基于軌道交通雜散電流防護系統的單向導通裝置設計

黃　飛 張　磊

（湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410012）

基于軌道交通雜散電流防護系統的單向導通裝置設計

黃飛 張磊

（湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410012）

軌道交通主體結構鋼、附近的埋地金屬管線、電氣設備經常遭受軌道交通雜散電流的電化學腐蝕。這種雜散電流會破壞混凝土結構，腐蝕埋地金屬管線，干擾通訊設備甚至會危及人體安全造成災難性的事故。該單向導通裝置主要有控制器模塊、二極管支路、消弧支路、隔離開關、過電壓保護支路、溫濕度控制、浪涌保護及電源模塊組成。其內部還設置了數據采集、數據處理及遠程通信系統，可實時檢測主回路的運行狀態。

軌道交通；雜散電流；單向導通裝置

隨著國內工業現代化、城鎮化持續推進，我國資源環境壓力日益加大，促進節能環保的“綠色軌道交通”提高城鎮承載力是緩解資源環境壓力提高經濟社會發展質量和效率的新方向。中國城市軌道交通已進入快速發展的新時期，同時軌道交通雜散電流防護問題越來越引起社會各界的重視。在軌道交通系統中，牽引供電系統一般采用直流方式，會產生雜散電流。地鐵中，很多鐵路采用走行軌、走行軌連接件以及電纜組成回流系統。走行軌與地之間并非絕對絕緣，存在多個電流泄漏點，流經走行軌的電流不能全部經由走行軌流回牽引變電所的負極，有一部分電流會泄漏進入大地，然后再流回變電所，這部分泄漏到大地中去的電流就是雜散電流也稱作迷流。

1.總體性能

1.1功能介紹

單向導通裝置通過電纜與絕緣結兩端回流軌相連，使回流軌中電流僅能單方向流通，以利于雜散電流防護，減少雜散電流影響。其內部除設置二極管支路外，還設有隔離開關和消弧支路，隔離開關用于特殊運行方式下，將絕緣結兩端回流軌直接電氣連接；消弧支路用于車輛再生制動導致單向導通裝置附近回流軌電位升高時，該支路電氣導通，降低走行軌電位，限制絕緣結兩端放電和保證回流軌附近人員的安全。

1.2單向導通裝置電氣原理圖

單向導通裝置電氣原理圖如圖1所示。

圖1　單向導通裝置電氣原理圖

2.系統組成

2.1控制單元模塊

單向導通裝置控制單元分為以下幾個部分：CPU模塊、開入量輸入模塊（DI）、開出量輸出模塊（DO）、模擬量輸入模塊（AI）、PWM驅動模塊、HMI人機接口模塊以及通訊模塊等。包括16路開入量輸入，其中14路共用公共端，另外2路為互相獨立的開入量輸入；每路開入量輸入采用光耦隔離，支持DC+24V輸入；6路開出量輸出，每路開出最大支持5A、220VAC或5A、30VDC；12路模擬量輸入，每路模擬量最大支持±5V輸入；支持2路可控硅驅動；1路RS-485，1路CAN以及7個LED指示各二極管支路及可控硅支路故障狀態。

2.2二極管支路

每個二極管支路均由二極管、快速熔斷器、霍爾電流傳感器等組成。該裝置采用了永濟機電的ZP4400-30二極管，額定電壓3000V，額定電流是4400A。首先要滿足額定電流3000A設計要求并且預留一定裕量來保證系統的穩定性。按額定容量的1.5倍來設計，則主回路實際額定電流容量為ITa=1.5×3000A=4500A。均流系數Kp取0.90，主回路實際電流為IT=ITa/Kp=4500A/0.90=5000A。按自然冷卻條件下電流取風冷條件下的25%，ZP4400-30二極管實際可通電流為：IP=4400A×25%=1100A。則需并聯元件數為：Np=IT/IP=5000A/1100A≈5（取整），故設置5路二極管并聯，由于已考慮到1.5倍冗余度要求，且當一支二極管損壞造成斷路時，單向導通裝置仍可滿足3000A的額定電流。

另外一個需要考慮的因素是如何保證很好的均流效果。理想條件下是5路二極管均分攤20%電流是最理想的，然而實際中并不可能那么理想，只能盡量使5路二極管分攤的電流大致相同，防止均流失敗燒壞二極管。為此首先要對二極管進行嚴格篩選，進行導通壓降測試必須確保相同規格的兩只二極管導通壓降偏差不超過0.2V，其次要保證5路二極管布局合理盡可能對稱。

