淺談一款新型地鐵排流柜的設計

西安市地下鐵道有限責任公司 路春蓮

1.雜散電流的概念

在世界各地的地鐵中，普遍采用直流電作為地鐵車輛的電源，且大多數采用走行鋼軌作為牽引電流的回流通道。隨著地鐵運行時間的延長，車輛與鋼軌之間摩擦產生的金屬粉塵在地下潮濕環境的作用下，使鋼軌與大地之間的絕緣電阻不斷減小，致使一部分牽引回流電流流向大地形成雜散電流（也稱“迷流”）。雜散電流在流經地下金屬結構時會產生電化學腐蝕，尤其對地鐵沿線的輸油管道、煤氣管道、自來水管道及沿線建筑物結構鋼等危害極大。[1]

目前對雜散電流的防護一般采取“以防為主、以排為輔”的防護措施。“以防為主”，即首先應從源頭著手，盡量減少雜散電流泄露，這要求設置合理的牽引供電系統并加強走行軌對地絕緣，在軌道與軌枕之間進行絕緣，即在軌道與混凝土之間、扣件與混凝土軌枕之間采取絕緣措施，以減少鋼軌的泄漏電流；同時要加強可能被腐蝕的管道、結構鋼筋等的腐蝕防護，這樣做在地鐵運行初期可收到良好的效果。所謂“排”即是排流法，在道床內鋪設鋼筋網并進行電氣連接，使之構成道床鋼筋收集網。新建地鐵大都將各段道床的結構鋼筋焊成一個電氣整體，稱之為道床排流網（主排流網），把隧道壁的結構鋼筋焊結成電氣整體，稱側壁排流網（輔助排流網），并將各段排流網通過電纜相連，使道床和側壁內形成低電阻雜散電流通道，[2]使該電流通過排流柜裝置回流至牽引變電所整流器負極，避免泄漏到地下造成危害。

2.地鐵排流柜簡介

排流柜是組成地鐵雜散電流腐蝕防護系統的一個重要的設備，通常安裝在牽引變電所內，電氣連接于排流網與負極柜之間。排流網收集的雜散電流通過排流柜的極性排流，使其回到整流器負極，防止從鋼軌泄露到排流網的雜散電流進一步擴散，造成更大范圍的危害。將泄露的雜散電流通過二極管單向回流至直流供電系統的整流器負極。從而實現對地鐵本身以及沿線建筑物、管道等金屬結構的有效保護。該設備也可應用于其他直流供電領域，可有效防止直流電流外泄造成的電化學腐蝕的危害。

一般地下牽引變電所設置的排流柜包括四個排流支路和一個接地支路，四個排流支路包括上、下行道床排流支路和上、下行側壁排流支路。四個排流支路的輸入端分別與上、下行道床排流網引出端子和上、下行側壁排流網引出端子連接，接地支路輸入端與變電所綜合接地端子連接，各支路雜散電流通過各支路設置的整流二極管進行極性排流，在排流柜內各支路雜散電流匯集到一個匯流母排上，再通過電纜將匯流母排與負極柜連接，使雜散電流最終回到整流器負極。除整流二極管外，排流柜內主回路一般還包括直流快速熔斷器、支路投切開關、限流電阻箱、壓敏電阻，二次回路一般包括檢測電流用到的霍爾電流傳感器或分流器，檢測電壓用到的電壓傳感器或電壓變送器，具有數據處理、故障診斷和通信功能的智能控制器及面板表計、指示燈和控制按鈕等。

3.排流柜的分類

3.1 手動型排流柜

采用負荷開關作為投切排流回路的開關，在需要投切回路時需人為現場操作，不具備排流電流進行實時控制功能。

3.2 電動型排流柜

采用接觸器或帶電動操作機構的斷路器作為控制部件，可實現遠程控制操作，與手動負荷開關型相比，減少了人為現場的操作，但同樣不具備排流電流的實時控制功能。

3.3 IGBT開關量控制型排流柜

采用新型電力電子器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)作為排流柜投切的開關，達到了快速的投切的效果，也可實現遠動控制，但控制方式只局限在簡單的分合，與電動型排流柜在控制方式上沒有本質的區別。

3.4 IGBT斬波調阻型排流柜

以上三種型式的排流柜中一般都設置一套或兩套可變限流電阻，該電阻串聯在排流回路中，根據回路中電流的大小人為換擋，調整得到不同的回路電阻值，從而達到控制排流電流的目的，其缺陷是：該可調限流電阻阻值的改變是依靠手動進行的，即在地鐵運行中，根據雜散電流的泄露程度，手動改變可變限流電阻接入排流網的阻值，因該可變限流電阻接入排流網阻值的改變并非自動進行，其排流達不到理想的效果。

為了徹底解決現有的地鐵雜散電流排流裝置不能及時、有效地排流，缺乏實時性的缺陷，筆者設計了一款基于IGBT斬波調阻型的新型排流柜，將IGBT與一個固定的限流電阻進行并聯，通過控制IGBT的導通占空比，實現并聯等效電阻從0至全電阻投入，從而實現回路排流電流控制的目的，再結合運行經驗，運用合理的控制方式，使排流柜實現回路電阻的無級控制，達到理想的排流效果。

