地鐵供電系統(tǒng)中OVPD的主要參數(shù)分析

李志慧

地鐵供電系統(tǒng)中OVPD的主要參數(shù)分析

李志慧

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)地鐵的實(shí)際情況，采用供電模擬的方法，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度對(duì)鋼軌電位限制裝置（OVPD）的動(dòng)作特性以及承受短路電流能力等主要參數(shù)的選擇進(jìn)行了分析并提出了一些建議。

鋼軌電位限制裝置；框架泄漏；參數(shù)分析

0 引言

為減少雜散電流對(duì)地下金屬管材產(chǎn)生腐蝕，在地鐵供電系統(tǒng)建設(shè)過程中采用了不接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即鋼軌通過絕緣墊與大地絕緣，以減少雜散電流的泄漏。當(dāng)供電區(qū)段有起動(dòng)或運(yùn)行的列車、或發(fā)生系統(tǒng)短路故障時(shí)，因鋼軌作為牽引回流的通路以及鋼軌與地之間過渡電阻的存在，鋼軌對(duì)地產(chǎn)生一定的懸浮電位差，為防止鋼軌對(duì)地電位過高造成人身傷害，每個(gè)車站和車場(chǎng)都設(shè)有鋼軌電位限制裝置（下文簡(jiǎn)稱OVPD），當(dāng)鋼軌電位大于一定值時(shí)，鋼軌電位限制裝置動(dòng)作，從而滿足直流供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行及保護(hù)乘客安全的要求。為達(dá)到上述目的，地鐵供電系統(tǒng)必須合理選擇OVPD的設(shè)備參數(shù)。

1 鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作特性

1.1 概述

按歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50122-（1997年）的相關(guān)條款規(guī)定，鋼軌電位限制裝置的安全電壓設(shè)定原則應(yīng)滿足：鋼軌上的電壓必須嚴(yán)格限制在人體耐受電壓允許值以下，保證乘客和工作人員手觸摸車體和維修車輛時(shí)沒有觸電危險(xiǎn)。觸電電壓有2個(gè)依據(jù)參數(shù)：一是人體能夠耐受的電壓，二是人體能夠耐受電壓的時(shí)間。人體耐受電壓與允許時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1[1]和圖1所示。

地鐵供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)鋼軌電位限制裝置的參數(shù)選擇也是圍繞著上述原則進(jìn)行的。以下就鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作特性以及承受短路電流能力等主要技術(shù)參數(shù)和性能進(jìn)行分析。

表1 人體耐受電壓與允許時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系表

圖1 人體耐受電壓曲線圖

1.2 OVPD動(dòng)作原理

OVPD安裝在各個(gè)車站及車場(chǎng)內(nèi)，監(jiān)測(cè)鋼軌與地之間的電壓。如果該電壓超過整定值時(shí)，OVPD在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將鋼軌與地網(wǎng)通過開關(guān)連接起來，使鋼軌與地等電位，從而保證人身安全。同時(shí)，監(jiān)測(cè)流過OVPD中（鋼軌與地之間）的電流，當(dāng)該電流低于整定值時(shí)，OVPD將自動(dòng)復(fù)位斷開鋼軌與地的連接。其動(dòng)作示意如圖2所示。

圖2 鋼軌電位限制裝置動(dòng)作示意圖

首先，鋼軌電位限制裝置設(shè)有接觸器一個(gè)導(dǎo)通元件，接觸器由并入接觸器兩端的電壓繼電器檢測(cè)到高電壓后啟動(dòng)，當(dāng)電壓繼電器檢測(cè)到較低電壓但該電壓有可能對(duì)人身造成傷害（如DC 90 V）時(shí)，在t1時(shí)間內(nèi)閉合；當(dāng)電壓繼電器檢測(cè)到較高電壓（如DC 120 V）時(shí)，在t2時(shí)間內(nèi)閉合。當(dāng)由故障引起鋼軌對(duì)地電位產(chǎn)生更高電壓時(shí)，由框架泄漏保護(hù)的電壓元件動(dòng)作，切除故障。但是，由于框架保護(hù)的電壓元件動(dòng)作時(shí)間較慢，電壓元件動(dòng)作后，啟動(dòng)整流機(jī)組的進(jìn)線中壓斷路器跳閘，而中壓斷路器的全分閘時(shí)間基本在80 ms左右，總時(shí)間在100 ms以上，與表1對(duì)比可以看出，這個(gè)時(shí)間很難滿足更高電位下快速動(dòng)作的要求。

