城市軌道交通單向?qū)ㄑb置智能消弧研究

周偉志

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

城市軌道交通單向?qū)ㄑb置智能消弧研究

周偉志

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

介紹軌道交通單向?qū)ㄑb置常用的2種消弧方式：放電間隙消弧和大功率GTO消弧。放電間隙消弧的方式存在受環(huán)境影響大，無(wú)法精確控制導(dǎo)通的缺點(diǎn)；大功率GTO消弧的方式可以精確控制導(dǎo)通，但是無(wú)法可控關(guān)斷，導(dǎo)致單向?qū)ㄑb置長(zhǎng)期反向?qū)ǎ焕陔s散電流防護(hù)。因此，提出一種可控關(guān)斷GTO智能消弧型單向?qū)ㄑb置，對(duì)其觸發(fā)導(dǎo)通、關(guān)斷過(guò)程及等效電路進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)單向?qū)ㄑb置的可控可靠關(guān)斷，避免單向?qū)ㄑb置長(zhǎng)期反向?qū)?，完善設(shè)備功能。

軌道交通；單向?qū)ㄑb置；消?。浑s散電流

1 概述

目前城市軌道交通采用直流供電方式，由牽引變電所通過(guò)接觸網(wǎng)(軌)向列車送電，走行軌回流[1-3]。由于鋼軌對(duì)地不可能完全絕緣，有部分電流泄漏至大地，對(duì)附近的鋼結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生電腐蝕。由于停車場(chǎng)、車輛段多采用有砟道床，鋼軌對(duì)地的泄漏電阻較正線整體道床更低，為了確保正線電流不經(jīng)由場(chǎng)段內(nèi)鋼軌泄漏進(jìn)入大地，通常在出入段(場(chǎng))有砟道床與整體道床的分界點(diǎn)(或出入場(chǎng)線信號(hào)機(jī))鋼軌設(shè)置絕緣節(jié)，并設(shè)置單向?qū)ㄑb置，既可確保出入段(場(chǎng))線電流可靠回流至正線牽引變電所，又能阻止正線電流流至車輛段(停車場(chǎng))，從而降低雜散電流的泄漏[4-9]。

由于單向?qū)ㄑb置的反向截止功能，絕緣節(jié)兩端鋼軌電氣上絕緣，有可能存在電壓差，當(dāng)列車駛?cè)?出)絕緣節(jié)的瞬間，列車與鋼軌接觸處的電流和電壓發(fā)生突變，容易產(chǎn)生電弧[10-11]；又或，因列車處于再生制動(dòng)工況，由于單向?qū)ㄑb置反向截止，電流無(wú)法構(gòu)成回路，受電弓電壓和鋼軌電壓迅速抬高。一方面，從絕緣節(jié)一側(cè)鋼軌泄漏再返回至絕緣節(jié)另一側(cè)鋼軌，增加了雜散電流的泄漏；另一方面，極有可能導(dǎo)致絕緣節(jié)兩端電壓差升高產(chǎn)生電弧，造成鋼軌的灼燒損害，甚至人員觸電傷害。為了保證任何情況下絕緣節(jié)不產(chǎn)生電弧，則需要檢測(cè)絕緣節(jié)兩端鋼軌電位差或列車行駛位置，適時(shí)反向?qū)▎蜗驅(qū)ㄑb置，達(dá)到消弧的功效。

本文介紹了幾種常規(guī)單向?qū)ㄑb置的消弧方式，并提出了一種可控關(guān)斷GTO智能消弧型單向?qū)ㄑb置，可按既定的條件進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通和反向關(guān)斷。

2 常規(guī)單向?qū)ㄑb置消弧方式

為了消除列車駛?cè)?出)絕緣節(jié)時(shí)的電弧現(xiàn)象，應(yīng)該消除絕緣絕兩端鋼軌的電壓差，使其低于起弧的電壓。目前我國(guó)單向?qū)ㄑb置的消弧方式主要有如下2種。

2.1 采用放電間隙消弧

該方案工作原理：調(diào)節(jié)放電間隙，使得放電間隙滿足一定電壓時(shí)才能導(dǎo)通。如圖1所示。

圖1 采用放電間隙消弧

單向?qū)ㄑb置正常工作時(shí)，D0～D6二極管導(dǎo)通，放電間隙處于截止?fàn)顟B(tài)。列車通過(guò)絕緣節(jié)時(shí)兩端電壓高于起弧電壓，或列車再生制動(dòng)使得單向?qū)ǘO管承受一定的反向電壓，使得絕緣節(jié)產(chǎn)生電弧時(shí)，放電間隙擊穿放電，將絕緣節(jié)兩端過(guò)電壓消除。

