向這一組晶閘管而言，它實(shí)際承受的故障電流近似為T(mén)tot時(shí)間內(nèi)峰值id的半正弦波加上隨后的另外Ttot時(shí)間內(nèi)峰值為遠(yuǎn)端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流穩(wěn)態(tài)值的半正弦波。
圖二：接觸導(dǎo)線對(duì)地短路時(shí)通過(guò)鋼軌電位限制裝置的故障電流
對(duì)于鋼軌電位限制裝置中鋼軌對(duì)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(jì)算出接觸導(dǎo)線對(duì)鋼軌短路時(shí)流過(guò)鋼軌電位限制裝置的故障電流值。由計(jì)算結(jié)果得知，此時(shí)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(shí)間內(nèi)近、遠(yuǎn)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(shí)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(guò)鋼軌電位限制裝置中的故障電流，近、遠(yuǎn)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(diǎn)機(jī)械動(dòng)作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間和斷路器的動(dòng)作時(shí)間，故接觸器的接點(diǎn)容量設(shè)計(jì)不需要考慮承受故障電流。當(dāng)接觸器接點(diǎn)閉合后，鋼軌與地之間的電流將主要通過(guò)接觸器，直到該電流降至預(yù)設(shè)電流值以下時(shí)鋼軌電位限制裝置復(fù)位，接觸器接點(diǎn)才打開(kāi)。接觸器的選擇應(yīng)考慮接點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間承受通過(guò)電流的能力及接點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作次數(shù)，可通過(guò)進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行模擬計(jì)算，根據(jù)鋼軌電位水平模擬計(jì)算結(jié)果決定接觸器接點(diǎn)動(dòng)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(jì)的鋼軌電位限制裝置已成功地在鋼軌電位相對(duì)較高的香港機(jī)場(chǎng)鐵路試運(yùn)行，并取得了令人 滿意的結(jié)果。
文章出處：中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì)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(duì)地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負(fù)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(guò)預(yù)定的值時(shí)，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(jì)中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼軌電位限制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理進(jìn)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(duì)地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負(fù)極回流通路。因此，鋼軌對(duì)地有時(shí)存在高電位，而列車(chē)與鋼軌之間是等電位的，當(dāng)乘客站在站臺(tái)時(shí)，有可能通過(guò)列車(chē)車(chē)體接觸到這一高電位。特別是在站臺(tái)上安裝了站臺(tái)屏蔽門(mén)之后，由于站臺(tái)屏蔽門(mén)直接與鋼軌連接，更增加了乘客接觸鋼軌高電位的機(jī)會(huì)。為了保障乘客的安全，在鋼軌或負(fù)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(chē)站內(nèi)，用來(lái)將鋼軌的電位限制在預(yù)定的范圍內(nèi)。同時(shí)，在接觸導(dǎo)線對(duì)故障電流回流線或地短路時(shí)，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(shí)別故障并快速分?jǐn)嘁郧宄收?。系統(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(guò)預(yù)定的值，鋼軌電位限制裝置動(dòng)作，將鋼軌通過(guò)鋼軌電位限制裝置接地，同時(shí)，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(shí)，鋼軌電位限制裝置將自動(dòng)復(fù)位，斷開(kāi)鋼軌對(duì)地的連接。
在香港地鐵工程中，鋼軌電位限制裝置的設(shè)計(jì)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(duì)地方向和地對(duì)鋼軌方向設(shè)置兩組晶閘管，利用電壓檢測(cè)電路和觸發(fā)脈沖電路來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖和控制信號(hào)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(guò)控制電路來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)定的電壓值和相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間。通過(guò)電流檢測(cè)電路，當(dāng)電流低于預(yù)定值時(shí)使鋼軌電位限制裝置自動(dòng)復(fù)位，電流值也可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。此外，該裝置還提供了工作狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)、操作次數(shù)等信號(hào)用來(lái)完成當(dāng)?shù)刂甘竞瓦h(yuǎn)方顯示功能。