因此，在采用上述兩段動(dòng)作時(shí)間要求的基礎(chǔ)上，另外還提出了第三段動(dòng)作時(shí)間，在接觸器斷口間并聯(lián)一晶閘管，當(dāng)鋼軌電位大于500 V時(shí)，晶閘管應(yīng)在t3內(nèi)導(dǎo)通，然后通過串于晶閘管回路的電流繼電器啟動(dòng)接觸器閉合。其原理圖如圖3所示。

晶閘管在承受500 V時(shí)，擊穿二極管導(dǎo)通，使晶閘管在0.1 ms甚至更短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，從而保證人身安全。

1.3 三段動(dòng)作分界電壓及相應(yīng)動(dòng)作時(shí)間

（1）t1的確定。該值應(yīng)滿足在出現(xiàn)從90～150 V的電壓時(shí)，對(duì)人體起到保護(hù)作用的要求。根據(jù)EN50122-1，人體耐受DC 150 V電壓的允許時(shí)間為300 s，這樣t1小于300 s就可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，造成鋼軌對(duì)地電位升高有可能是瞬時(shí)故障，因此，鋼軌電位限制裝置在這一檔工作時(shí)，連續(xù)動(dòng)作3個(gè)循環(huán)，若仍有高電位，接觸器永久閉合。

圖3 鋼軌電位限制裝置原理圖

（2）t2的確定。同t1的確定原則相似，但在動(dòng)作時(shí)間的要求上應(yīng)更嚴(yán)格，t2的確定應(yīng)滿足在出現(xiàn)從150～660 V的電壓時(shí)，對(duì)人體起到保護(hù)作用的要求。根據(jù)EN50122-1，人體耐受660 V電壓的時(shí)間為 100 ms，但實(shí)際上電壓繼電器啟動(dòng)接觸器閉合，整個(gè)過程不能完全保證在100 ms內(nèi)完成，因此，建議將600 V作為第二、三檔分界電壓適當(dāng)降低，而標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)DC 535 V的要求為200 ms，這一時(shí)間是電壓繼電器和接觸器都能夠滿足的。

另一方面，鋼軌電位限制裝置在該系統(tǒng)中的作用只是保護(hù)人身安全，它不能切除故障，降低第二、三段分界電壓將提高晶閘管承受大電流的可能性，從而給裝置增加不必要的負(fù)擔(dān)，因此，當(dāng)鋼軌電位限制裝置已經(jīng)滿足人體耐受曲線允許的情況下，第二、三段的分界電壓不宜再降低。

綜上所述，第二、三段的分界電壓宜設(shè)置于500 V。

（3）t3的確定。t3的確定應(yīng)滿足在出現(xiàn)從500 V到更高電壓時(shí)，對(duì)人體起到保護(hù)作用的要求。根據(jù)EN50122-1，人體耐受660 V電壓的時(shí)間為100 ms，人體耐受940 V的電壓為20 ms，因此，鋼軌電位限制裝置在檢測(cè)到500 V或更高電壓時(shí)應(yīng)能在20 ms甚至更短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，而晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間是0.1 ms甚至更短。

晶閘管導(dǎo)通后，由串接于晶閘管回路的電流繼電器啟動(dòng)接觸器閉合。晶閘管導(dǎo)通后的電流很大（后面有較詳細(xì)論述），因此，要求電流繼電器能夠快速啟動(dòng)接觸器閉合，由接觸器來承受大電流。

（4）由晶閘管導(dǎo)通到接觸器閉合的時(shí)間t4的確定。t4的長(zhǎng)短由晶閘管承受短路電流的能力決定，晶閘管承受電流的時(shí)間越長(zhǎng)，t4就可以增大。t4合理與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)是：晶閘管在承受系統(tǒng)提供的短路電流，當(dāng)持續(xù)時(shí)間為t4時(shí)，晶閘管必須保證處于連通狀態(tài)。電流繼電器啟動(dòng)接觸器的門坎值由晶閘管的長(zhǎng)期耐受電流決定。