該消弧方案原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是放電間隙受環(huán)境影響比較大，由于溫度、濕度等環(huán)境的影響，往往導(dǎo)致間隙擊穿電壓波動(dòng)范圍比較大，無(wú)法滿足單向?qū)ㄑb置消弧電壓的精細(xì)度要求。

2.2 采用大功率GTO消弧

GTO消弧裝置的主回路主要由可控硅組成，可控硅支路串有快速熔斷器和分流器，整個(gè)消弧裝置的主回路與單向?qū)ㄑb置的主回路并聯(lián)在一起[12]。

其工作原理：通過(guò)智能控制器調(diào)節(jié)GTO觸發(fā)電壓，使得GTO滿足一定電壓時(shí)才能導(dǎo)通。單向?qū)ㄑb置正常工作時(shí)，D0～D6二極管導(dǎo)通，GTO處于截止?fàn)顟B(tài)；智能控制器檢測(cè)檢測(cè)到列車將要通過(guò)絕緣節(jié)或者列車絕緣節(jié)兩端的反向電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則觸發(fā)GTO導(dǎo)通，將絕緣節(jié)兩端電壓差消除，達(dá)到消弧目的。如圖2所示。

圖2 采用GTO消弧

該方案可以較好地消除電弧，在國(guó)內(nèi)較多工程中應(yīng)用。但是，GTO觸發(fā)導(dǎo)通后，需要施加反向電壓和反向電流才能可靠關(guān)斷，這個(gè)條件在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)中很難得到滿足。因?yàn)榻^緣節(jié)兩端鋼軌的電壓差是一個(gè)浮動(dòng)數(shù)值，在GTO觸發(fā)導(dǎo)通后，絕緣節(jié)兩端的電壓若未出現(xiàn)反向的電壓，那么GTO則長(zhǎng)期處于導(dǎo)通狀態(tài)，單向?qū)ㄑb置則失去它固有的單向?qū)üδ?，正線電流通過(guò)單向?qū)ㄑb置流入車輛段、停車場(chǎng)，并泄漏大地。

3 可控關(guān)斷GTO智能消弧型單向?qū)ㄑb置

為了解決GTO導(dǎo)通后，絕緣節(jié)兩端鋼軌電壓差不能提供準(zhǔn)確的反向電壓，造成GTO無(wú)法可靠關(guān)斷的問(wèn)題?，F(xiàn)提出一種GTO可靠關(guān)斷的解決方案，研發(fā)出了可控關(guān)斷GTO智能消弧型單向?qū)ㄑb置?？煽仃P(guān)斷GTO智能消弧型單向?qū)ㄑb置在傳統(tǒng)GTO電路基礎(chǔ)上，增加了可控硅GTO關(guān)斷電路，如圖3所示。主要工作原理如下。

圖3 采用可關(guān)斷晶閘管智能消弧電路

3.1 GTO的觸發(fā)導(dǎo)通

以絕緣節(jié)兩端電壓差或采用機(jī)車傳感器檢測(cè)機(jī)車過(guò)絕緣節(jié)信息為依據(jù)，為GTO觸發(fā)提供觸發(fā)信號(hào)，滿足觸發(fā)條件時(shí)控制器發(fā)出T1的觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，并產(chǎn)生一定的延時(shí)保持觸發(fā)信號(hào)，使T1可靠觸發(fā)導(dǎo)通。該延時(shí)要保證機(jī)車完全通過(guò)絕緣節(jié)。

T1觸發(fā)可靠導(dǎo)通后，防止了絕緣節(jié)兩端起弧打火。

3.2 GTO的關(guān)斷

正常運(yùn)行時(shí)，電容C1由柜體電源AC 220V交流電壓進(jìn)行充電。由于二極管Dc作用，在晶閘管T2觸發(fā)導(dǎo)通前，C1兩端電壓Vc1始終保持為0.4 kV；T2觸發(fā)導(dǎo)通后，電容C1經(jīng)T2、T1、電感L1進(jìn)行放電。根據(jù)LC振蕩電路原理，在C1第一個(gè)周期放電完成后，將對(duì)C1進(jìn)行反向充電，C1反向充電完成后，又一次經(jīng)電感L1、T1、T2進(jìn)行反方向放電，該放電過(guò)程將在T1、T2晶閘管內(nèi)流過(guò)反向電流，只要合理計(jì)算L、C元件的參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)T1、T2晶閘管的可靠關(guān)斷。

3.3 關(guān)斷過(guò)渡過(guò)程及等效電路分析

上述電路可簡(jiǎn)化等效為如圖4所示。為電容C充電的電源等效為電壓源UC，二極管正向?qū)ǖ刃殡娮鑂d和理想二極管D。根據(jù)二階電路全響應(yīng)，可有基爾霍夫KCL，KVL定律方程如下。