同時每個二極管支路都應串聯一個快速熔斷器，當二極管發生反向擊穿或流過電流超過系統額定電流使快速熔斷器熔斷時，檢測系統檢測到故障后，向主監測系統發出報警信號，以便及時檢修。

2.3消弧支路

消弧支路由可控硅、霍爾電壓傳感器、快速熔斷器、霍爾電流傳感器組成。霍爾傳感器采用霍爾器件，能避免常規分流器的發熱問題，同時由于霍爾元件輸出的是0～4V的電壓信號，很好地解決了分流器的mV級小電壓放大成大信號電壓時的信號延遲及誤差問題。

消弧支能熄滅列車在制動情況下產生的電弧，當列車通過絕緣結后，檢測軌道絕緣結的反向電壓，當反向電壓達到起弧電壓（可手動設置）時，觸發可控硅使之導通，熄滅電弧，以保證單向導通裝置正常工作，電壓降低后，自動關斷。可控硅回路同時還需串聯快速熔斷器，以保護可控硅。

2.4隔離開關

隔離開關采用寧波耀華G N 2 2-1.5kV/3150A-50（D）開關，額定電壓DC1800V，額定電流3150A，工頻耐壓5.5kV，主要由旋轉隔離開關、操動機構和操作面板組成。該隔離開關可以方便的裝入開關柜內，方便安裝，整體性好。電動隔離開關的操動機構采用電動操動機構，具備電動、手動兩種操作方式，電動操作時能實現遠動控制。

2.5過電壓保護支路

二極管與可控硅在開通與關斷瞬間的尖峰脈沖其主要為奇數倍高次諧波，R、C分壓，頻率越高，電容容抗越小，電容電壓就越低，大部分降落到R上了，RC低通濾波的H（w）=1/（1+jwRC），故直接并聯RC阻容吸收回路，R取5～10Ω，功率取5～20W，C取0.05～1μF即可。同時為防止過電壓，在RC支路上還需并聯一個壓敏電阻，當二極管兩端電壓超過其閥值時，壓敏電阻將二極管自動旁路以防止二極管損壞，當電壓恢復時，壓敏電阻恢復正常。

2.6溫濕度控制

為控制單向導通裝置內溫濕度，可以選用WSK-HS（TH）系列智能溫度控制器，其帶有一路溫濕度傳感器，能隨時監測柜體內的溫濕度變化并通過自動調節柜體內部安裝的加熱裝置的工作狀態及時改善柜體內部的溫濕度環境。

2.7浪涌保護

為抑制線路上的浪涌和瞬時過電壓、泄放線路上的過電流，二次回路應安裝浪涌保護器浪涌保護器（SPD），可采用科安達SSLP-385V浪涌保護器有效保護二次設備。

3.安裝防護

安裝時二極管、可控硅、隔離開關、過電壓過電流保護裝置應安裝在單向導通裝置正面，在布置上應考慮通風散熱、接線方便。單向導通裝置為戶外安裝的獨立式金屬柜，柜體防護等級為應達到IP45，考慮到熱輻射和雨水的浸漬，整個柜體設計需有防雨的散熱通道，柜頂應裝有防止雨水的頂蓋，既保證有良好的防雨作用，又保證有良好的散熱效果。

結語

實際生產中經模擬負載測試，該單向導通裝置二極管支路均流系數大于0.9，過載能力強，可達150%，具有故障自動報警功能，方便維護。采用可控硅自動消弧技術，可避免電弧燒損鋼軌，隔離開關采用手動電動兩種操作方式，方便遠程控制。該裝置可以有效縮小雜散電流影響的范圍，從而減少雜散電流對結構鋼筋的腐蝕，具有廣泛的應用前景。

［1］ GB50157-2013，地鐵設計規范［S］.

［2］ CJJ49-1992，鐵雜散電流腐蝕防護技術規程［S］.

［3］ JB/T8949.2-2013，普通整流管第2部分：平板形器件［S］.

［4］ GB/T3859.1-2013，半導體變流器通用要求和電網換相變流器［S］.

［5］ GB4208-2008，外殼防護等級（IP代碼）［S］.

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