綜上所述，鋼軌電位限制裝置分三段動(dòng)作：電壓在90～150 V時(shí)，接觸器在1 min內(nèi)閉合；電壓在150～500 V時(shí)，接觸器在200 ms閉合；電壓在大于500 V時(shí)，鋼軌電位限制裝置應(yīng)在20 ms內(nèi)閉合。

2 承受短路電流的能力

鋼軌電位限制裝置在以下幾種情況時(shí)承受系統(tǒng)短路電流：整流器正極對(duì)外殼短路；直流開關(guān)母線對(duì)外殼短路；直流饋線開關(guān)斷路器下端口對(duì)外殼短路；接觸網(wǎng)對(duì)架空地線或接地扁鋼短路；接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路。下文對(duì)這幾種情況進(jìn)行分析討論。

2.1 整流器正極對(duì)外殼短路

整流器正極對(duì)外殼短路，此時(shí)，若排流柜已經(jīng)投入運(yùn)行，短路電流就會(huì)形成通路，此時(shí)高達(dá)幾十千安的電流會(huì)使排流柜熔斷器熔斷，使排流柜退出運(yùn)行。短路電流通過整流器外殼、框架保護(hù)電流元件、地網(wǎng)、鋼軌對(duì)地電阻、鋼軌、回流電纜最終回到整流器負(fù)極，如圖4所示。

其中變電所的內(nèi)阻約30～50 mΩ，框架泄漏保護(hù)電流元件電阻為0.15 mΩ，回流電纜的電阻在5 mΩ以內(nèi)，鋼軌對(duì)地電阻應(yīng)為3～15 Ω·km[2]。由于鋼軌對(duì)地電阻在整個(gè)回路中所占的比例較大，因此造成鋼軌電位升高。此時(shí)，短路電流流經(jīng)框架泄漏保護(hù)電流元件，啟動(dòng)電流元件，同時(shí)，框架泄漏保護(hù)單元檢測(cè)到鋼軌對(duì)地電壓，也會(huì)啟動(dòng)，最終斷開整流機(jī)組的交流進(jìn)線斷路器。但是，無論是電流元件啟動(dòng)交流進(jìn)線斷路器還是電壓元件啟動(dòng)交流進(jìn)線斷路器，其排除故障最短時(shí)間為60～80 ms，且由于工程中有可能串接一些中間繼電器，這樣，要通過框架泄漏保護(hù)裝置來切除故障的時(shí)間就會(huì)較長(zhǎng)。另一方面，鋼軌對(duì)地電阻占整個(gè)短路回路的比重較大，因此，鋼軌與地之間的電位差達(dá)600 V以上，根據(jù)EN50122-1中人體耐受電壓與時(shí)間的關(guān)系，660 V電壓對(duì)應(yīng)的時(shí)間為100 ms，940 V電壓對(duì)應(yīng)的時(shí)間為20 ms。因此，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，框架泄漏保護(hù)裝置還沒有完成切除故障的工作，要保證人身安全，鋼軌電位限制裝置就必須在檢測(cè)到高電壓后，在100 ms甚至更短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，閉合聯(lián)絡(luò)鋼軌與地網(wǎng)間的開關(guān)。這樣，短路電流通過正極、設(shè)備外殼、框架保護(hù)電流元件、接地母排、鋼軌電位限制裝置、鋼軌以及回流電纜最終回到負(fù)極，原地網(wǎng)電阻和鋼軌對(duì)地電阻都被短路。此時(shí)，流經(jīng)鋼軌電位限制裝置的短路電流包括本所的短路電流和相鄰牽引變電所通過線路、本所饋線開關(guān)提供的短路電流，如圖5所示，短路電流高達(dá)80 kA，隨整流機(jī)組容量的增大，短路電流甚至更高。

圖4 接地系統(tǒng)原理圖

圖5 牽引變電所短路電流曲線圖

但是，由于由另一套整流機(jī)組及相鄰牽引變電所提供的短路電流所通過直流進(jìn)線斷路器，通過大電流脫扣保護(hù)和電流速斷保護(hù)可以將其在20～30 ms內(nèi)切除。為保證人身安全，在框架泄漏保護(hù)裝置切除故障以前，鋼軌電位限制裝置始終要保證閉合的狀態(tài)，此時(shí)，鋼軌電位限制裝置承受一套整流機(jī)組的短路電流約35 kA，直至框架保護(hù)將電源切除。