由KVL定律：得有Vc1組成的方程如下

(1)

解上述二階電路方程，得：

特征方程

(2)

特征根

(3)

式中，R為電路等效電阻，由線路阻抗和晶閘管正向?qū)ㄗ杩菇M成，在T1，T2正向?qū)〞r(shí)，等效電阻R很小，可認(rèn)為R=0。

在T1、T2反向截止時(shí)，該電阻值較大，為非線性變化，在電路分析時(shí)，可假定為Rt2=10 Ω(即，使T2截止，電流通過(guò)Ct2，Rt2元件放電)；L為電感，10 mH；C為電容，1 mF。

3.3.1 正向放電過(guò)程分析

(4)

(5)

從式(4)、式(5)可看出，在第一個(gè)半周期內(nèi)，電容C1經(jīng)過(guò)T2，T1，等效電阻R，電感L進(jìn)行放電，并對(duì)電容進(jìn)行反向充電的方程式。待電容C1反向充電電壓達(dá)到最大時(shí)，此時(shí)線路中電流iL1=0，其等效電路見(jiàn)圖4。由于等效電阻R可忽略不計(jì)，該過(guò)程等效為震蕩放電過(guò)程。

圖4 斷晶閘關(guān)斷電路起始放電等效電路

3.3.2 反向放電(晶閘管關(guān)斷)過(guò)程分析

電容C1反向電壓充到最大值時(shí)，開(kāi)始反向放電，最開(kāi)始反向放電電流經(jīng)過(guò)T1，T2反向流通，使T1，T2迅速關(guān)斷。T1關(guān)斷后電流將通過(guò)等效二極管D繼續(xù)反向放電，使T1繼續(xù)保持反向電壓，保持T1可靠關(guān)斷；T2關(guān)斷后，反向放電電流通過(guò)T2的阻容回路流通，使T2保持反向電壓，可靠關(guān)斷。圖5、圖6等效電路圖表示晶閘管T1關(guān)斷過(guò)程中，電路參數(shù)和放電電流路徑的變化示意。

圖5 晶閘管關(guān)斷電路反向放電電路(虛線表示晶閘管關(guān)斷前反向放電電流路徑)

圖6 晶閘管關(guān)斷電路反向放電電路(虛線表示晶閘管關(guān)斷后反向放電電流路徑)

其解答形式為UC=A1eP1t+A2eP2t

計(jì)算出P1=-112.5，P2=-887.5，A1=355，A2=-45

(6)

(7)

由上述放電過(guò)程方程式(式(6)、式(7))可看出，t=0時(shí)，i=0；t=∞時(shí)，i=0，i始終為正，即始終保持T1，T2晶閘管反向截止，保持可靠關(guān)斷，只要能保證過(guò)阻尼衰減放電時(shí)間大于T1，T2兩個(gè)最大的要求可靠關(guān)斷時(shí)間，就能保證T1，T2的可靠關(guān)斷。

因此，當(dāng)PLC檢測(cè)到結(jié)緣節(jié)兩端電壓達(dá)到一定值時(shí)，輸出觸發(fā)信號(hào)，使得T1導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管回路電流值降到一定值時(shí)，輸出T2觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，關(guān)斷T1。

4 結(jié)論

本文介紹了3種單向?qū)ㄑb置的消弧方式，重點(diǎn)對(duì)可控關(guān)斷GTO智能消弧型單向?qū)ㄑb置的觸發(fā)和關(guān)斷原理和過(guò)程進(jìn)行了分析，通過(guò)計(jì)算證明其GTO可靠關(guān)斷可行。該方案既可避免因絕緣節(jié)兩端鋼軌電壓差導(dǎo)致的電弧現(xiàn)象，又能可靠反向關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)單向?qū)üδ堋?/p>

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Research of Intelligent Arc-suppression of Urban Transit Unilateral Connecting Device

ZHOU Wei-zhi

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

This paper introduces two kinds of arc suppression methods used in track unilateral connecting device: the discharge gap and GTO. The discharge gap arc suppression is influenced by the environment and cannot be controlled precisely， while GTO arc suppression can control breakover， but cannot control shutdown， which results in permanent reverse connection of unilateral connecting device and in poor protection of stray current. By analyzing process and equivalent circuit， a new intelligent arc-suppression device is proposed to fulfill shutdown control of unilateral connecting device and prevention of permanent reverse connection.

Track transit; Unilateral connecting device; Electric arc suppression; Stray current

2015-03-03；

2015-03-26

周偉志(1979—)，男，高級(jí)工程師，2004年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：1059647244@qq.com。

1004-2954(2015)09-0149-03

U231+.8

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.033