香港地鐵直流牽引供電系統鋼軌電位限制裝置的設計
摘 要：在香港地鐵直流牽引供電系統中，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，當鋼軌電位超過預定的值時，鋼軌電位限制裝置將鋼軌電位鉗制到地電位。本文根據作者在香港地鐵直流牽引供電系統設計中的實際經驗，對鋼軌電位限制裝置的系統結構和設計原理進行介紹。
關鍵詞：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、系統構成及裝置特性
鋼軌電位限制裝置安裝在牽引變電所和車站內，用來將鋼軌的電位限制在預定的范圍內。同時，在接觸導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，使得相應的直流饋線斷路器可以識別故障并快速分斷以清除故障。系統構成如圖一所示。
鋼軌電位限制裝置監視鋼軌與地之間的電壓，如果該電壓超過預定的值，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視鋼軌與地之間的電流，當該電流低于預定的值時，鋼軌電位限制裝置將自動復位，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計主要采用了晶閘管加接觸器的技術，如圖一所示。在鋼軌對地方向和地對鋼軌方向設置兩組晶閘管，利用電壓檢測電路和觸發脈沖電路來產生觸發脈沖和控制信號去觸發兩組晶閘管的導通以及控制接觸器的閉合。通過控制電路來調節預定的電壓值和相應的延時時間。通過電流檢測電路，當電流低于預定值時使鋼軌電位限制裝置自動復位，電流值也可以在一定范圍內進行設置。此外，該裝置還提供了工作狀態、報警信號、操作次數等信號用來完成當地指示和遠方顯示功能。
三、設計原理分析
由于采用了晶閘管技術，確保了當鋼軌上出現高電位時，晶閘管可在極短的時間內被觸發導通并能承受很大的初始故障電流，使得整個系統更加安全、可靠。接觸器在設計上主要考慮能承受長時間的電流而不發生過熱并能確保晶閘管可靠地斷開。
因為當直流牽引供電系統中接觸導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導通來承受該電流，如何考慮晶閘管的額定值就成為鋼軌電位限制裝置設計中的關鍵問題。
考慮鋼軌電位限制裝置中地對鋼軌方向這一組晶閘管。首先根據直流牽引供電系統參數，計算出接觸導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 系統構成
再考慮工程中所用直流斷路器分斷特性，如圖三所示曲線。當發生接觸導線對地短路時，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時間內機械分斷，并在Ttot時間內完全熄弧從而電氣分斷。故障電流由于直流斷路器的分斷而被限制為Ttot時間內峰值為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，即近端斷路器分斷后發出聯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。近似認為端斷路器將在隨后的另外Ttot時間內遠分斷，則該組引變電所貢獻的故障電流穩態值的半正弦波。
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時間內峰值id的半正弦波加上隨后的另外Ttot時間內峰值為遠端牽引變電所貢獻的故障電流穩態值的半正弦波。
圖二：接觸導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，同樣可根據直流牽引供電系統參數，計算出接觸導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時間內近、遠端的直流斷路器全部分斷清除故障電流，則該組晶閘管的額定值可按承受2倍Ttot時間內峰值為故障電流峰值的半正弦波近似考慮。
由于晶閘管導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分斷并清除故障電流，而接觸器的接點機械動作時間遠遠大于晶閘管的導通時間和斷路器的動作時間，故接觸器的接點容量設計不需要考慮承受故障電流。當接觸器接點閉合后，鋼軌與地之間的電流將主要通過接觸器，直到該電流降至預設電流值以下時鋼軌電位限制裝置復位，接觸器接點才打開。接觸器的選擇應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，可通過進行列車運行模擬計算，根據鋼軌電位水平模擬計算結果決定接觸器接點動作次數的要求。
圖三：直流斷路器分斷特性曲線
四、結論
按照該原理設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 滿意的結果。
文章出處：中國交通運輸協會城市軌道交通專業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，當鋼軌電位超過預定的值時，鋼軌電位限制裝置將鋼軌電位鉗制到地電位。本文根據作者在香港地鐵直流牽引供電系統設計中的實際經驗，對鋼軌電位限制裝置的系統結構和設計原理進行介紹。
關鍵詞：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、系統構成及裝置特性
鋼軌電位限制裝置安裝在牽引變電所和車站內，用來將鋼軌的電位限制在預定的范圍內。同時，在接觸導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，使得相應的直流饋線斷路器可以識別故障并快速分斷以清除故障。系統構成如圖一所示。
鋼軌電位限制裝置監視鋼軌與地之間的電壓，如果該電壓超過預定的值，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視鋼軌與地之間的電流，當該電流低于預定的值時，鋼軌電位限制裝置將自動復位，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計主要采用了晶閘管加接觸器的技術，如圖一所示。在鋼軌對地方向和地對鋼軌方向設置兩組晶閘管，利用電壓檢測電路和觸發脈沖電路來產生觸發脈沖和控制信號去觸發兩組晶閘管的導通以及控制接觸器的閉合。通過控制電路來調節預定的電壓值和相應的延時時間。通過電流檢測電路，當電流低于預定值時使鋼軌電位限制裝置自動復位，電流值也可以在一定范圍內進行設置。此外，該裝置還提供了工作狀態、報警信號、操作次數等信號用來完成當地指示和遠方顯示功能。
三、設計原理分析
由于采用了晶閘管技術，確保了當鋼軌上出現高電位時，晶閘管可在極短的時間內被觸發導通并能承受很大的初始故障電流，使得整個系統更加安全、可靠。接觸器在設計上主要考慮能承受長時間的電流而不發生過熱并能確保晶閘管可靠地斷開。
因為當直流牽引供電系統中接觸導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導通來承受該電流，如何考慮晶閘管的額定值就成為鋼軌電位限制裝置設計中的關鍵問題。
考慮鋼軌電位限制裝置中地對鋼軌方向這一組晶閘管。首先根據直流牽引供電系統參數，計算出接觸導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 系統構成
再考慮工程中所用直流斷路器分斷特性，如圖三所示曲線。當發生接觸導線對地短路時，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時間內機械分斷，并在Ttot時間內完全熄弧從而電氣分斷。故障電流由于直流斷路器的分斷而被限制為Ttot時間內峰值為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，即近端斷路器分斷后發出聯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。近似認為端斷路器將在隨后的另外Ttot時間內遠分斷，則該組引變電所貢獻的故障電流穩態值的半正弦波。
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時間內峰值id的半正弦波加上隨后的另外Ttot時間內峰值為遠端牽引變電所貢獻的故障電流穩態值的半正弦波。
圖二：接觸導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，同樣可根據直流牽引供電系統參數，計算出接觸導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時間內近、遠端的直流斷路器全部分斷清除故障電流，則該組晶閘管的額定值可按承受2倍Ttot時間內峰值為故障電流峰值的半正弦波近似考慮。
由于晶閘管導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分斷并清除故障電流，而接觸器的接點機械動作時間遠遠大于晶閘管的導通時間和斷路器的動作時間，故接觸器的接點容量設計不需要考慮承受故障電流。當接觸器接點閉合后，鋼軌與地之間的電流將主要通過接觸器，直到該電流降至預設電流值以下時鋼軌電位限制裝置復位，接觸器接點才打開。接觸器的選擇應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，可通過進行列車運行模擬計算，根據鋼軌電位水平模擬計算結果決定接觸器接點動作次數的要求。
圖三：直流斷路器分斷特性曲線
四、結論
按照該原理設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 滿意的結果。
文章出處：中國交通運輸協會城市軌道交通專業委員會首屆中青年專家論文集