2.2 直流開關(guān)母線對(duì)外殼短路

直流開關(guān)母線對(duì)外殼短路，排流柜的狀態(tài)變化及對(duì)短路回路的影響與2.1節(jié)中相同。排流柜退出后，短路電流首先通過直流開關(guān)柜外殼、框架保護(hù)電流元件、地網(wǎng)、鋼軌對(duì)地電阻、鋼軌、回流電纜最終回到整流器負(fù)極。由于鋼軌對(duì)地電阻占整個(gè)回路的比重較大，鋼軌電位限制裝置會(huì)檢測(cè)到高電位而閉合開關(guān)，使鋼軌與地網(wǎng)短路，從而形成很大的短路電流。鋼軌電位限制裝置從此時(shí)開始要承受短路電流，其大小與2.1節(jié)中整流器正極與外殼短路基本一致。若直流母線的進(jìn)線采用直流斷路器，則可通過大電流脫扣在20～30 ms內(nèi)將本所提供的近端短路電流切除，此時(shí)，剩余電流為相鄰變電所提供的短路電流，大小約20 kA，直至框架保護(hù)裝置將電源切除。

2.3 直流饋線開關(guān)斷路器下端口對(duì)外殼短路

直流開關(guān)斷路器下端口對(duì)外殼短路，其過程為鋼軌電位限制裝置檢測(cè)到電壓而閉合→將地網(wǎng)電阻和鋼軌對(duì)地電阻短路→形成大的短路電流→饋線開關(guān)大電流脫扣啟動(dòng)斷路器切斷短路電流。

2.4 接觸網(wǎng)對(duì)架空地線或接地扁鋼短路

接觸網(wǎng)對(duì)架空地線或接地扁鋼短路時(shí)，鋼軌電位限制裝置的電流以及時(shí)間與直流開關(guān)母線對(duì)外殼短路類似。

2.5 接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路

接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路時(shí)，鋼軌電位限制裝置由于軌電位升高而閉合，流經(jīng)鋼軌電位限制裝置的電流僅為對(duì)鋼軌短路電流的分流，其電流值相對(duì)前面的電流要小得多。

2.6 短路電流承受能力要求

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)鋼軌電位限制裝置短路耐受能力考核最嚴(yán)重的工況為框架泄漏。在故障被完全切除之前，存在部分短路電流被直流斷路器切除的過程，因此，鋼軌電位限制裝置的短路耐受能力應(yīng)以曲線的形式進(jìn)行要求，如圖6所示。

圖6中：

式中，t1為大電流脫扣啟動(dòng)至直流開關(guān)全分閘時(shí)間；t2為故障完全切除時(shí)間；I本所為本所近端短路電流值；I臨所為臨所提供的短路電流值。

圖6 鋼軌電位限制裝置短路耐受能力曲線圖

3 結(jié)論

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)地鐵的實(shí)際情況，分析了鋼軌電位限制裝置（OVPD）的動(dòng)作特性以及其承受短路電流能力，為鋼軌電位限制裝置（OVPD）主要參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)，經(jīng)與工程實(shí)際比較，證明該分析具有一定實(shí)用性和推廣價(jià)值。鋼軌電位限制裝置（OVPD）方面的研究從原理到應(yīng)用均存在很大的空間，還需要更多的研究與實(shí)踐對(duì)軌道交通的安全運(yùn)行提供可靠的保障。

[1] EN 50122-1Railway application-Fixed installations Part1. Protective provisions relating to electrical safety and earthing.

[2] CJJ49-92 地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 王曉保. 鋼軌電位限制裝置與框架保護(hù)關(guān)系的分析[J].城市軌道交通研究，2004，（6）：56.

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With connection of actual situations of current subways in our country, some suggestions are puts forward on the basis of the analysis performed by selecting of action characteristics and main parameters of short current withstanding capability of the over current protection device (OVPD) in terms of the system design.

Over voltage protection device; frame leakage protection; parameter analysis

U231

：B

：1007-936X(2015)01-0038-04

2015-09-18

李志慧.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，電話：13602027916。