淺談地鐵供電系統中單向導通裝置的原理及應用

顧磊磊

摘 要：在直流牽引供電系統中，雜散電流是不可避免的一個話題。雜散電流對地下金屬結構危害極大。本文從雜散電流的產生、危害及常見的防護措施入手，通過對單向導通裝置的結構原理分析，研究在地鐵供電系統中裝設單向導通裝置的必要性，并介紹單向導通裝置的應用。

關鍵詞：地鐵供電系統 雜散電流 單向導通裝置

在地鐵（輕軌）軌道系統中，雖然有完善的回流系統，即列車從變電所電源取流，經過回流軌，到變電所內的負極柜。但是仍不可避免的會產生雜散電流，雜散電流會對地下金屬結構造成腐蝕，影響軌道道床的穩定性。基于此，為了降低雜散電流的危害，需要將鋼軌的回流隔斷，即在泄露電阻差距較大的特殊區域裝設絕緣接頭。在裝設絕緣接頭的區域，如果沒有其他輔助設備，勢必會影響列車的正?；亓?，可能會出現列車有電壓無電流的情況。為保證列車回流正常，必須使用單向導通裝置。單導內配備有隔離開關，當單導出現故障無法回流，此時可以人為介入，通過合上隔離開關提供回流路徑，保證列車運行。

雜散電流

目前地鐵行業牽引供電系統較常用的是采用接觸軌供電，鋼軌既是列車的走形軌，同時也是牽引回流通道。導軌直接安裝在整體式軌道床上（部分區域鋼軌鋪設在碎石道床），并通過防震絕緣墊將導軌和軌道床隔離。地鐵車輛運行過程中產生金屬污漬，被吸附在防震絕緣墊上，這些物質降低了鋼軌和道床之間的絕緣性能，本通過回流軌的電流，有一部分受污漬影響流入到道床中，產生雜散電流。日積月累，雜散電流會逐漸對金屬造成腐蝕，將影響道床結構的穩定性，這無疑會對地鐵行車造成安全隱患。

雜散電流的防護措施有多種。地鐵采用的較為有效的防護手段是將內部鋼軌隔離，其方法是在特殊區域加絕緣結，如地上區域與地下區域，過江隧道處、車輛段與正線間等。為了防止回流軌上的電流通過相對較弱的地面鋼軌泄漏到隧道外的地面，在地下和地上軌道之間增加絕緣結，單向導通裝置與絕緣結并聯連接。

單向導通裝置

結構

單向導通裝置（圖1）由整流二極管、隔開、保護裝置和輔助檢測單元組成。其中主電路由5個并聯的二極管組成，每個支路串聯快速熔斷器和電流傳感器用來信號采集、分析和輸出。

單導裝置無異常時隔離開關處于分位，二極管正向導通，這種情況下采集到正常信號。 當二極管反向擊穿或電流過大超出整定值，快速熔斷器熔斷，檢測系統會檢測到裝置異常，發出報警信號。當多個快速熔斷器或二極管損壞時，隔開合閘可以使絕緣結兩端鋼軌短接，對列車的正常運行不會造成影響。

原理

首先，根據地鐵的施工標準，我們知道鋼軌對不同材質結構的道床泄漏電阻大小不一，從大到小的順序依次為地下的整體道床、地面的道渣道床、車輛段的道渣道床。當列車在泄漏電阻較小的區域運行時（如地面上的道渣道床），鋼軌上的回流電流就會通過單向導通裝置單方向流向泄漏電阻較大的區域，然后流回負母線。同樣當列車在泄漏電阻較大的區域運行時（如地下的整體道床），由于單向導通裝置的存在，鋼軌中的回流電流就不會流至泄漏電阻較小的區域，這樣也就有效地減少了雜散電流，降低了地下金屬管道的電化學腐蝕程度，起到保護地下結構的作用。

保護設置

A.短路保護：短路保護有熔斷器保護和反向電壓保護兩種保護方式。系統出現短路時首先熔斷快速熔斷器，保護二極管不被擊穿，同時當二極管一旦被擊穿，我們還可以通過分流器的逆向電流數據來可靠地發出二極管被損壞的故障信號，以便我們及時處理。

B斷路保護：裝置中并聯的二極管具有相同的技術參數和特性，即在正常條件下，流過的每個二極管的電流是相同的。如果某個二極管損壞形成斷路，導致該支路中無電流通過，這樣也可以根據分流器來判斷故障二極管。

C.過電壓保護：通過RC回路及壓敏電阻的特性，過電壓的保護性能也較容易理解。

單向導通裝置在無錫地鐵中的應用

目前無錫地鐵在每個車輛段均設置了4臺單向導通裝置，停車場設置了3臺單向導通裝置。正常情況下，單向導通裝置隔離開關處于分閘位置。特殊情況下，當正線出現故障需要車廠供電時，鋼軌由于單向導通阻斷無法流回車廠牽引所，容易會造成列車無牽引電流，或者是單向導通裝置兩邊產生高電位差，形成較大電弧，所以此時需要將單向導通裝置短接，即將隔離開關合閘。

單向導通裝置的安裝方式是正極接在場段，負極接正線（如圖3），當列車在正線運行時，回流至場段的電流被單向導通截止。當列車出庫時，電流可通過單向導通裝置流至牽引所。

結語

無錫地鐵經歷了幾次牽混所檢修，在檢修期間通過更改運行方式從車輛段向正線支援供電，正是由于單向導通裝置的存在，實現了正常情況下對雜散電流的防護，減少了地下金屬結構的電化學腐蝕，同時又保證特殊供電方式下列車正?；亓?，充分發揮了該設備的作用。

參考文獻：

黃飛、 張磊.《基于軌道交通雜散電流防護系統的單向導通裝置設計》[J].《中國新技術新產品》，2016年第17期

張海波《城市軌道交通牽引供電系統雜散電流防護》

唐靚、趙雙《城市軌道交通單向導通裝置的原理與應用》[J]《科技風》，2018年第33期