IGBT斬波型排流柜與IGBT開關量控制型排流柜從主回路構成上與IGBT開關量控制性排流柜差別不大，主要區別在于開關量控制型只有兩個狀態，投入或不投入，而斬波型的控制方式是一個閉環控制，根據雜散電流的腐蝕情況自動控制，根據檢測到腐蝕的程度，實時控制排流回路的回路電阻，從而使排流效果達到一個比較理想的狀態。

4.新型排流柜的設計

4.1 智能控制器的設計

圖1 排流回路電氣原理圖

智能控制器作為新型排流柜的大腦，主要完成各種電參數的信號采集、控制脈沖生成、脈沖信號的驅動放大等主要功能。控制器運用多種電子器件完成數據采集、運算及控制，實現排流的閉環控制。控制器選用16位單片機Intel80C196KC，該器件自帶10位A/D轉換電路，和兩路PWM脈沖發生器，對于本裝置來說，既可以減少外擴A/D轉換電路帶來硬件成本投入，又提高了控制裝置的可靠性。

如圖1所示，控制器根據電壓傳感器SV采集的排流網對整流器負極的電壓，編程實現PWM控制脈沖的生成。根據運行經驗，該運行方式中的參考電壓差與國標規定的“結構鋼極化電位大于0.5V即造成腐蝕”[3]存在約10倍的關系，即當排流網與整流器負極電壓差大于5伏時即造成腐蝕。微控制器CPU根據該電壓值與預先設定參考電壓5V之間的大小關系，計算出所IGBT的占空比，并根據微控制器CPU內的脈沖生成程序發出控制脈沖，通過專用IGBT功率驅動器件厚膜驅動模塊M57962L進行脈沖放大，[5]驅動IGBT進行高速導通或關斷，使IGBT作為進行高速直流斬波，從而改變限流電阻R2的阻值，繼而改變回路的電阻值。

該裝置還通過微控制器CPU中的通信程序，利用RS-485通訊電路可將各支路電流、電壓、排流支路絕緣柵雙極型晶體管IGBT觸發脈沖的占空比、匯流母線上的總電流，快速熔斷器的熔斷信息等各類數據信號實時傳輸給上位機系統，如雜散電流監測裝置或電力監控系統，原理圖如圖1所示。

4.2 主電路的設計

如圖1所示，排流回路主電路沿電流回流方向依次為整流二極管VD、固定阻值限流電阻R1、斬波電阻R2、絕緣柵雙極晶體管IGBT、電流傳感器SC、直流快速熔斷器FU和負荷開關QL，在回路兩端設置壓敏電阻RV和電壓傳感器SV。整流二極管VD保證雜散電流單方向流動，即雜散電流只能由排流網流向變電所整流器負極；固定限流電阻R1用于IGBT全導通時回路電流的限制；IGBT與R2組成斬波調阻單元，在驅動觸發脈沖占空比在0-1之間改變時，對應的整個排流回路限流電阻在(R1+R2)－R1之間變化，從而實現回路電流的調節；電壓傳感器SV實時檢測回路兩端電壓值，向CPU提供控制電壓信號；電流傳感器實時檢測回路中電流值，一方面用于對上位機系統上傳電流，另一方面用于回路的過電流保護，當電流值超過預先設定的最大限值時，適當降低IGBT導通占空比，使回路電阻增加，從而限值電流。這種電子式限流方式與直流快速熔斷器配合應用，適用于不同的運行工況。負荷開關QL用于回路投入或切除；壓敏電阻RV用于回路過電壓保護。

排流支路的整流二極管采用ZP800-3000型平板二極管，該二極管正向平均電流為800A，反向重復峰值電壓為3000V，能確保在裝置自冷散熱條件下額定200A的通流容量，同時該二極管能夠承受反向3000V的電壓。負荷開關選用額定電流為200A的負荷開關，可帶負荷操作，IGBT斬波電阻模塊由額定電流為400A的單管IGBT與電阻值為1K歐的固定電阻組成。限流電阻R1是一固定阻值的大功率限流電阻，阻值較低，一般在1歐以下。

5.結語

新型排流裝置采用新型電力電子器件IGBT作為裝置的執行部件，采用嵌入式16為Intel196KC單片機作為控制核心，其優良的響應速度比傳統的開關量控制排流更趨合理。能避免開關量控制排流的過排流和欠排流對系統結構鋼筋造成的影響，是目前技術水平最為先進的排流方式。

采用該技術方案設計生產的新型排流柜裝置已在北京地鐵1、2號線消隱改造工程中、大連輕軌三號線工程項目中成功應用，設備排流效果良好。

[1]于松偉,楊興山,韓連祥.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].西南交通大學出版社,2008.

[2]地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程(CJJ49-92)[M].北京:中國計劃出版社,1993.

[3]Intel 16位單片機[M].北京航空航天大學出版社,2002,7(第2版).