三、設(shè)計(jì)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(shí)，晶閘管可在極短的時(shí)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(gè)系統(tǒng)更加安全、可靠。接觸器在設(shè)計(jì)上主要考慮能承受長(zhǎng)時(shí)間的電流而不發(fā)生過(guò)熱并能確保晶閘管可靠地?cái)嚅_(kāi)。
因?yàn)楫?dāng)直流牽引供電系統(tǒng)中接觸導(dǎo)線對(duì)鋼軌或地短路時(shí)，會(huì)有很大的初始故障電流流過(guò)鋼軌電位限制裝置，而此時(shí)晶閘管首先被觸發(fā)導(dǎo)通來(lái)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(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。
考慮鋼軌電位限制裝置中地對(duì)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(jì)算出接觸導(dǎo)線對(duì)地短路時(shí)通過(guò)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(gè)牽引變電所供電，曲線C1為近端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流，曲線C2為遠(yuǎn)端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流，曲線S為通過(guò)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?，如圖三所示曲線。當(dāng)發(fā)生接觸導(dǎo)線對(duì)地短路時(shí)，近端直流斷路器中通過(guò)較大的短路電流，使得該斷路器首先跳閘，將再Tm時(shí)間內(nèi)機(jī)械分?jǐn)啵⒃赥tot時(shí)間內(nèi)完全熄弧從而電氣分?jǐn)?。故障電流由于直流斷路器的分?jǐn)喽幌拗茷門(mén)tot時(shí)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(shí)間內(nèi)流過(guò)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(hào)使得遠(yuǎn)端斷路器跳閘，此時(shí)由近端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流已被清除，只有遠(yuǎn)端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流流過(guò)晶閘管回路。近似認(rèn)為端斷路器將在隨后的另外Ttot時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)分?jǐn)?，則該組引變電所貢獻(xiàn)的故障電流穩(wěn)態(tài)值的半正弦波。
因此，對(duì)于鋼軌電位限制裝置中地對(duì)鋼軌方向這一組晶閘管而言，它實(shí)際承受的故障電流近似為T(mén)tot時(shí)間內(nèi)峰值id的半正弦波加上隨后的另外Ttot時(shí)間內(nèi)峰值為遠(yuǎn)端牽引變電所貢獻(xiàn)的故障電流穩(wěn)態(tài)值的半正弦波。
圖二：接觸導(dǎo)線對(duì)地短路時(shí)通過(guò)鋼軌電位限制裝置的故障電流
對(duì)于鋼軌電位限制裝置中鋼軌對(duì)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(jì)算出接觸導(dǎo)線對(duì)鋼軌短路時(shí)流過(guò)鋼軌電位限制裝置的故障電流值。由計(jì)算結(jié)果得知，此時(shí)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(shí)間內(nèi)近、遠(yuǎn)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(shí)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(guò)鋼軌電位限制裝置中的故障電流，近、遠(yuǎn)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(diǎn)機(jī)械動(dòng)作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間和斷路器的動(dòng)作時(shí)間，故接觸器的接點(diǎn)容量設(shè)計(jì)不需要考慮承受故障電流。當(dāng)接觸器接點(diǎn)閉合后，鋼軌與地之間的電流將主要通過(guò)接觸器，直到該電流降至預(yù)設(shè)電流值以下時(shí)鋼軌電位限制裝置復(fù)位，接觸器接點(diǎn)才打開(kāi)。接觸器的選擇應(yīng)考慮接點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間承受通過(guò)電流的能力及接點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作次數(shù)，可通過(guò)進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行模擬計(jì)算，根據(jù)鋼軌電位水平模擬計(jì)算結(jié)果決定接觸器接點(diǎn)動(dòng)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(jì)的鋼軌電位限制裝置已成功地在鋼軌電位相對(duì)較高的香港機(jī)場(chǎng)鐵路試運(yùn)行，并取得了令人 滿意的結(jié)果。
文章出處：中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì)首屆中青年專家論文集
